Multi-physics modeling of aluminium reduction cells

Aluminium cells involve a range of complex physical processes which act simultaneously to provide a narrow satisfactory operating range. These processes involve electromagnetic fields, coupled with heat transfer and phase change, two phase fluid flow with a range of complexities plus the development of stress in the cell structure. All of these phenomena are coupled in some significant sense and so to provide a comprehensive model of these processes involves their representation simultaneously. Conventionally, aspects of the process have been modeled separately using uncoupled estimates of the effects of the other phenomena; this has enabled the use of standard commercial CFD and FEA tools. In this paper we will describe an approach to the modeling of aluminium cells which describes all the physics simultaneously. This approach uses a finite volume approximation for each of the phenomena and facilitates their interactions directly in the modeling-the complex geometries involved are addressed by using unstructured meshes. The very challenging issues to be overcome in this venture will be outlined and some preliminary results will be shown.

Simulação de sistemas solares passivos usando materiais de mudança de fase (PCMs)

O gradual consumo de energia primária a nível mundial deu origem a uma crise não só ambiental como também económica, proveniente das limitações das reservas energéticas e do fornecimento. Estas inquietações têm levado a um estudo cada vez mais aprofundado no que concerne à eficiência energética de edifícios. É neste contexto que surge o estudo da aplicação dos materiais de mudança de fase (PCM) na térmica dos edifícios. O presente trabalho consiste no estudo da influência da introdução de materiais de mudança de fase no comportamento térmico de um edifício. Foi analisada uma simulação numérica para um sistema solar passivo de ganho direto, por um programa de simulação designado EXTEND™. Efetuou-se, também, o estudo paramétrico de determinadas propriedades associadas aos materiais de mudança de fase. Após a análise, foi testado o impacto, em termos de conforto, da utilização de materiais de mudança de fase em sistemas solares passivos de ganho direto.

A finite-volume shallow layer method for the MHD instabilities in an aluminium production cell

An electrolytic cell for Aluminium production contains molten metal and molten electrolyte, which are subject to high dc-currents and magnetic fields. Lorentz forces arising from the cross product of current and magnetic field may amplify natural gravity waves at the interface between the two fluids, leading to short circuits in extreme cases. The external magnetic field and current distribution in the production cell is computed through a detailed finite element analysis at Torino Polytechnic. The results are then used to compute the magnetohydrodynamic and thermal effects in the aluminium/electrolyte bath. Each cell has lateral dimensions of 6m x 2m, whilst the bath depth is only 30cm. the electrically resistive electrolyte path, which is critical in the operation of the cell, has layer depth of only a few centimetres below each carbon anode. Because the shallow dimensions of the liquid layer a finite-volume shallow-layer technique has been used at Greenwich to compute the resulting flow-field and interface perturbations. The information obtained from this method, i.e. depth averaged velocities and aluminium/electrolyte interface position is then embedded in the three-dimensional finite volume code PHYSICA and will be used to compute the heat transfer and phase change in the cell.

Multiphase modeling of melting / solidification with high density variations using XFEM

La modélisation de la cryolite, utilisée dans la fabrication de l’aluminium, implique plusieurs défis, notament la présence de discontinuités dans la solution et l’inclusion de la difference de densité entre les phases solide et liquide. Pour surmonter ces défis, plusieurs éléments novateurs ont été développés dans cette thèse. En premier lieu, le problème du changement de phase, communément appelé problème de Stefan, a été résolu en deux dimensions en utilisant la méthode des éléments finis étendue. Une formulation utilisant un multiplicateur de Lagrange stable spécialement développée et une interpolation enrichie a été utilisée pour imposer la température de fusion à l’interface. La vitesse de l’interface est déterminée par le saut dans le flux de chaleur à travers l’interface et a été calculée en utilisant la solution du multiplicateur de Lagrange. En second lieu, les effets convectifs ont été inclus par la résolution des équations de Stokes dans la phase liquide en utilisant la méthode des éléments finis étendue aussi. Troisièmement, le changement de densité entre les phases solide et liquide, généralement négligé dans la littérature, a été pris en compte par l’ajout d’une condition aux limites de vitesse non nulle à l’interface solide-liquide pour respecter la conservation de la masse dans le système. Des problèmes analytiques et numériques ont été résolus pour valider les divers composants du modèle et le système d’équations couplés. Les solutions aux problèmes numériques ont été comparées aux solutions obtenues avec l’algorithme de déplacement de maillage de Comsol. Ces comparaisons démontrent que le modèle par éléments finis étendue reproduit correctement le problème de changement phase avec densités variables.

Meta-cinematic cultism: between high and low culture

ABSTRACT - Meta-cinema can depict film viewers’ attitudes towards cinema and their type of devotion for films. One subcategory of viewers - which I call meta-spectators - is highly specialized in its type of consumption, bordering on obsession. I contend that there are two main varieties of meta-cinematic reception, not altogether incompatible with one another, despite their apparent differences. As both of them are depicted on meta-cinematic products, the films themselves are the best evidence of my typology. My categories of film viewers are the ‘cinephile’, an elite prone to artistic militancy and the adoration of filmic masters; and the ‘fan’, a low culture consumer keen on certain filmic universes and their respective figures and motifs. I will base my rationale on four films that portray such reception practices: Travelling Avant (Jean-Charles Tacchella, 1987, FRA), The Dreamers (Bernardo Bertolucci, 2003, UK/FRA/ITA); Free Enterprise (Robert Mayer Burnett, 1998, USA); Fanboys (2009, Kyle Newman, USA).

Thermodynamic modeling and microcalorimetry of nanostructured materials for capacitive thermal management of electronics

Transient power dissipation profiles in handheld electronic devices alternate between high and low power states depending on usage. Capacitive thermal management based on phase change materials potentially offers a fan-less thermal management for such transient profiles. However, such capacitive management becomes feasible only if there is a significant enhancement in the enthalpy change per unit volume of the phase change material since existing bulk materials such as paraffin fall short of requirements. In this thesis I propose novel nanostructured thin-film materials that can potentially exhibit significantly enhanced volumetric enthalpy change. Using fundamental thermodynamics of phase transition, calculations regarding the enhancement resulting from superheating in such thin film systems is conducted. Furthermore design of a microfabricated calorimeter to measure such enhancements is explained in detail. This work advances the state-of-art of phase change materials for capacitive cooling of handheld devices.

Óbidos, literary village: innovation in the creative industries?

The village of Óbidos was recognized in 2015 as a creative city in the area of literature, becoming a member of the UNESCO Creative Cities Network. The attribution of the title depends on the fulfillment of a number of criteria the regions have to integrate. In addition to Óbidos, UNESCO attributed the same title in the same year to other European cities, including Barcelona, Nottingham, Ljubljana, Tartu and Lviv. This article intends to co nduct a case study to the cultural and artistic offer, as well as the cultural and literary legacy that different cities provide to be able to inquire the innovation of the proposals. The study aims to assess how much Óbidos, compared to other cities with the same title, is creative. Knowing that the concept of creative city (Landry and Bianchini, 1995) results from the emergence of new technologies and a new type of economy based on creativity and innovation and that creativity implies removing economic or social value of the creative work or talent, the study aims to determine to what extent the processes generated gave rise to new ideas (creativity) and what processes led to its implementation (innovation). Being innovation in the creative industries asso ciated with product, process, positioning, paradigmatic and social innovation (Storsul and Krumsvik, 2013), it is concluded that, in Óbidos, the entrepreneurship initiatives are more focused on tourists who occasionally visit the village and the business o pportunities that are generated there. New innovative and creative spaces were created, promoting literature and adding value and quality to urban space. This urban intervention resulted in the attraction of individuals who streamlined new habits of being and acting in the village

Development of ultra-high-performance concrete (UHPC) using waste glass materials ─ towards innovative eco-friendly concrete

Le béton conventionnel (BC) a de nombreux problèmes tels que la corrosion de l’acier d'armature et les faibles résistances des constructions en béton. Par conséquent, la plupart des structures fabriquées avec du BC exigent une maintenance fréquent. Le béton fibré à ultra-hautes performances (BFUP) peut être conçu pour éliminer certaines des faiblesses caractéristiques du BC. Le BFUP est défini à travers le monde comme un béton ayant des propriétés mécaniques, de ductilité et de durabilité supérieures. Le BFUP classique comprend entre 800 kg/m³ et 1000 kg/m³ de ciment, de 25 à 35% massique (%m) de fumée de silice (FS), de 0 à 40%m de poudre de quartz (PQ) et 110-140%m de sable de quartz (SQ) (les pourcentages massiques sont basés sur la masse totale en ciment des mélanges). Le BFUP contient des fibres d'acier pour améliorer sa ductilité et sa résistance aux efforts de traction. Les quantités importantes de ciment utilisées pour produire un BFUP affectent non seulement les coûts de production et la consommation de ressources naturelles comme le calcaire, l'argile, le charbon et l'énergie électrique, mais affectent également négativement les dommages sur l'environnement en raison de la production substantielle de gaz à effet de serre dont le gas carbonique (CO[indice inférieur 2]). Par ailleurs, la distribution granulométrique du ciment présente des vides microscopiques qui peuvent être remplis avec des matières plus fines telles que la FS. Par contre, une grande quantité de FS est nécessaire pour combler ces vides uniquement avec de la FS (25 à 30%m du ciment) ce qui engendre des coûts élevés puisqu’il s’agit d’une ressource limitée. Aussi, la FS diminue de manière significative l’ouvrabilité des BFUP en raison de sa surface spécifique Blaine élevée. L’utilisation du PQ et du SQ est également coûteuse et consomme des ressources naturelles importantes. D’ailleurs, les PQ et SQ sont considérés comme des obstacles pour l’utilisation des BFUP à grande échelle dans le marché du béton, car ils ne parviennent pas à satisfaire les exigences environnementales. D’ailleurs, un rapport d'Environnement Canada stipule que le quartz provoque des dommages environnementaux immédiats et à long terme en raison de son effet biologique. Le BFUP est généralement vendu sur le marché comme un produit préemballé, ce qui limite les modifications de conception par l'utilisateur. Il est normalement transporté sur de longues distances, contrairement aux composantes des BC. Ceci contribue également à la génération de gaz à effet de serre et conduit à un coût plus élevé du produit final. Par conséquent, il existe le besoin de développer d’autres matériaux disponibles localement ayant des fonctions similaires pour remplacer partiellement ou totalement la fumée de silice, le sable de quartz ou la poudre de quartz, et donc de réduire la teneur en ciment dans BFUP, tout en ayant des propriétés comparables ou meilleures. De grandes quantités de déchets verre ne peuvent pas être recyclées en raison de leur fragilité, de leur couleur, ou des coûts élevés de recyclage. La plupart des déchets de verre vont dans les sites d'enfouissement, ce qui est indésirable puisqu’il s’agit d’un matériau non biodégradable et donc moins respectueux de l'environnement. Au cours des dernières années, des études ont été réalisées afin d’utiliser des déchets de verre comme ajout cimentaire alternatif (ACA) ou comme granulats ultrafins dans le béton, en fonction de la distribution granulométrique et de la composition chimique de ceux-ci. Cette thèse présente un nouveau type de béton écologique à base de déchets de verre à ultra-hautes performances (BEVUP) développé à l'Université de Sherbrooke. Les bétons ont été conçus à l’aide de déchets verre de particules de tailles variées et de l’optimisation granulaire de la des matrices granulaires et cimentaires. Les BEVUP peuvent être conçus avec une quantité réduite de ciment (400 à 800 kg/m³), de FS (50 à 220 kg/m³), de PQ (0 à 400 kg/m³), et de SQ (0-1200 kg/m³), tout en intégrant divers produits de déchets de verre: du sable de verre (SV) (0-1200 kg/m³) ayant un diamètre moyen (d[indice inférieur 50]) de 275 µm, une grande quantité de poudre de verre (PV) (200-700 kg/m³) ayant un d50 de 11 µm, une teneur modérée de poudre de verre fine (PVF) (50-200 kg/m³) avec d[indice inférieur] 50 de 3,8 µm. Le BEVUP contient également des fibres d'acier (pour augmenter la résistance à la traction et améliorer la ductilité), du superplastifiants (10-60 kg/m³) ainsi qu’un rapport eau-liant (E/L) aussi bas que celui de BFUP. Le remplacement du ciment et des particules de FS avec des particules de verre non-absorbantes et lisse améliore la rhéologie des BEVUP. De plus, l’utilisation de la PVF en remplacement de la FS réduit la surface spécifique totale nette d’un mélange de FS et de PVF. Puisque la surface spécifique nette des particules diminue, la quantité d’eau nécessaire pour lubrifier les surfaces des particules est moindre, ce qui permet d’obtenir un affaissement supérieur pour un même E/L. Aussi, l'utilisation de déchets de verre dans le béton abaisse la chaleur cumulative d'hydratation, ce qui contribue à minimiser le retrait de fissuration potentiel. En fonction de la composition des BEVUP et de la température de cure, ce type de béton peut atteindre des résistances à la compression allant de 130 à 230 MPa, des résistances à la flexion supérieures à 20 MPa, des résistances à la traction supérieure à 10 MPa et un module d'élasticité supérieur à 40 GPa. Les performances mécaniques de BEVUP sont améliorées grâce à la réactivité du verre amorphe, à l'optimisation granulométrique et la densification des mélanges. Les produits de déchets de verre dans les BEVUP ont un comportement pouzzolanique et réagissent avec la portlandite générée par l'hydratation du ciment. Cependant, ceci n’est pas le cas avec le sable de quartz ni la poudre de quartz dans le BFUP classique, qui réagissent à la température élevée de 400 °C. L'addition des déchets de verre améliore la densification de l'interface entre les particules. Les particules de déchets de verre ont une grande rigidité, ce qui augmente le module d'élasticité du béton. Le BEVUP a également une très bonne durabilité. Sa porosité capillaire est très faible, et le matériau est extrêmement résistant à la pénétration d’ions chlorure (≈ 8 coulombs). Sa résistance à l'abrasion (indice de pertes volumiques) est inférieure à 1,3. Le BEVUP ne subit pratiquement aucune détérioration aux cycles de gel-dégel, même après 1000 cycles. Après une évaluation des BEVUP en laboratoire, une mise à l'échelle a été réalisée avec un malaxeur de béton industriel et une validation en chantier avec de la construction de deux passerelles. Les propriétés mécaniques supérieures des BEVUP a permis de concevoir les passerelles avec des sections réduites d’environ de 60% par rapport aux sections faites de BC. Le BEVUP offre plusieurs avantages économiques et environnementaux. Il réduit le coût de production et l’empreinte carbone des structures construites de béton fibré à ultra-hautes performances (BFUP) classique, en utilisant des matériaux disponibles localement. Il réduit les émissions de CO[indice inférieur 2] associées à la production de clinkers de ciment (50% de remplacement du ciment) et utilise efficacement les ressources naturelles. De plus, la production de BEVUP permet de réduire les quantités de déchets de verre stockés ou mis en décharge qui causent des problèmes environnementaux et pourrait permettre de sauver des millions de dollars qui pourraient être dépensés dans le traitement de ces déchets. Enfin, il offre une solution alternative aux entreprises de construction dans la production de BFUP à moindre coût.

BEHAVIOR OF FIBER REINFORCED POLYMER COMPOSITE PILES WITH ELLIPTICAL CROSS SECTIONS IN INTEGRAL ABUTMENT BRIDGE FOUNDATIONS

Every year in the US and other cold-climate countries considerable amount of money is spent to restore structural damages in conventional bridges resulting from (or “caused by”) salt corrosion in bridge expansion joints. Frequent usage of deicing salt in conventional bridges with expansion joints results in corrosion and other damages to the expansion joints, steel girders, stiffeners, concrete rebar, and any structural steel members in the abutments. The best way to prevent these damages is to eliminate the expansion joints at the abutment and elsewhere and make the entire bridge abutment and deck a continuous monolithic structural system. This type of bridge is called Integral Abutment Bridge which is now widely used in the US and other cold-climate countries. In order to provide lateral flexibility, the entire abutment is constructed on piles. Piles used in integral abutments should have enough capacity in the perpendicular direction to support the vertical forces. In addition, piles should be able to withstand corrosive environments near the surface of the ground and maintain their performance during the lifespan of the bridge. Fiber Reinforced Polymer (FRP) piles are a new type of pile that can not only accommodate large displacements, but can also resist corrosion significantly better than traditional steel or concrete piles. The use of FRP piles extends the life of the pile which in turn extends the life of the bridge. This dissertation studies FRP piles with elliptical shapes. The elliptical shapes can simultaneously provide flexibility and stiffness in two perpendicular axes. The elliptical shapes can be made using the filament winding method which is a less expensive method of manufacturing compared to the pultrusion or other manufacturing methods. In this dissertation a new way is introduced to construct the desired elliptical shapes with the filament winding method. Pile specifications such as dimensions, number of layers, fiber orientation angles, material, and soil stiffness are defined as parameters and the effects of each parameter on the pile stresses and pile failure have been studied. The ANSYS software has been used to model the composite materials. More than 14,000 nonlinear finite element pile models have been created, each slightly different from the others. The outputs of analyses have been used to draw curves. Optimum values of the parameters have been defined using generated curves. The best approaches to find optimum shape, angle of fibers and types of composite material have been discussed.

Monivaihemuovauksen soveltaminen kuitumateriaalille

Tämän diplomityön tavoitteena on kehittää uudentyyppinen menetelmä erään kuitumateriaalin muovaukseen ja testata sen toimivuutta. Työ aloitetaan kirjallisuustutkimuksena koskien olemassa olevia kuitumateriaalin muovausmenetelmiä ja kuitumateriaalin materiaaliominaisuuksia. Kehitettävä menetelmä eroaa olemassa olevista kuitumateriaalin muovausmenetelmistä monivaiheisuudellaan. Menetelmässä monivaiheinen muovaus tapahtuu yhdellä iskulla, joka eroaa myös olemassa olevista metallin muovausmenetelmistä merkittävästi. Muovauksessa on tarkoitus hyödyntää kuitumateriaalin paikallista venymää. Kehitettävään muovausmenetelmään soveltuva työkalu ideoidaan ja suunnitellaan hyödyntäen nykyaikaisia CAD-ohjelmistoja. Suunniteltu työkalu myös valmistettiin ja sen todettiin toimivan suunnitellusti: muovaus on monivaiheista, eikä aihio pääse luistamaan pidättimien alla. Työkalulla suoritetaan myös koeajoja eri kuitumateriaaleilla, joilla selvitetään eri prosessiparametrien ja materiaaliominaisuuksien vaikutus muovauksen onnistumiseen. Koeajetut materiaalit soveltuvat kehitetylle menetelmälle heikosti, mutta työkalun jatkokehityksellä ja eri materiaaleilla voi onnistunut muovaus olla mahdollista.

Small-scale fishing in Central American indigenous people: governance, tenure and sustainable management of marine resources

This research develops four case studies on small-scale fisheries in Central America located within indigenous territories. The ngöbe Bugle Conte Burica Territory in the south of Costa Rica, the Garífuna territory in nueva Armenia Honduras, the Rama territory in Nicaragua and the ngöbe Bugle territory in Bocas del Toro, Panamá. This is one of the first studies focusing on indigenous territories, artisanal fisheries and SSF guidelines. The cases are a first approach to discussing and analyzing relevant social and human rights issues related to conservation of marine resources and fisheries management in these territories. The cases discussed between other issues of interest, the relationships between marine protected areas under different governance models and issues related to the strengthening of the small-scale fisheries of these indigenous populations and marine fishing territories. They highlight sustainability, governance, land tenure and access to fishing resources, gender, traditional knowledge importance and new challenges as climate change.

Modyfikacja aglikonu Josamycyny z wykorzystaniem regioselektywnej substytucji nukleofilowej typu SN1’ i dipolarnej cykloaddycji Huisgena

Wydział Chemii: Zakład Syntezy i Struktury Związków Organicznych

An Indirect Genetic Algorithm for Set Covering Problems

This paper presents a new type of genetic algorithm for the set covering problem. It differs from previous evolutionary approaches first because it is an indirect algorithm, i.e. the actual solutions are found by an external decoder function. The genetic algorithm itself provides this decoder with permutations of the solution variables and other parameters. Second, it will be shown that results can be further improved by adding another indirect optimisation layer. The decoder will not directly seek out low cost solutions but instead aims for good exploitable solutions. These are then post optimised by another hill-climbing algorithm. Although seemingly more complicated, we will show that this three-stage approach has advantages in terms of solution quality, speed and adaptability to new types of problems over more direct approaches. Extensive computational results are presented and compared to the latest evolutionary and other heuristic approaches to the same data instances.

Protein encapsulation and release from PEO-b-polyphosphoester templated calcium carbonate particles

International audience

BATTERY POWERED PORTABLE VAPOR COMPRESSION CYCLE SYSTEM WITH PCM CONDENSER

A battery powered air-conditioning device was developed to provide an improved thermal comfort level for individuals in inadequately cooled environments. This device is a battery powered air-conditioning system with the phase change material (PCM) for heat storage. The condenser heat is stored in the PCM during the cooling operation and is discharged while the battery is charged by using the vapor compression cycle as a thermosiphon loop. The main focus of the current research was on the development of the cooling system. The cooling capacity of the vapor compression cycle measured was 165.6 W with system COP at 2.85. It was able to provide 2 hours cooling without discharging heat to the ambient. The PCM was recharged in nearly 8 hours under thermosiphon mode.