Control and optimization of an SBR for nitrogen removal: from model calibration to plant operation

En aquesta tesis s'ha desenvolupat un sistema de control capaç d'optimitzar el funcionament dels Reactors Discontinus Seqüencials dins el camp de l'eliminació de matèria orgànica i nitrogen de les aigües residuals. El sistema de control permet ajustar en línia la durada de les etapes de reacció a partir de mesures directes o indirectes de sondes. En una primera etapa de la tesis s'ha estudiat la calibració de models matemàtics que permeten realitzar fàcilment provatures de diferents estratègies de control. A partir de l'anàlisis de dades històriques s'han plantejat diferents opcions per controlar l'SBR i les més convenients s'han provat mitjançant simulació. Després d'assegurar l'èxit de l'estratègia de control mitjançant simulacions s'ha implementat en una planta semi-industrial. Finalment es planteja l'estructura d'uns sistema supervisor encarregat de controlar el funcionament de l'SBR no només a nivell de fases sinó també a nivell cicle.

Improvement of strategies for the management of fire blight (Erwinia amylovora). Evaluation and optimization of physical and chemical control methods, and use of decision support systems

El foc bacterià és una malaltia que afecta a plantes de la família de la rosàcies, causada pel bacteri Erwinia amylovora. El seu rang d'hostes inclou arbres fruiters, com la perera, la pomera o el codonyer, i plantes ornamentals de gran interès comercial i econòmic. Actualment, la malaltia s'ha dispersat i es troba àmpliament distribuïda en totes les zones de clima temperat del món. A Espanya, on la malaltia no és endèmica, el foc bacterià es va detectar per primer cop al 1995 al nord del país (Euskadi) i posteriorment, han aparegut varis focus en altres localitzacions, que han estat convenientment eradicats. El control del foc bacterià, és molt poc efectiu en plantes afectades per la malaltia, de manera que es basa en mesures encaminades a evitar la dispersió del patogen, i la introducció de la malaltia en regions no endèmiques. En aquest treball, la termoteràpia ha estat avaluada com a mètode d'eradicació d'E. amylovora de material vegetal de propagació asimptomàtic. S'ha demostrat que la termoteràpia és un mètode viable d'eradicar E. amylovora de material de propagació. Gairebé totes les espècies i varietats de rosàcies mantingudes en condicions d'humitat sobrevivien 7 hores a 45 ºC i més de 3 hores a 50 ºC, mentre que més d'1 hora d'exposició a 50 ºC amb calor seca produïa danys en el material vegetal i reduïa la brotació. Tractaments de 60 min a 45 ºC o 30 min a 50 ºC van ser suficients per reduir la població epífita d'E. amylovora a nivells no detectables (5 x 102 ufc g-1 p.f.) en branques de perera. Els derivats dels fosfonats i el benzotiadiazol són efectius en el control del foc bacterià en perera i pomera, tant en condicions de laboratori, com d'hivernacle i camp. Els inductors de defensa de les plantes redueixen els nivells de malaltia fins al 40-60%. Els intervals de temps mínims per aconseguir el millor control de la malaltia van ser 5 dies pel fosetil-Al, i 7 dies per l'etefon i el benzotiadiazol, i les dosis òptimes pel fosetil-Al i el benzotiadiazol van ser 3.72 g HPO32- L-1 i 150 mg i.a. L-1, respectivament. Es millora l'eficàcia del fosetil-Al i del benzotiadiazol en el control del foc bacterià, quan es combinen amb els antibiòtics a la meitat de la dosi d'aquests últims. Tot i que l'estratègia de barrejar productes és més pràctica i fàcil de dur a terme a camp, que l'estratègia de combinar productes, el millor nivell de control de la malaltia s'aconsegueix amb l'estratègia de combinar productes. Es va analitzar a nivell histològic i ultrastructural l'efecte del benzotiadiazol i dels fosfonats en la interacció Erwinia amylovora-perera. Ni el benzotiadiazol, ni el fosetil-Al, ni l'etefon van induir canvis estructurals en els teixits de perera 7 dies després de la seva aplicació. No obstant, després de la inoculació d'E. amylovora es va observar en plantes tractades amb fosetil-Al i etefon una desorganització estructural cel·lular, mentre que en les plantes tractades amb benzotiadiazol aquestes alteracions tissulars van ser retardades. S'han avaluat dos models (Maryblyt, Cougarblight) en un camp a Espanya afectat per la malaltia, per determinar la precisió de les prediccions. Es van utilitzar dos models per elaborar el mapa de risc, el BRS-Powell combinat i el BIS95 modificat. Els resultats van mostrar dos zones amb elevat i baix risc de la malaltia. Maryblyt i Cougarblight són dos models de fàcil ús, tot i que la seva implementació en programes de maneig de la malaltia requereix que siguin avaluats i validats per un període de temps més llarg i en àrees on la malaltia hi estigui present.

