Energy harvesting through arterial wall deformation: A FEM approach to fluid–structure interactions and magneto-hydrodynamics

Engineers are confronted with the energy demand of active medical implants in patients with increasing life expectancy. Scavenging energy from the patient’s body is envisioned as an alternative to conventional power sources. Joining in this effort towards human-powered implants, we propose an innovative concept that combines the deformation of an artery resulting from the arterial pressure pulse with a transduction mechanism based on magneto-hydrodynamics. To overcome certain limitations of a preliminary analytical study on this topic, we demonstrate here a more accurate model of our generator by implementing a three-dimensional multiphysics finite element method (FEM) simulation combining solid mechanics, fluid mechanics, electric and magnetic fields as well as the corresponding couplings. This simulation is used to optimize the generator with respect to several design parameters. A first validation is obtained by comparing the results of the FEM simulation with those of the analytical approach adopted in our previous study. With an expected overall conversion efficiency of 20% and an average output power of 30 μW, our generator outperforms previous devices based on arterial wall deformation by more than two orders of magnitude. Most importantly, our generator provides sufficient power to supply a cardiac pacemaker.

Schmiede ─ Heiligtum ─ Wassermühle. Cham-Hagendorn (Kanton Zug) in römischer Zeit. Ausgrabungen 1944/45 und 2003/04

1944/1945 wurde in Cham-Hagendorn eine Wassermühle ausgegraben, die dank ihrer aussergewöhnlich guten Holzerhaltung seit langem einen prominenten Platz in der Forschung einnimmt. 2003 und 2004 konnte die Kantonsarchäologie Zug den Platz erneut archäologisch untersuchen. Dabei wurden nicht nur weitere Reste der Wassermühle, sondern auch Spuren älterer und jüngerer Anlagen geborgen: eine ältere und eine jüngere Schmiedewerkstatt (Horizont 1a/Horizont 3) sowie ein zweiphasiges Heiligtum (Horizonte 1a/1b). All diese Anlagen lassen sich nun in das in den neuen Grabungen erkannte stratigraphische Gerüst einhängen (s. Beil. 2). Dank der Holzerhaltung können die meisten Phasen dendrochronologisch datiert werden (s. Abb. 4.1/1a): Horizont 1a mit Schlagdaten zwischen 162(?)/173 und 200 n. Chr., Horizont 1b um 215/218 n. Chr. und Horizont 2 um 231 n. Chr. Ferner konnten in den neuen Grabungen Proben für mikromorphologische und archäobotanische Untersuchungen entnommen werden (Kap. 2.2; 3.11). In der vorliegenden Publikation werden der Befund und die Baustrukturen vorgelegt, (Kap. 2), desgleichen sämtliche stratifizierten Funde und eine umfassende Auswahl der 1944/1945 geborgenen Funde (Kap. 3). Dank anpassender Fragmente, sog. Passscherben, lassen sich diese zum Teil nachträglich in die Schichtenabfolge einbinden. Die mikromorphologischen und die archäobotanischen Untersuchungen (Kap. 2.2; 3.11) zeigen, dass der Fundplatz in römischer Zeit inmitten einer stark vom Wald und dem Fluss Lorze geprägten Landschaft lag. In unmittelbarer Nähe können weder eine Siedlung noch einzelne Wohnbauten gelegen haben. Die demnach nur gewerblich und sakral genutzten Anlagen standen an einem Bach, der vermutlich mit jenem Bach identisch ist, der noch heute das Groppenmoos entwässert und bei Cham-Hagendorn in die Lorze mündet (s. Abb. 2.4/1). Der antike Bach führte wiederholt Hochwasser ─ insgesamt sind fünf grössere Überschwemmungsphasen auszumachen (Kap. 2.2; 2.4). Wohl anlässlich eines Seehochstandes durch ein Überschwappen der Lorze in den Bach ausgelöst, müssen diese Überschwemmungen eine enorme Gewalt entwickelt haben, der die einzelnen Anlagen zum Opfer fielen. Wie die Untersuchung der Siedlungslandschaft römischer Zeit rund um den Zugersee wahrscheinlich macht (Kap. 6 mit Abb. 6.2/2), dürften die Anlagen von Cham-Hagendorn zu einer in Cham-Heiligkreuz vermuteten Villa gehören, einem von fünf grösseren Landgütern in diesem Gebiet. Hinweise auf Vorgängeranlagen fehlen, mit denen die vereinzelten Funde des 1. Jh. n. Chr. (Kap. 4.5) in Verbindung gebracht werden könnten. Diese dürften eher von einer der Überschwemmungen bachaufwärts weggerissen und nach Cham-Hagendorn eingeschwemmt worden sein. Die Nutzung des Fundplatzes (Horizont 1a; s. Beil. 6) setzte um 170 n. Chr. mit einer Schmiedewerkstatt ein (Kap. 2.5.1). Der Fundanfall, insbesondere die Schmiedeschlacken (Kap. 3.9) belegen, dass hier nur hin und wieder Geräte hergestellt und repariert wurden (Kap. 5.2). Diese Werkstatt war vermutlich schon aufgelassen und dem Verfall preisgegeben, als man 200 n. Chr. (Kap. 4.2.4) auf einer Insel zwischen dem Bach und einem Lorzearm ein Heiligtum errichtete (Kap. 5.3). Beleg für den sakralen Status dieser Insel ist in erster Linie mindestens ein eigens gepflanzter Pfirsichbaum, nachgewiesen mit Pollen, einem Holz und über 400 Pfirsichsteinen (Kap. 3.11). Die im Bach verlaufende Grenze zwischen dem sakralen Platz und der profanen Umgebung markierte man zusätzlich mit einer Pfahlreihe (Kap. 2.5.3). In diese war ein schmaler Langbau integriert (Kap. 2.5.2), der an die oft an Temenosmauern antiker Heiligtümer angebauten Portiken erinnert und wohl auch die gleiche Funktion wie diese gehabt hatte, nämlich das Aufbewahren von Weihegaben und Kultgerät (Kap. 5.3). Das reiche Fundmaterial, das sich in den Schichten der ersten Überschwemmung fand (s. Abb. 5./5), die um 205/210 n. Chr. dieses Heiligtum zerstört hatte, insbesondere die zahlreiche Keramik (Kap. 3.2.4), und die zum Teil auffallend wertvollen Kleinfunde (Kap. 3.3.3), dürften zum grössten Teil einst in diesem Langbau untergebracht gewesen sein. Ein als Glockenklöppel interpretiertes, stratifiziertes Objekt spricht dafür, dass die fünf grossen, 1944/1945 als Stapel aufgefundenen Eisenglocken vielleicht auch dem Heiligtum zuzuweisen sind (Kap. 3.4). In diesen Kontext passen zudem die überdurchschnittlich häufig kalzinierten Tierknochen (Kap. 3.10). Nach der Überschwemmung befestigte