Temperature phase tilt in unstable baroclinic waves

A general property on the phase relation in linear baroclinic instability is proved analytically: in a potential vorticity homogenization regime, the complex geometry of the quasigeostrophic equations determines that the phase lines of temperature and pressure disturbances tilt with height in opposite directions.

Wave transformation and wave-driven flow across a steep coral reef

Observations of waves, setup, and wave-driven mean flows were made on a steep coral forereef and its associated lagoonal system on the north shore of Moorea, French Polynesia. Despite the steep and complex geometry of the forereef, and wave amplitudes that are nearly equal to the mean water depth, linear wave theory showed very good agreement with data. Measurements across the reef illustrate the importance of including both wave transport (owing to Stokes drift), as well as the Eulerian mean transport when computing the fluxes over the reef. Finally, the observed setup closely follows the theoretical relationship derived from classic radiation stress theory, although the two parameters that appear in the model-one reflecting wave breaking, the other the effective depth over the reef crest-must be chosen to match theory to data. © 2013 American Meteorological Society.

The numerical modelling of multi-physics phenomena: The shape casting process

In this paper a computer simulation tool capable of modelling multi-physics processes in complex geometry has been developed and applied to the casting process. The quest for high-quality complex casting components demanded by the aerospace and automobile industries, requires more precise numerical modelling techniques and one that need to be generic and modular in its approach to modelling multi-processes problems. For such a computer model to be successful in shape casting, the complete casting process needs to be addressed, the major events being:-• Filling of hot liquid metal into a cavity mould • Solidification and latent heat evolution of liquid metal • Convection currents generated in liquid metal by thermal gradients • Deformation of cast and stress development in solidified metal • Macroscopic porosity formation The above phenomena combines the analysis of fluid flow, heat transfer, change of phase and thermal stress development. None of these events can be treated in isolation as they inexorably interact with each other in a complex way. Also conditions such as design of running system, location of feeders and chills, moulding materials and types of boundary conditions can all affect on the final cast quality and must be appropriately represented in the model.

NON-GAUSSIAN STATISTICS OF OIL PRICING TIME-SERIES: A CASE STUDY

The stochastic nature of oil price fluctuations is investigated over a twelve-year period, borrowing feedback from an existing database (USA Energy Information Administration database, available online). We evaluate the scaling exponents of the fluctuations by employing different statistical analysis methods, namely rescaled range analysis (R/S), scale windowed variance analysis (SWV) and the generalized Hurst exponent (GH) method. Relying on the scaling exponents obtained, we apply a rescaling procedure to investigate the complex characteristics of the probability density functions (PDFs) dominating oil price fluctuations. It is found that PDFs exhibit scale invariance, and in fact collapse onto a single curve when increments are measured over microscales (typically less than 30 days). The time evolution of the distributions is well fitted by a Levy-type stable distribution. The relevance of a Levy distribution is made plausible by a simple model of nonlinear transfer. Our results also exhibit a degree of multifractality as the PDFs change and converge toward to a Gaussian distribution at the macroscales.

Tree-code simulations of proton acceleration from laser-irradiated wire targets

Recent experiments using Terawatt lasers to accelerate protons deposited on thin wire targets are modeled with a new type of gridless plasma simulation code. In contrast to conventional mesh-based methods, this technique offers a unique capability in emulating the complex geometry and open-ended boundary conditions characteristic of contemporary experimental conditions. Comparisons of ion acceleration are made between the tree code and standard particle-in-cell simulations for a typical collisionless

Novos receptores moleculares baseados em calix[4]arenos: aplicação à química sensorial

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Química

Simulação de sistema de desenfumagem de parques de estacionamento recorrendo ao programa OpenFOAM