Multi-objective optimization scheme for static and dynamic multicast flows

Muchas de las nuevas aplicaciones emergentes de Internet tales como TV sobre Internet, Radio sobre Internet,Video Streamming multi-punto, entre otras, necesitan los siguientes requerimientos de recursos: ancho de banda consumido, retardo extremo-a-extremo, tasa de paquetes perdidos, etc. Por lo anterior, es necesario formular una propuesta que especifique y provea para este tipo de aplicaciones los recursos necesarios para su buen funcionamiento. En esta tesis, proponemos un esquema de ingeniería de tráfico multi-objetivo a través del uso de diferentes árboles de distribución para muchos flujos multicast. En este caso, estamos usando la aproximación de múltiples caminos para cada nodo egreso y de esta forma obtener la aproximación de múltiples árboles y a través de esta forma crear diferentes árboles multicast. Sin embargo, nuestra propuesta resuelve la fracción de la división del tráfico a través de múltiples árboles. La propuesta puede ser aplicada en redes MPLS estableciendo rutas explícitas en eventos multicast. En primera instancia, el objetivo es combinar los siguientes objetivos ponderados dentro de una métrica agregada: máxima utilización de los enlaces, cantidad de saltos, el ancho de banda total consumido y el retardo total extremo-a-extremo. Nosotros hemos formulado esta función multi-objetivo (modelo MHDB-S) y los resultados obtenidos muestran que varios objetivos ponderados son reducidos y la máxima utilización de los enlaces es minimizada. El problema es NP-duro, por lo tanto, un algoritmo es propuesto para optimizar los diferentes objetivos. El comportamiento que obtuvimos usando este algoritmo es similar al que obtuvimos con el modelo. Normalmente, durante la transmisión multicast los nodos egresos pueden salir o entrar del árbol y por esta razón en esta tesis proponemos un esquema de ingeniería de tráfico multi-objetivo usando diferentes árboles para grupos multicast dinámicos. (en el cual los nodos egresos pueden cambiar durante el tiempo de vida de la conexión). Si un árbol multicast es recomputado desde el principio, esto podría consumir un tiempo considerable de CPU y además todas las comuicaciones que están usando el árbol multicast serán temporalmente interrumpida. Para aliviar estos inconvenientes, proponemos un modelo de optimización (modelo dinámico MHDB-D) que utilice los árboles multicast previamente computados (modelo estático MHDB-S) adicionando nuevos nodos egreso. Usando el método de la suma ponderada para resolver el modelo analítico, no necesariamente es correcto, porque es posible tener un espacio de solución no convexo y por esta razón algunas soluciones pueden no ser encontradas. Adicionalmente, otros tipos de objetivos fueron encontrados en diferentes trabajos de investigación. Por las razones mencionadas anteriormente, un nuevo modelo llamado GMM es propuesto y para dar solución a este problema un nuevo algoritmo usando Algoritmos Evolutivos Multi-Objetivos es propuesto. Este algoritmo esta inspirado por el algoritmo Strength Pareto Evolutionary Algorithm (SPEA). Para dar una solución al caso dinámico con este modelo generalizado, nosotros hemos propuesto un nuevo modelo dinámico y una solución computacional usando Breadth First Search (BFS) probabilístico. Finalmente, para evaluar nuestro esquema de optimización propuesto, ejecutamos diferentes pruebas y simulaciones. Las principales contribuciones de esta tesis son la taxonomía, los modelos de optimización multi-objetivo para los casos estático y dinámico en transmisiones multicast (MHDB-S y MHDB-D), los algoritmos para dar solución computacional a los modelos. Finalmente, los modelos generalizados también para los casos estático y dinámico (GMM y GMM Dinámico) y las propuestas computacionales para dar slución usando MOEA y BFS probabilístico.