man für 215 n. Chr. (Kap. 4.2.4) das unterspülte Bachufer mit einer Uferverbauung (Kap. 2.6.1). Mit dem Bau eines weiteren, im Bach stehenden Langbaus (Kap. 2.6.2) stellte man 218 n. Chr. das Heiligtum auf der Insel in ähnlicher Form wieder her (Horizont 1b; s. Beil. 7). Von der Pfahlreihe, die wiederum die sakrale Insel von der profanen Umgebung abgrenzte, blieben indes nur wenige Pfähle erhalten. Dennoch ist der sakrale Charakter der Anlage gesichert. Ausser dem immer noch blühenden Pfirsichbaum ist es ein vor dem Langbau aufgestelltes Ensemble von mindestens 23 Terrakottafigurinen (s. Abb. 3.6/1), elf Veneres, zehn Matres, einem Jugendlichen in Kapuzenmantel und einem kindlichen Risus (Kap. 3.6; s. auch Kap. 2.6.3). In den Sedimenten der zweiten Überschwemmung, der diese Anlage um 225/230 n. Chr. zum Opfer gefallen war, fanden sich wiederum zahlreiche Keramikgefässe (Kap. 3.2.4) und zum Teil wertvolle Kleinfunde wie eine Glasperle mit Goldfolie (Kap. 3.8.2) und eine Fibel aus Silber (Kap. 3.3.3), die wohl ursprünglich im Langbau untergebracht waren (Kap. 5.3.2 mit Abb. 5/7). Weitere Funde mit sicherem oder möglichem sakralem Charakter finden sich unter den 1944/1945 geborgenen Funden (s. Abb. 5/8), etwa ein silberner Fingerring mit Merkurinschrift, ein silberner Lunula-Anhänger, eine silberne Kasserolle (Kap. 3.3.3), eine Glasflasche mit Schlangenfadenauflage (Kap. 3.8.2) und einige Bergkristalle (Kap. 3.8.4). Im Bereich der Terrakotten kamen ferner mehrere Münzen (Kap. 3.7) zum Vorschein, die vielleicht dort niedergelegt worden waren. Nach der zweiten Überschwemmung errichtete man um 231 n. Chr. am Bach eine Wassermühle (Horizont 2; Kap. 2.7; Beil. 8; Abb. 2.7/49). Ob das Heiligtum auf der Insel wieder aufgebaut oder aufgelassen wurde, muss mangels Hinweisen offen bleiben. Für den abgehobenen Zuflusskanal der Wassermühle verwendete man mehrere stehen gebliebene Pfähle der vorangegangenen Anlagen der Horizonte 1a und 1b. Obwohl die Wassermühle den 28 jährlichen Überschwemmungshorizonten (Kap. 2.2) und den Funden (Kap. 4.3.2; 4.4.4; 45) zufolge nur bis um 260 n. Chr., während gut einer Generation, bestand, musste sie mindestens zweimal erneuert werden – nachgewiesen sind drei Wasserräder, drei Mühlsteinpaare und vermutlich drei Podeste, auf denen jeweils das Mahlwerk ruhte. Grund für diese Umbauten war wohl der weiche, instabile Untergrund, der zu Verschiebungen geführt hatte, so dass das Zusammenspiel von Wellbaum bzw. Sternnabe und Übersetzungsrad nicht mehr funktionierte und das ganze System zerbrach. Die Analyse von Pollen aus dem Gehhorizont hat als Mahlgut Getreide vom Weizentyp nachgewiesen (Kap. 3.11.4). Das Abzeichen eines Benefiziariers (Kap. 3.3.2 mit Abb. 3.3/23,B71) könnte dafür sprechen, dass das verarbeitete Getreide zumindest zum Teil für das römische Militär bestimmt war (s. auch Kap. 6.2.3). Ein im Horizont 2 gefundener Schreibgriffel und weitere stili sowie eine Waage für das Wägen bis zu 35-40 kg schweren Waren aus dem Fundbestand von 1944/1945 könnten davon zeugen, dass das Getreide zu wägen und zu registrieren war (Kap. 3.4.2). Kurz nach 260 n. Chr. fiel die Wassermühle einem weiteren Hochwasser zum Opfer. Für den folgenden Horizont 3 (Beil. 9) brachte man einen Kiesboden ein und errichtete ein kleines Gebäude (Kap. 2.8). Hier war wohl wiederum eine Schmiede untergebracht, wie die zahlreichen Kalottenschlacken belegen (Kap. 3.9), die im Umfeld der kleinen Baus zum Vorschein kamen. Aufgrund der Funde (Kap. 4.4.4; 4.5) kann diese Werkstatt nur kurze Zeit bestanden haben, höchstens bis um 270 n. Chr., bevor sie einem weiteren Hochwasser zum Opfer fiel. Von der jüngsten Anlage, die wohl noch in römische Zeit datiert (Horizont 4; Beil. 10), war lediglich eine Konstruktion aus grossen Steinplatten zu fassen (Kap. 2.9.1). Wozu sie diente, muss offen bleiben. Auch der geringe Fundanfall spricht dafür, dass die Nutzung des Platzes, zumindest für die römische Zeit, allmählich ein Ende fand (Kap. 4.5). Zu den jüngsten Strukturen gehören mehrere Gruben (Kap. 2.9.2), die vielleicht der Lehmentnahme dienten. Mangels Funden bleibt ihre Datierung indes ungewiss. Insbesondere wissen wir nicht, ob sie noch in römische Zeit datieren oder jünger sind. Spätestens mit der fünften Überschwemmung, die zur endgültigen Verlandung führte und wohl schon in die frühe Neuzeit zu setzen ist, wurde der Platz aufgelassen und erst mit dem Bau der bestehenden Fensterfabrik Baumgartner wieder besetzt.

Elementi grammaticali del Chaldeo Biblioco e del dialetto Talmudico Babilonese

Samuel David Luzzatto

The hp-adaptive FEM based on continuous Sobolev embeddings: isotropic refinements

The aim of this paper is to present a new class of smoothness testing strategies in the context of hp-adaptive refinements based on continuous Sobolev embeddings. In addition to deriving a modified form of the 1d smoothness indicators introduced in [26], they will be extended and applied to a higher dimensional framework. A few numerical experiments in the context of the hp-adaptive FEM for a linear elliptic PDE will be performed.

FEM/FD Immersed Boundary FSI Simulations

Immersed boundary simulations have been under development for physiological flows, allowing for elegant handling of fluid-structure interaction modelling with large deformations due to retained domain-specific meshing. We couple a structural system in Lagrangian representation that is formulated in a weak form with a Navier-Stokes system discretized through a finite differences scheme. We build upon a proven highly scalable imcompressible flow solver that we extend to handle FSI. We aim at applying our method to investigating the hemodynamics of Aortic Valves. The code is going to be extended to conform to the new hybrid-node supercomputers.

XMapTools: a MATLAB©-based program for electron microprobe X-ray image processing and geothermobarometry

XMapTools is a MATLAB©-based graphical user interface program for electron microprobe X-ray image processing, which can be used to estimate the pressure–temperature conditions of crystallization of minerals in metamorphic rocks. This program (available online at http://www.xmaptools.com) provides a method to standardize raw electron microprobe data and includes functions to calculate the oxide weight percent compositions for various minerals. A set of external functions is provided to calculate structural formulae from the standardized analyses as well as to estimate pressure–temperature conditions of crystallization, using empirical and semi-empirical thermobarometers from the literature. Two graphical user interface modules, Chem2D and Triplot3D, are used to plot mineral compositions into binary and ternary diagrams. As an example, the software is used to study a high-pressure Himalayan eclogite sample from the Stak massif in Pakistan. The high-pressure paragenesis consisting of omphacite and garnet has been retrogressed to a symplectitic assemblage of amphibole, plagioclase and clinopyroxene. Mineral compositions corresponding to ~165,000 analyses yield estimates for the eclogitic pressure–temperature retrograde path from 25 kbar to 9 kbar. Corresponding pressure–temperature maps were plotted and used to interpret the link between the equilibrium conditions of crystallization and the symplectitic microstructures. This example illustrates the usefulness of XMapTools for studying variations of the chemical composition of minerals and for retrieving information on metamorphic conditions on a microscale, towards computation of continuous pressure–temperature-and relative time path in zoned metamorphic minerals not affected by post-crystallization diffusion.

Code and readme of a MATLAB-based graphical user interface program for computing functionals of the geopotential

We present a novel graphical user interface program GrafLab (GRAvity Field LABoratory) for spherical harmonic synthesis (SHS) created in MATLAB®. This program allows to comfortably compute 38 various functionals of the geopotential up to ultra-high degrees and orders of spherical harmonic expansion. For the most difficult part of the SHS, namely the evaluation of the fully normalized associated Legendre functions (fnALFs), we used three different approaches according to required maximum degree: (i) the standard forward column method (up to maximum degree 1800, in some cases up to degree 2190); (ii) the modified forward column method combined with Horner's scheme (up to maximum degree 2700); (iii) the extended-range arithmetic (up to an arbitrary maximum degree). For the maximum degree 2190, the SHS with fnALFs evaluated using the extended-range arithmetic approach takes only approximately 2-3 times longer than its standard arithmetic counterpart, i.e. the standard forward column method. In the GrafLab, the functionals of the geopotential can be evaluated on a regular grid or point-wise, while the input coordinates can either be read from a data file or entered manually. For the computation on a regular grid we decided to apply the lumped coefficients approach due to significant time-efficiency of this method. Furthermore, if a full variance-covariance matrix of spherical harmonic coefficients is available, it is possible to compute the commission errors of the functionals. When computing on a regular grid, the output functionals or their commission errors may be depicted on a map using automatically selected cartographic projection.

Modelling calving front dynamics using a level-set method: application to Jakobshavn Isbræ, West Greenland, links model results in MATLAB format

Calving is a major mechanism of ice discharge of the Antarctic and Greenland ice sheets, and a change in calving front position affects the entire stress regime of marine terminating glaciers. The representation of calving front dynamics in a 2-D or 3-D ice sheet model remains non-trivial. Here, we present the theoretical and technical framework for a level-set method, an implicit boundary tracking scheme, which we implement into the Ice Sheet System Model (ISSM). This scheme allows us to study the dynamic response of a drainage basin to user-defined calving rates. We apply the method to Jakobshavn Isbræ, a major marine terminating outlet glacier of the West Greenland Ice Sheet. The model robustly reproduces the high sensitivity of the glacier to calving, and we find that enhanced calving triggers significant acceleration of the ice stream. Upstream acceleration is sustained through a combination of mechanisms. However, both lateral stress and ice influx stabilize the ice stream. This study provides new insights into the ongoing changes occurring at Jakobshavn Isbræ and emphasizes that the incorporation of moving boundaries and dynamic lateral effects, not captured in flow-line models, is key for realistic model projections of sea level rise on centennial timescales.

Set of Matlab function to study geometrical parameters or channels

This set of functions allows one to compute the radius of curvature of a river in planform for the purpose of making correlations with other geometric parameters of a channel. The code may also be used to compute the width of a channel.