Os parques de estacionamento cobertos estão obrigados por legislação a terem sistemas de desenfumagem. Assim, nesta dissertação desenvolve-se um procedimento computacional para a analise e verificação de funcionamento de sistemas de desenfumagem com ventiladores de impulso para parques de estacionamento, recorrendo ao software de mecânica dos fluidos computacional OpenFOAM. Actualmente nos sistemas de desenfumagem de parques de estacionamento estão a ser aplicados ventiladores de impulso. Este tipo de ventiladores não estão contemplados pela legislação em vigor. Assim, para serem utilizados é necessário verificar se estes podem substituir as redes de condutas. A verificação do funcionamento de sistemas de desenfumagem com ventiladores de impulso e efectuada com recurso a programas de simulação de mecânica dos fluidos computacional. O software OpenFOAM não tem tutoriais para ventiladores de impulso. Assim, foi executado um procedimento para validação dos ventiladores de impulso. A validação consistiu em reproduzir-se uma experiência executada por Giesen et al. (2011). Executaram-se várias simulações com diferentes modelos de turbulência, verificando-se que o programa buoyantpimplefoam do software OpenFOAM ao utilizar o modelo de turbulência k -ɛ simulou quase na perfeição os ventiladores de impulso. O desenvolvimento do procedimento computacional foi executado para um parque de estacionamento com uma geometria bastante complexa. O parque de estacionamento foi criado com um software em 3D e posteriormente inserido numa malha j a criada com as dimensões exteriores do parque. Foram estipuladas as condições de fronteira e executou-se uma simulação de seiscentos segundos com parâmetros determinados previamente. O processamento da simulação teve a duração de aproximadamente oito dias. Dos resultados obtidos concluiu-se que o procedimento computacional apresentado simula adequadamente sistemas de desenfumagem em parques de estacionamento.

Numerical modelling of the impact of climate change on the morphology of Saint-Lawrence tributaries

Cette thèse examine les impacts sur la morphologie des tributaires du fleuve Saint-Laurent des changements dans leur débit et leur niveau de base engendrés par les changements climatiques prévus pour la période 2010–2099. Les tributaires sélectionnés (rivières Batiscan, Richelieu, Saint-Maurice, Saint-François et Yamachiche) ont été choisis en raison de leurs différences de taille, de débit et de contexte morphologique. Non seulement ces tributaires subissent-ils un régime hydrologique modifié en raison des changements climatiques, mais leur niveau de base (niveau d’eau du fleuve Saint-Laurent) sera aussi affecté. Le modèle morphodynamique en une dimension (1D) SEDROUT, à l’origine développé pour des rivières graveleuses en mode d’aggradation, a été adapté pour le contexte spécifique des tributaires des basses-terres du Saint-Laurent afin de simuler des rivières sablonneuses avec un débit quotidien variable et des fluctuations du niveau d’eau à l’aval. Un module pour simuler le partage des sédiments autour d’îles a aussi été ajouté au modèle. Le modèle ainsi amélioré (SEDROUT4-M), qui a été testé à l’aide de simulations à petite échelle et avec les conditions actuelles d’écoulement et de transport de sédiments dans quatre tributaires du fleuve Saint-Laurent, peut maintenant simuler une gamme de problèmes morphodynamiques de rivières. Les changements d’élévation du lit et d’apport en sédiments au fleuve Saint-Laurent pour la période 2010–2099 ont été simulés avec SEDROUT4-M pour les rivières Batiscan, Richelieu et Saint-François pour toutes les combinaisons de sept régimes hydrologiques (conditions actuelles et celles prédites par trois modèles de climat globaux (MCG) et deux scénarios de gaz à effet de serre) et de trois scénarios de changements du niveau de base du fleuve Saint-Laurent (aucun changement, baisse graduelle, baisse abrupte). Les impacts sur l’apport de sédiments et l’élévation du lit diffèrent entre les MCG et semblent reliés au statut des cours d’eau (selon qu’ils soient en état d’aggradation, de dégradation ou d’équilibre), ce qui illustre l’importance d’examiner plusieurs rivières avec différents modèles climatiques afin d’établir des tendances dans les effets des changements climatiques. Malgré le fait que le débit journalier moyen et le débit annuel moyen demeurent près de leur valeur actuelle dans les trois scénarios de MCG, des changements importants dans les taux de transport de sédiments simulés pour chaque tributaire sont observés. Ceci est dû à l’impact important de fortes crues plus fréquentes dans un climat futur de même qu’à l’arrivée plus hâtive de la crue printanière, ce qui résulte en une variabilité accrue dans les taux de transport en charge de fond. Certaines complications avec l’approche de modélisation en 1D pour représenter la géométrie complexe des rivières Saint-Maurice et Saint-François suggèrent qu’une approche bi-dimensionnelle (2D) devrait être sérieusement considérée afin de simuler de façon plus exacte la répartition des débits aux bifurcations autour des îles. La rivière Saint-François est utilisée comme étude de cas pour le modèle 2D H2D2, qui performe bien d’un point de vue hydraulique, mais qui requiert des ajustements pour être en mesure de pleinement simuler les ajustements morphologiques des cours d’eau.