A cell by cell anisotropic adaptive mesh ALE scheme for the numerical solution of the Euler equations

In this paper a cell by cell anisotropic adaptive mesh technique is added to an existing staggered mesh Lagrange plus remap finite element ALE code for the solution of the Euler equations. The quadrilateral finite elements may be subdivided isotropically or anisotropically and a hierarchical data structure is employed. An efficient computational method is proposed, which only solves on the finest level of resolution that exists for each part of the domain with disjoint or hanging nodes being used at resolution transitions. The Lagrangian, equipotential mesh relaxation and advection (solution remapping) steps are generalised so that they may be applied on the dynamic mesh. It is shown that for a radial Sod problem and a two-dimensional Riemann problem the anisotropic adaptive mesh method runs over eight times faster.

A cell by cell anisotropic adaptive mesh ALE method

A cell by cell anisotropic adaptive mesh Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) method for the solution of the Euler equations is described. An efficient approach to equipotential mesh relaxation on anisotropically refined meshes is developed. Results for two test problems are presented.

Voronoi, Delaunay, and Block-Structured Mesh Refinement for Solution of the Shallow-Water Equations on the Sphere

Alternative meshes of the sphere and adaptive mesh refinement could be immensely beneficial for weather and climate forecasts, but it is not clear how mesh refinement should be achieved. A finite-volume model that solves the shallow-water equations on any mesh of the surface of the sphere is presented. The accuracy and cost effectiveness of four quasi-uniform meshes of the sphere are compared: a cubed sphere, reduced latitude–longitude, hexagonal–icosahedral, and triangular–icosahedral. On some standard shallow-water tests, the hexagonal–icosahedral mesh performs best and the reduced latitude–longitude mesh performs well only when the flow is aligned with the mesh. The inclusion of a refined mesh over a disc-shaped region is achieved using either gradual Delaunay, gradual Voronoi, or abrupt 2:1 block-structured refinement. These refined regions can actually degrade global accuracy, presumably because of changes in wave dispersion where the mesh is highly nonuniform. However, using gradual refinement to resolve a mountain in an otherwise coarse mesh can improve accuracy for the same cost. The model prognostic variables are height and momentum collocated at cell centers, and (to remove grid-scale oscillations of the A grid) the mass flux between cells is advanced from the old momentum using the momentum equation. Quadratic and upwind biased cubic differencing methods are used as explicit corrections to a fast implicit solution that uses linear differencing.

Predicting mesh density for adaptive modelling of the global atmosphere

The shallow water equations are solved using a mesh of polygons on the sphere, which adapts infrequently to the predicted future solution. Infrequent mesh adaptation reduces the cost of adaptation and load-balancing and will thus allow for more accurate mapping on adaptation. We simulate the growth of a barotropically unstable jet adapting the mesh every 12 h. Using an adaptation criterion based largely on the gradient of the vorticity leads to a mesh with around 20 per cent of the cells of a uniform mesh that gives equivalent results. This is a similar proportion to previous studies of the same test case with mesh adaptation every 1–20 min. The prediction of the mesh density involves solving the shallow water equations on a coarse mesh in advance of the locally refined mesh in order to estimate where features requiring higher resolution will grow, decay or move to. The adaptation criterion consists of two parts: that resolved on the coarse mesh, and that which is not resolved and so is passively advected on the coarse mesh. This combination leads to a balance between resolving features controlled by the large-scale dynamics and maintaining fine-scale features.

Adjoint goal-based error norms for adaptive mesh ocean modelling

Flow in the world's oceans occurs at a wide range of spatial scales, from a fraction of a metre up to many thousands of kilometers. In particular, regions of intense flow are often highly localised, for example, western boundary currents, equatorial jets, overflows and convective plumes. Conventional numerical ocean models generally use static meshes. The use of dynamically-adaptive meshes has many potential advantages but needs to be guided by an error measure reflecting the underlying physics. A method of defining an error measure to guide an adaptive meshing algorithm for unstructured tetrahedral finite elements, utilizing an adjoint or goal-based method, is described here. This method is based upon a functional, encompassing important features of the flow structure. The sensitivity of this functional, with respect to the solution variables, is used as the basis from which an error measure is derived. This error measure acts to predict those areas of the domain where resolution should be changed. A barotropic wind driven gyre problem is used to demonstrate the capabilities of the method. The overall objective of this work is to develop robust error measures for use in an oceanographic context which will ensure areas of fine mesh resolution are used only where and when they are required. (c) 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved.