Analysis of Chromatic Aberration Effects in Triple-Junction Solar Cells Using Advanced Distributed Models

The consideration of real operating conditions for the design and optimization of a multijunction solar cell receiver-concentrator assembly is indispensable. Such a requirement involves the need for suitable modeling and simulation tools in order to complement the experimental work and circumvent its well-known burdens and restrictions. Three-dimensional distributed models have been demonstrated in the past to be a powerful choice for the analysis of distributed phenomena in single- and dual-junction solar cells, as well as for the design of strategies to minimize the solar cell losses when operating under high concentrations. In this paper, we present the application of these models for the analysis of triple-junction solar cells under real operating conditions. The impact of different chromatic aberration profiles on the short-circuit current of triple-junction solar cells is analyzed in detail using the developed distributed model. Current spreading conditions the impact of a given chromatic aberration profile on the solar cell I-V curve. The focus is put on determining the role of current spreading in the connection between photocurrent profile, subcell voltage and current, and semiconductor layers sheet resistance.

Nanoinformatics: developing new computing applications for nanomedicine

Nanoinformatics has recently emerged to address the need of computing applications at the nano level. In this regard, the authors have participated in various initiatives to identify its concepts, foundations and challenges. While nanomaterials open up the possibility for developing new devices in many industrial and scientific areas, they also offer breakthrough perspectives for the prevention, diagnosis and treatment of diseases. In this paper, we analyze the different aspects of nanoinformatics and suggest five research topics to help catalyze new research and development in the area, particularly focused on nanomedicine. We also encompass the use of informatics to further the biological and clinical applications of basic research in nanoscience and nanotechnology, and the related concept of an extended ?nanotype? to coalesce information related to nanoparticles. We suggest how nanoinformatics could accelerate developments in nanomedicine, similarly to what happened with the Human Genome and other -omics projects, on issues like exchanging modeling and simulation methods and tools, linking toxicity information to clinical and personal databases or developing new approaches for scientific ontologies, among many others.

An optimized QoS scheme for IMS-NEMO in heterogeneous networks

The network mobility (NEMO) is proposed to support the mobility management when users move as a whole. In IP Multimedia Subsystem (IMS), the individual Quality of Service (QoS) control for NEMO results in excessive signaling cost. On the other hand, current QoS schemes have two drawbacks: unawareness of the heterogeneous wireless environment and inefficient utilization of the reserved bandwidth. To solve these problems, we present a novel heterogeneous bandwidth sharing (HBS) scheme for QoS provision under IMS-based NEMO (IMS-NEMO). The HBS scheme selects the most suitable access network for each session and enables the new coming non-real-time sessions to share bandwidth with the Variable Bit Rate (VBR) coded media flows. The modeling and simulation results demonstrate that the HBS can satisfy users' QoS requirement and obtain a more efficient use of the scarce wireless bandwidth.

Nanoinformatics: a new area of research in nanomedicine

Over a decade ago, nanotechnologists began research on applications of nanomaterials for medicine. This research has revealed a wide range of different challenges, as well as many opportunities. Some of these challenges are strongly related to informatics issues, dealing, for instance, with the management and integration of heterogeneous information, defining nomenclatures, taxonomies and classifications for various types of nanomaterials, and research on new modeling and simulation techniques for nanoparticles. Nanoinformatics has recently emerged in the USA and Europe to address these issues. In this paper, we present a review of nanoinformatics, describing its origins, the problems it addresses, areas of interest, and examples of current research initiatives and informatics resources. We suggest that nanoinformatics could accelerate research and development in nanomedicine, as has occurred in the past in other fields. For instance, biomedical informatics served as a fundamental catalyst for the Human Genome Project, and other genomic and ?omics projects, as well as the translational efforts that link resulting molecular-level research to clinical problems and findings.

Nanoinformatics knowledge infrastructures: bringing efficient information management to nanomedical research

Nanotechnology represents an area of particular promise and significant opportunity across multiple scientific disciplines. Ongoing nanotechnology research ranges from the characterization of nanoparticles and nanomaterials to the analysis and processing of experimental data seeking correlations between nanoparticles and their functionalities and side effects. Due to their special properties, nanoparticles are suitable for cellular-level diagnostics and therapy, offering numerous applications in medicine, e.g. development of biomedical devices, tissue repair, drug delivery systems and biosensors. In nanomedicine, recent studies are producing large amounts of structural and property data, highlighting the role for computational approaches in information management. While in vitro and in vivo assays are expensive, the cost of computing is falling. Furthermore, improvements in the accuracy of computational methods (e.g. data mining, knowledge discovery, modeling and simulation) have enabled effective tools to automate the extraction, management and storage of these vast data volumes. Since this information is widely distributed, one major issue is how to locate and access data where it resides (which also poses data-sharing limitations). The novel discipline of nanoinformatics addresses the information challenges related to nanotechnology research. In this paper, we summarize the needs and challenges in the field and present an overview of extant initiatives and efforts.

The Boundary Element Method in elastodynamics

As is well known B.E.M. is obtained as a mixture of the integral representation formula of classical elasticity and the discretization philosophy of the finite element method (F.E.M.). The paper presents the application of B.E.M. to elastodynamic problems. Both the transient and steady state solutions are presented as well as some techniques to simplify problems with a free-stress boundary.

Simulação e modelagem computacional de dados de espalhamento à baixos ângulos - enfoque em estruturas de alta simetria

Esta tese apresenta uma abordagem para a criação rápida de modelos em diferentes geometrias (complexas ou de alta simetria) com objetivo de calcular a correspondente intensidade espalhada, podendo esta ser utilizada na descrição de experimentos de es- palhamento à baixos ângulos. A modelagem pode ser realizada com mais de 100 geome- trias catalogadas em um Banco de Dados, além da possibilidade de construir estruturas a partir de posições aleatórias distribuídas na superfície de uma esfera. Em todos os casos os modelos são gerados por meio do método de elementos finitos compondo uma única geometria, ou ainda, compondo diferentes geometrias, combinadas entre si a partir de um número baixo de parâmetros. Para realizar essa tarefa foi desenvolvido um programa em Fortran, chamado de Polygen, que permite modelar geometrias convexas em diferentes formas, como sólidos, cascas, ou ainda com esferas ou estruturas do tipo DNA nas arestas, além de usar esses modelos para simular a curva de intensidade espalhada para sistemas orientados e aleatoriamente orientados. A curva de intensidade de espalhamento é calculada por meio da equação de Debye e os parâmetros que compõe cada um dos modelos, podem ser otimizados pelo ajuste contra dados experimentais, por meio de métodos de minimização baseados em simulated annealing, Levenberg-Marquardt e algorítmicos genéticos. A minimização permite ajustar os parâmetros do modelo (ou composição de modelos) como tamanho, densidade eletrônica, raio das subunidades, entre outros, contribuindo para fornecer uma nova ferramenta para modelagem e análise de dados de espalhamento. Em outra etapa desta tese, é apresentado o design de modelos atomísticos e a sua respectiva simulação por Dinâmica Molecular. A geometria de dois sistemas auto-organizado de DNA na forma de octaedro truncado, um com linkers de 7 Adeninas e outro com linkers de ATATATA, foram escolhidas para realizar a modelagem atomística e a simulação por Dinâmica Molecular. Para este sistema são apresentados os resultados de Root Mean Square Deviations (RMSD), Root Mean Square Fluctuations (RMSF), raio de giro, torção das hélices duplas de DNA além da avaliação das ligações de Hidrogênio, todos obtidos por meio da análise de uma trajetória de 50 ns.

Modelagem do absorvedor e do gerador de ciclos de refrigeração por absorção de calor com o par amônia/água baseados na tecnologia de filme descendente sobre placas inclinadas.