Suivi des vaisseaux sanguins en temps réel à partir d’images ultrasonores mode-B et reconstruction 3D : application à la caractérisation des sténoses artérielles

La maladie des artères périphériques (MAP) se manifeste par une réduction (sténose) de la lumière de l’artère des membres inférieurs. Elle est causée par l’athérosclérose, une accumulation de cellules spumeuses, de graisse, de calcium et de débris cellulaires dans la paroi artérielle, généralement dans les bifurcations et les ramifications. Par ailleurs, la MAP peut être causée par d`autres facteurs associés comme l’inflammation, une malformation anatomique et dans de rares cas, au niveau des artères iliaques et fémorales, par la dysplasie fibromusculaire. L’imagerie ultrasonore est le premier moyen de diagnostic de la MAP. La littérature clinique rapporte qu’au niveau de l’artère fémorale, l’écho-Doppler montre une sensibilité de 80 à 98 % et une spécificité de 89 à 99 % à détecter une sténose supérieure à 50 %. Cependant, l’écho-Doppler ne permet pas une cartographie de l’ensemble des artères des membres inférieurs. D’autre part, la reconstruction 3D à partir des images échographiques 2D des artères atteintes de la MAP est fortement opérateur dépendant à cause de la grande variabilité des mesures pendant l’examen par les cliniciens. Pour planifier une intervention chirurgicale, les cliniciens utilisent la tomodensitométrie (CTA), l’angiographie par résonance magnétique (MRA) et l’angiographie par soustraction numérique (DSA). Il est vrai que ces modalités sont très performantes. La CTA montre une grande précision dans la détection et l’évaluation des sténoses supérieures à 50 % avec une sensibilité de 92 à 97 % et une spécificité entre 93 et 97 %. Par contre, elle est ionisante (rayon x) et invasive à cause du produit de contraste, qui peut causer des néphropathies. La MRA avec injection de contraste (CE MRA) est maintenant la plus utilisée. Elle offre une sensibilité de 92 à 99.5 % et une spécificité entre 64 et 99 %. Cependant, elle sous-estime les sténoses et peut aussi causer une néphropathie dans de rares cas. De plus les patients avec stents, implants métalliques ou bien claustrophobes sont exclus de ce type d`examen. La DSA est très performante mais s`avère invasive et ionisante. Aujourd’hui, l’imagerie ultrasonore (3D US) s’est généralisée surtout en obstétrique et échocardiographie. En angiographie il est possible de calculer le volume de la plaque grâce à l’imagerie ultrasonore 3D, ce qui permet un suivi de l’évolution de la plaque athéromateuse au niveau des vaisseaux. L’imagerie intravasculaire ultrasonore (IVUS) est une technique qui mesure ce volume. Cependant, elle est invasive, dispendieuse et risquée. Des études in vivo ont montré qu’avec l’imagerie 3D-US on est capable de quantifier la plaque au niveau de la carotide et de caractériser la géométrie 3D de l'anastomose dans les artères périphériques. Par contre, ces systèmes ne fonctionnent que sur de courtes distances. Par conséquent, ils ne sont pas adaptés pour l’examen de l’artère fémorale, à cause de sa longueur et de sa forme tortueuse. L’intérêt pour la robotique médicale date des années 70. Depuis, plusieurs robots médicaux ont été proposés pour la chirurgie, la thérapie et le diagnostic. Dans le cas du diagnostic artériel, seuls deux prototypes sont proposés, mais non commercialisés. Hippocrate est le premier robot de type maitre/esclave conçu pour des examens des petits segments d’artères (carotide). Il est composé d’un bras à 6 degrés de liberté (ddl) suspendu au-dessus du patient sur un socle rigide. À partir de ce prototype, un contrôleur automatisant les déplacements du robot par rétroaction des images échographiques a été conçu et testé sur des fantômes. Le deuxième est le robot de la Colombie Britannique conçu pour les examens à distance de la carotide. Le mouvement de la sonde est asservi par rétroaction des images US. Les travaux publiés avec les deux robots se limitent à la carotide. Afin d’examiner un long segment d’artère, un système robotique US a été conçu dans notre laboratoire. Le système possède deux modes de fonctionnement, le mode teach/replay (voir annexe 3) et le mode commande libre par l’utilisateur. Dans ce dernier mode, l’utilisateur peut implémenter des programmes personnalisés comme ceux utilisés dans ce projet afin de contrôler les mouvements du robot. Le but de ce projet est de démontrer les performances de ce système robotique dans des conditions proches au contexte clinique avec le mode commande libre par l’utilisateur. Deux objectifs étaient visés: (1) évaluer in vitro le suivi automatique et la reconstruction 3D en temps réel d’une artère en utilisant trois fantômes ayant des géométries réalistes. (2) évaluer in vivo la capacité de ce système d'imagerie robotique pour la cartographie 3D en temps réel d'une artère fémorale normale. Pour le premier objectif, la reconstruction 3D US a été comparée avec les fichiers CAD (computer-aided-design) des fantômes. De plus, pour le troisième fantôme, la reconstruction 3D US a été comparée avec sa reconstruction CTA, considéré comme examen de référence pour évaluer la MAP. Cinq chapitres composent ce mémoire. Dans le premier chapitre, la MAP sera expliquée, puis dans les deuxième et troisième chapitres, l’imagerie 3D ultrasonore et la robotique médicale seront développées. Le quatrième chapitre sera consacré à la présentation d’un article intitulé " A robotic ultrasound scanner for automatic vessel tracking and three-dimensional reconstruction of B-mode images" qui résume les résultats obtenus dans ce projet de maîtrise. Une discussion générale conclura ce mémoire. L’article intitulé " A 3D ultrasound imaging robotic system to detect and quantify lower limb arterial stenoses: in vivo feasibility " de Marie-Ange Janvier et al dans l’annexe 3, permettra également au lecteur de mieux comprendre notre système robotisé. Ma contribution dans cet article était l’acquisition des images mode B, la reconstruction 3D et l’analyse des résultats pour le patient sain.

