In vitro strain measurements in cerebral aneurysm models for cyber-physical diagnosis

Background: The development of new diagnostic technologies for cerebrovascular diseases requires an understanding of the mechanism behind the growth and rupture of cerebral aneurysms. To provide a comprehensive diagnosis and prognosis of this disease, it is desirable to evaluate wall shear stress, pressure, deformation and strain in the aneurysm region, based on information provided by medical imaging technologies. Methods: In this research, we propose a new cyber-physical system composed of in vitro dynamic strain experimental measurements and computational fluid dynamics (CFD) simulation for the diagnosis of cerebral aneurysms. A CFD simulation and a scaled-up membranous silicone model of a cerebral aneurysm were completed, based on patient-specific data recorded in August 2008. In vitro blood flow simulation was realized with the use of a specialized pump. A vision system was also developed to measure the strain at different regions on the model by way of pulsating blood flow circulating inside the model. Results: Experimental results show that distance and area strain maxima were larger near the aneurysm neck (0.042 and 0.052), followed by the aneurysm dome (0.023 and 0.04) and finally the main blood vessel section (0.01 and 0.014). These results were complemented by a CFD simulation for the addition of wall shear stress, oscillatory shear index and aneurysm formation index. Diagnosis results using imaging obtained in August 2008 are consistent with the monitored aneurysm growth in 2011. Conclusion: The presented study demonstrates a new experimental platform for measuring dynamic strain within cerebral aneurysms. This platform is also complemented by a CFD simulation for advanced diagnosis and prediction of the growth tendency of an aneurysm in endovascular surgery.

Lessons from silkworm cocoons for future protective materials design

 Evolved over millions of years’ natural selection, very thin and lightweight wild silkworm cocoons can protect silkworms from environmental hazards and physical attacks from predators while supporting their metabolic activity. The knowledge of structure-property-function relationship of multi-layered composite silk cocoon shells gives insight into the design of next-generation protection materials. The mechanical and thermal insulation properties of both domestic (Bombyx mori, or B. moriand Samia. cynthia, or S. cynthia) and wild (Antheraea pernyi and Antheraea mylitta, or A. pernyi and A. mylitta) silkworm cocoons were investigated. The research findings are of relevance to the bio-inspired design of new protective materials and structures.
The 180 degree peel tests and needle penetration tests were used for examining the peel resistance and needle penetration resistance of both domestic and wild silkworm cocoon walls. The temperatures inside and outside of the whole silkworm cocoons under warm, cold and windy conditions were monitored for investigating the cocoon’s thermal insulation function. Computational fluid dynamics (CFD) models were created to simulate the heat transfer through the A. pernyi cocoon wall.
The wild cocoons experienced much higher peeling peak loads than the domestic cocoon. This transfers to a maximum work-of-fracture (WOF) of about 1000 J/m2 from the A. pernyi outer layer, which was 10 times of the B. mori cocoon. The A. pernyi wild cocoon exhibited a maximum penetration force (11 N) that is 70 % higher than a woven aramid fabric. Silk sericin is shown to play a critical role in providing needle penetration resistance of the non-woven composite cocoon structure by restricting the relative motion of fibres, which prevents the sharp tip of the needle from pushing aside fibres and penetrating between them. The wild A. pernyi cocoon exhibits superior thermal buffer over the domestic B. mori cocoon. The unique structure of the A. pernyi cocoon wall with mineral crystals deposited on the cocoon outer surface, can prohibit most of the air from flowing inside of the cocoon structure, which shows strong wind resistance under windy conditions.

A review of computational fluid dynamics applications in pressure-driven membrane filtration

Ongoing advances in computational performance and numerics have led to computational fluid dynamics (CFD) becoming a ubiquitous modelling tool. However, CFD methods have only been adopted to simulate pressure-driven membrane filtration systems relatively recently. This paper reviews various approaches to describing the behaviour of these systems using CFD, beginning with the hydrodynamics of membrane channels, including discussion of laminar, turbulent, and transition flow regimes, with reference to the effects of osmotic pressure, concentration polarisation, and cake formation. The use of CFD in describing mass transfer through the membrane itself is then discussed, followed by some concluding comments on commercial membrane simulation packages and future research directions in membrane CFD. © 2013 Springer Science+Business Media Dordrecht.

Numerical Simulation Of Sediment Transport And Bedmorphology Around A Hydraulic Structure On A River

Scour around hydraulic structures is a critical problem in hydraulic engineering. Under prediction of scour depth may lead to costly failures of the structure, while over prediction might result in unnecessary costs. Unfortunately, up-to-date empirical scour prediction formulas are based on laboratory experiments that are not always able to reproduce field conditions due to complicated geometry of rivers and temporal and spatial scales of a physical model. However, computational fluid dynamics (CFD) tools can perform using real field dimensions and operating conditions to predict sediment scour around hydraulic structures. In Korea, after completing the Four Major Rivers Restoration Project, several new weirs have been built across Han, Nakdong, Geum and Yeongsan Rivers. Consequently, sediment deposition and bed erosion around such structures have became a major issue in these four rivers. In this study, an application of an open source CFD software package, the TELEMAC-MASCARET, to simulate sediment transport and bed morphology around Gangjeong weir, which is the largest multipurpose weir built on Nakdong River. A real bathymetry of the river and a geometry of the weir have been implemented into the numerical model. The numerical simulation is carried out with a real hydrograph at the upstream boundary. The bedmorphology obtained from the numerical results has been validated against field observation data, and a maximum of simulated scour depth is compared with the results obtained by empirical formulas of Hoffmans. Agreement between numerical computations, observed data and empirical formulas is judged to be satisfactory on all major comparisons. The outcome of this study does not only point out the locations where deposition and erosion might take place depending on the weir gate operation, but also analyzes the mechanism of formation and evolution of scour holes after the weir gates.