Esse trabalho constitui o desenvolvimento da modelagem térmica e simulação por métodos numéricos de dois componentes fundamentais do ciclo de refrigeração por absorção de calor com o par amônia/água: o absorvedor e o gerador. A função do absorvedor é produzir mistura líquida com alta fração mássica de amônia a partir de mistura líquida com baixa fração mássica de amônia e mistura vapor mediante retirada de calor. A função do gerador é produzir mistura líquido/vapor a partir de mistura líquida mediante o fornecimento de calor. É proposto o uso da tecnologia de filmes descendentes sobre placas inclinadas e o método de diferenças finitas para dividir o comprimento da placa em volumes de controle discretos e realizar os balanços de massa, espécie de amônia e energia juntamente com as equações de transferência de calor e massa para o filme descendente. O objetivo desse trabalho é obter um modelo matemático simplificado para ser utilizado em controle e otimização. Esse modelo foi utilizado para calcular as trocas de calor e massa no absorvedor e gerador para diversas condições a partir de dados operacionais, tais como: dimensões desses componentes, ângulo de inclinação da placa, temperatura de superfície e condições de entrada da fase líquida e vapor. Esses resultados foram utilizados para estabelecer relações de causa e efeito entre as variáveis e parâmetros do problema. Os resultados mostraram que o ângulo de inclinação da placa ótimo tanto para o absorvedor como para o gerador é a posição vertical, ou 90°. A posição vertical proporciona o menor comprimento de equilíbrio (0,85 m para o absorvedor e 1,27 m para o gerador com as condições testadas) e se mostrou estável, pois até 75° não foram verificadas variações no funcionamento do absorvedor e gerador. Dentre as condições testadas para uma placa de 0,5 m verificou-se que as maiores efetividades térmicas no absorvedor e gerador foram respectivamente 0,9 e 0,7 e as maiores efetividades mássicas no absorvedor e gerador foram respectivamente 0,6 e 0,5. É esperado que os dados obtidos sejam utilizados em trabalhos futuros para a construção de um protótipo laboratorial e na validação do modelo.

Modelagem e simulação de reator de cultivo de microalgas tipo \"open pond\".

Mudança climática é um processo global, real e inequívoco. Para sua mitigação, a substituição de combustíveis fósseis por energias renováveis está sendo cada vez mais empregada. Devido à rápida velocidade de crescimento das microalgas, seu cultivo é visto como uma das alternativas mais promissoras para a produção de biocombustíveis. No presente trabalho, foi elaborado um modelo matemático fenomenológico que descreve o crescimento da microalga Chlorella vulgaris. Este modelo foi validado através de experimentos realizados em um reator piloto com capacidade de 1000 L tipo \"open pond\" (reator de raias) aberto ao ambiente, em condições não-axênicas. A variação de concentração devida à evaporação e/ou adição de água foi levada em conta no modelo. O modelo matemático desenvolvido, contendo dois parâmetros ajustáveis, descreve a variação da concentração de biomassa em função do tempo sob condições variáveis de luminosidade e temperatura. Os parâmetros ajustáveis são q (constante para conversão de intensidade luminosa em crescimento fotossintético, em klux-1 min-1) e Imax (limite máximo de intensidade luminosa, em klux). Previamente ao projeto do reator, foram realizados experimentos em reator de laboratório (utilizando a metodologia Taguchi) com o objetivo de determinar quais os fatores mais críticos para o crescimento da espécie de microalga selecionada e que, por isso, deveriam ser controlados com maior precisão. Além disso, foi analisada teoricamente a relevância da consideração do transporte de massa de CO2 no processo. Como este transporte é muito mais lento, a resistência controladora do processo é o crescimento fotossintético. Após a construção do reator piloto, foram realizados dois experimentos preliminares (os quais serviram para aperfeiçoar o aparato e o procedimento experimental) e três experimentos definitivos, registrando-se dados ambientais (temperatura, intensidade luminosa e pH) e de concentração ao longo do tempo. Utilizando os dados de temperatura e luminosidade em função do tempo como entrada, os parâmetros q e Imax otimizados foram ajustados às curvas de concentração versus tempo de cada experimento. Para tal foram desenvolvidos programas de integração de equações diferenciais e de otimização escritos em ambiente Scilab®. Verificou-se que, apesar da variabilidade devida às condições ambientais dos experimentos, obteve-se boa aderência dos dados simulados aos experimentais. Uma análise estatística dos parâmetros q e Imax calculados em cada experimento forneceu coeficientes de variação para estes parâmetros de 17 % e 5 %, respectivamente. Concluiu-se, portanto, que o modelo matemático desenvolvido neste trabalho pode ser empregado para prever o desempenho de um reator de raias em condições ambientais variáveis, bastando para isto o ajuste de dois parâmetros.

Estudo de sistema de absorção de 1,3-butadieno em NMP.

O propósito deste trabalho foi o desenvolvimento de um procedimento simulador de processo reproduzindo a etapa de destilação extrativa de uma unidade de extração de butadieno a partir de uma corrente de hidrocarbonetos na faixa de quatro átomos de carbono, através da adição do solvente n-metil-2- pirrolidona (NMP). Os resultados obtidos foram comparados e validados com dados de processo obtidos por uma unidade industrial de extração de butadieno. O aprofundamento nos conceitos do processo de separação através de uma ferramenta em simulador de processo capaz de predizer condições de operação permitiu avaliações de aumento de capacidade. A capacidade dos elementos internos dos equipamentos envolvidos na separação pode ser avaliada e a identificação do ponto inicial de engargalamento da unidade foi possível. O procedimento proposto também permite reduzir incertezas para identificação de novos pontos de engargalamento a partir de uma nova configuração dos elementos internos identificados como ineficientes com a elevação de carga processada.

Análise numérico-experimental de blindagens balísticas

O desenvolvimento técnico e científico em torno das blindagens tem procurado contrariar o constante aperfeiçoamento dos projéteis e do seu poder de penetração. Para cumprir este objetivo, é necessário recorrer a soluções inovadoras tanto em termos dos materiais utilizados no fabrico, como ao nível do formato da própria blindagem. Com este trabalho pretende-se dar os primeiros passos na produção e teste de materiais em situação de tiro real, bem como na modelação e simulação dos mesmos com o objetivo de adquirir capacidades, técnicas e procedimentos para trabalhos futuros. O trabalho teve início com a realização da pesquisa bibliográfica sobre vários aspetos desde o fabrico até à avaliação do desempenho de blindagens balísticas. O trabalho teórico desta tese incidiu na modelação por elementos finitos dos elementos balísticos (proteções e projétil) tendo como objetivo a simulação numérica da sua interação em condições de impacto. O trabalho experimental foi realizado no campo de tiro da Escola das Armas onde foram testados os alvos com os materiais compósitos produzidos e com placas de alumínio, com diferentes combinações. A análise de resultados permitiu comparar e avaliar as diferenças entre as estimativas teóricas e as suas limitações com as observações experimentais do tiro real.

Physiologically based synthetic models of hepatic disposition

Current Physiologically based pharmacokinetic (PBPK) models are inductive. We present an additional, different approach that is based on the synthetic rather than the inductive approach to modeling and simulation. It relies on object-oriented programming A model of the referent system in its experimental context is synthesized by assembling objects that represent components such as molecules, cells, aspects of tissue architecture, catheters, etc. The single pass perfused rat liver has been well described in evaluating hepatic drug pharmacokinetics (PK) and is the system on which we focus. In silico experiments begin with administration of objects representing actual compounds. Data are collected in a manner analogous to that in the referent PK experiments. The synthetic modeling method allows for recognition and representation of discrete event and discrete time processes, as well as heterogeneity in organization, function, and spatial effects. An application is developed for sucrose and antipyrine, administered separately and together PBPK modeling has made extensive progress in characterizing abstracted PK properties but this has also been its limitation. Now, other important questions and possible extensions emerge. How are these PK properties and the observed behaviors generated? The inherent heuristic limitations of traditional models have hindered getting meaningful, detailed answers to such questions. Synthetic models of the type described here are specifically intended to help answer such questions. Analogous to wet-lab experimental models, they retain their applicability even when broken apart into sub-components. Having and applying this new class of models along with traditional PK modeling methods is expected to increase the productivity of pharmaceutical research at all levels that make use of modeling and simulation.