Studying the contact point and interface moving in a sinusoidal tube with lattice Boltzmann method

The multicomponent nonideal gas lattice Boltzmann model by Shan and Chen (S-C) is used to study the immiscible displacement in a sinusoidal tube. The movement of interface and the contact point (contact line in three-dimension) is studied. Due to the roughness of the boundary, the contact point shows "stick-slip" mechanics. The "stick-slip" effect decreases as the speed of the interface increases. For fluids that are nonwetting, the interface is almost perpendicular to the boundaries at most time, although its shapes at different position of the tube are rather different. When the tube becomes narrow, the interface turns a complex curves rather than remains simple menisci. The velocity is found to vary considerably between the neighbor nodes close to the contact point, consistent with the experimental observation that the velocity is multi-values on the contact line. Finally, the effect of three boundary conditions is discussed. The average speed is found different for different boundary conditions. The simple bounce-back rule makes the contact point move fastest. Both the simple bounce-back and the no-slip bounce-back rules are more sensitive to the roughness of the boundary in comparison with the half-way bounce-back rule. The simulation results suggest that the S-C model may be a promising tool in simulating the displacement behaviour of two immiscible fluids in complex geometry.

Nitretação iônica sem efeito de borda :desenvolvimento e avaliação de uma nova técnica

The ionic nitriding process presents some limitations related with the control of the thickness of the layer and its uniformity. Those limitations that happen during the process, are produced due to edge effects, damage caused by arcing arc and hollow cathode, mainly in pieces with complex geometry and under pressures in excess of 1 mbar. A new technique, denominated ASPN (active screen shapes nitriding) it has been used as alternative, for offering many advantages with respect to dc plasma conventional. The developed system presents a configuration in that the samples treated are surrounded by a large metal screen at high voltage cathodic potencials, (varying between 0 and 1200V) and currents up to 1 A. The sample is placed in floting potential or polarized at relatively lower bias voltages by an auxiliary source. As the plasma is not formed directly in the sample surface but in the metal screen, the mentioned effects are eliminated. This mechanism allows investigate ion of the transfer of nitrogen to the substrate. Optical and electronic microscopy are used to exam morphology and structure at the layer. X-ray difration for phase identification and microhardness to evaluate the efficiency of this process with respect to dc conventional nitriding

Nitretação em plasma com gaiola catódica: caracterização e avaliação do desempenho da camada nitretada em facas de corte

Nowadays, in the plastic industry are used mills that accomplish the recycling of residues generated in the production of its components. These mills contain cut sheets that suffer accelerated wear, once they are submitted constantly to the tribologic efforts, decreasing its useful life. To reduce this problem, it s used noble steels or takes place superficial treatments. The ionic nitriding process presents some limitations related to the uniformity of the layer in pieces with complex geometry, committing its application in pieces as knives, head offices, engagements, etc. However, the new technique of nitriding in cathodic cage eliminates some problems, as the restrictions rings, inherent to the conventional ionic nitriding. In present work, was studied the use viabilization of steels less noble, as SAE 1020, SAE 4320 and SAE 4340, nitreded by two different techniques, to substitute the AISI 01 steels, usually used in the cut knifes fabrication, seeking to reduce the costs and at the sane time to increase the useful life of these knifes. The steel most viable was the SAE 4340, nitrided in cathodic cage, because it presented uniformity in thickness and in the hardness of the layer, besides of increased 58% in the average its useful life

Comparative analysis between a CAD model design and physical models obtained by manufacturing additive technologies using optical scan

This article presents a detailed study of the application of different additive manufacturing technologies (sintering process, three-dimensional printing, extrusion and stereolithographic process), in the design process of a complex geometry model and its moving parts. The fabrication sequence was evaluated in terms of pre-processing conditions (model generation and model STL SLI), generation strategy and physical model post-processing operations. Dimensional verification of the obtained models was undertook by projecting structured light (optical scan), a relatively new technology of main importance for metrology and reverse engineering. Studies were done in certain manufacturing time and production costs, which allowed the definition of an more comprehensive evaluation matrix of additive technologies.

Metallic powder injection molding using low pressure

The demand by high performance materials that have to support severe service conditions at a reasonable cost has been forcing the powder metallurgy to improve constantly. The most recent and more important innovation in the area is the process of powder injection.Powder injection molding (PIM) is a technology capable of producing a new range of components from powders. This advanced technology overcomes the existent limitations in the forming of products with complex geometry. The process presents countless variations which are used in the industry today. Invariably, it consists of mixing the powders and a thermo-plastic binder, injecting the mass in the mold in the wanted form, debinding, sintering and making optional secondary operations, as for example, machinery.The purpose of this work is to review the metal injection molding techniques and apply the low pressure injection molding process to family of parts using metallic powder with 10 mum particle size. This work also comments the design and construction of a low pressure injection machine and injection molds. (C) 2001 Elsevier B.V. B.V. All rights reserved.

FRACTAL CHARACTERISTICS OF THE HORIZONTAL MOVEMENT OF WATER IN SOILS

Observed deviations from traditional concepts of soil-water movement are considered in terms of fractals. A connection is made between this movement and a Brownian motion, a random and self-affine type of fractal, to account for the soil-water diffusivity function having auxiliary time dependence for unsaturated soils. The position of a given water content is directly proportional to t(n), where t is time, and exponent n for distinctly unsaturated soil is less than the traditional 0.50. As water saturation is approached, n approaches 0.50. Macroscopic fractional Brownian motion is associated with n < 0.50, but shifts to regular Brownian motion for n = 0.50.