An Autonomic Framework for Mobile Cloud Computing

This thesis presents the formal definition of a novel Mobile Cloud Computing (MCC) extension of the Networked Autonomic Machine (NAM) framework, a general-purpose conceptual tool which describes large-scale distributed autonomic systems. The introduction of autonomic policies in the MCC paradigm has proved to be an effective technique to increase the robustness and flexibility of MCC systems. In particular, autonomic policies based on continuous resource and connectivity monitoring help automate context-aware decisions for computation offloading. We have also provided NAM with a formalization in terms of a transformational operational semantics in order to fill the gap between its existing Java implementation NAM4J and its conceptual definition. Moreover, we have extended NAM4J by adding several components with the purpose of managing large scale autonomic distributed environments. In particular, the middleware allows for the implementation of peer-to-peer (P2P) networks of NAM nodes. Moreover, NAM mobility actions have been implemented to enable the migration of code, execution state and data. Within NAM4J, we have designed and developed a component, denoted as context bus, which is particularly useful in collaborative applications in that, if replicated on each peer, it instantiates a virtual shared channel allowing nodes to notify and get notified about context events. Regarding the autonomic policies management, we have provided NAM4J with a rule engine, whose purpose is to allow a system to autonomously determine when offloading is convenient. We have also provided NAM4J with trust and reputation management mechanisms to make the middleware suitable for applications in which such aspects are of great interest. To this purpose, we have designed and implemented a distributed framework, denoted as DARTSense, where no central server is required, as reputation values are stored and updated by participants in a subjective fashion. We have also investigated the literature regarding MCC systems. The analysis pointed out that all MCC models focus on mobile devices, and consider the Cloud as a system with unlimited resources. To contribute in filling this gap, we defined a modeling and simulation framework for the design and analysis of MCC systems, encompassing both their sides. We have also implemented a modular and reusable simulator of the model. We have applied the NAM principles to two different application scenarios. First, we have defined a hybrid P2P/cloud approach where components and protocols are autonomically configured according to specific target goals, such as cost-effectiveness, reliability and availability. Merging P2P and cloud paradigms brings together the advantages of both: high availability, provided by the Cloud presence, and low cost, by exploiting inexpensive peers resources. As an example, we have shown how the proposed approach can be used to design NAM-based collaborative storage systems based on an autonomic policy to decide how to distribute data chunks among peers and Cloud, according to cost minimization and data availability goals. As a second application, we have defined an autonomic architecture for decentralized urban participatory sensing (UPS) which bridges sensor networks and mobile systems to improve effectiveness and efficiency. The developed application allows users to retrieve and publish different types of sensed information by using the features provided by NAM4J's context bus. Trust and reputation is managed through the application of DARTSense mechanisms. Also, the application includes an autonomic policy that detects areas characterized by few contributors, and tries to recruit new providers by migrating code necessary to sensing, through NAM mobility actions.

Optimizing rate algorithms in wireless networks

Since wireless network optimisations can be typically designed and evaluated independently of one another under the assumption that they can be applied jointly or independently. In this paper, we have analysis some rate algorithms in wireless networks. Since wireless networks have different standards in IEEE with peculiar features, data rate is one of those important parameters that wireless networks depend on for performances. The optimisation of this network is dependent on the behaviour of a particular rate algorithm in a network scenario. We have considered some first and second generation's rate algorithm, and it is all about selecting an appropriate data rate that any available wireless network can utilise for transmission in order to achieve a good performance. We have designed and analysis a wireless network and results obtained for some rate algorithms, like ONOE and AARF.

Pattern competition in volumetricaly heated fluids

Finite element simulations have been performed along side Galerkin-type calculations that examined the development of volumetrically heated flow patterns in a horizontal layer controlled by the Prandtl number, Pr, and the Grashof number, Gr. The fluid was bounded by an isothermal plane above an adiabatic plane. In the simulations performed here, a number of convective polygonal planforms occurred, as Gr increased above the critical Grashof number, Grc at Pr = 7, while roll structures were observed for Pr < 1 at 2Grc.