Temperature Dynamics Investigation At Small And Shallow Lakes Using Hydrodynamic Model

A three-dimensional time-dependent hydrodynamic and heat transport model of Lake Binaba, a shallow and small dam reservoir in Ghana, emphasizing the simulation of dynamics and thermal structure has been developed. Most numerical studies of temperature dynamics in reservoirs are based on one- or two-dimensional models. These models are not applicable for reservoirs characterized with complex flow pattern and unsteady heat exchange between the atmosphere and water surface. Continuity, momentum and temperature transport equations have been solved. Proper assignment of boundary conditions, especially surface heat fluxes, has been found crucial in simulating the lake’s hydrothermal dynamics. This model is based on the Reynolds Average Navier-Stokes equations, using a Boussinesq approach, with a standard k − ε turbulence closure to solve the flow field. The thermal model includes a heat source term, which takes into account the short wave radiation and also heat convection at the free surface, which is function of air temperatures, wind velocity and stability conditions of atmospheric boundary layer over the water surface. The governing equations of the model have been solved by OpenFOAM; an open source, freely available CFD toolbox. As its core, OpenFOAM has a set of efficient C++ modules that are used to build solvers. It uses collocated, polyhedral numerics that can be applied on unstructured meshes and can be easily extended to run in parallel. A new solver has been developed to solve the hydrothermal model of lake. The simulated temperature was compared against a 15 days field data set. Simulated and measured temperature profiles in the probe locations show reasonable agreement. The model might be able to compute total heat storage of water bodies to estimate evaporation from water surface.

Análise das políticas de suprimento praticadas pelas grandes empresas industriais brasileiras

O objetivo principal deste estudo é contribuir para o entendimento das relações de suprimento estabelecidas entre as grandes empresas industriais do Brasil e seus fornecedores. A pesquisa parte do princípio que existem algumas variáveis que afetam as políticas de suprimento e procura verificar as correlações existentes entre estas variáveis e as políticas. Baseia-se em um conjunto de teorias, entre as quais, a teoria geral das organizações, a teoria dos jogos, a economia dos custos das transações, os estudos sobre a importância da confiança nas relações de negócios teoria da confiança e a teoria de compras. Através de um questionário, construído com baseado em escalas de Likert e de diferenc ial semântico, procurou-se validar um modelo de relacionamento que coloca em extremos as relações chamadas de CFD (Contratos de fornecimento discretos) e CFP (Contratos de fornecimento de parcerias). Foram remetidos questionários a 300 empresas e se obteve o retorno de 238. A amostra contém empresas de 14 estados brasileiros e 11 setores. O estudo em sua parte descritiva concluiu que existem diferenças significativas nas ações das empresas de acordo com o ramo no qual atuam. Não existem, no entanto, diferenças significativas entre os diversos estados brasileiros nos quais se situam suas matrizes, o que indica uma homogeneização de práticas em todo o território nacional, ao menos entre as grandes empresas. Foram encontradas correlações significativas entre algumas variáveis independentes e as estratégias de suprimento. Isto pode fornecer subsídios tanto para a definição de posturas para as empresas fornecedores de insumos industriais, quanto para as empresas que estão montando estratégias de suprimento e querem utilizar o estudo como “benchmark” dos seus processos em relação às maiores empresas brasileiras.

Modelagem mecânica e aproximação por métodos estabilizados de escoamentos multicomponentes

Este estudo foi motivado pela possibilidade de se empregar os conhecimentos da engenharia mecânica na solução de problemas de engenharia de alimentos por métodos numéricos, assim como pela utilização da dinâmica dos fluidos computacional (CFD) em mais um campo de pesquisa. A idéia básica foi a aplicação do método de elementos finitos na solução de problemas de escoamentos envolvendo mistura de diferentes componentes. Muitos alimentos apresentam-se como fluidos, e seu comportamento material pode ser newtoniano ou não newtoniano, às vezes descrito por relações constitutivas bastante complexas. Utilizou-se uma teoria de misturas apoiada nos conceitos de mecânica do contínuo para a modelagem mecânica do que se passou a considerar como um sistema multicomponente. Necessitou-se de uma detalhada revisão sobre os postulados clássicos da mecânica para que se pudesse recolocá-los, com alguma segurança e embasamento teórico, para sistemas multicomponentes. Tendo em mãos a modelagem do balanço de momentum e massa em sistemas multicomponentes, pôde-se aproximar estas equações através do método de elementos finitos. A literatura aponta que o método clássico de Galerkin não possui a eficiência necessária para a solução das equações de escoamento, que envolvem uma formulação mista onde se faz necessário tomar compatíveis os subespaços de velocidade e pressão, e também devido à natureza assimétrica da aceleração advectiva, o que também aparece como uma dificuldade na solução de problemas de advecçãodifusão, nos casos de advecção dominante. Assim, fez-se uso do método estabilizado tipo GLS, o qual supera as dificuldades enftentadas pelo método de Galerkin clássico em altos números de Reynolds, adicionando termos dependentes da malha, construídos de forma a aumentar a estabilidade da formulação de Galerkin original sem prejudicar sua consistência. Os resultados numéricos dividem-se em três categorias: problemas de transferência de quantidade de movimento para fluidos newtonianos, problemas de transferência de quantidade de movimento para fluidos com não linearidade material e problemas de advecção e difusão de massa em misturas. A comparação de algumas aproximações obtidas com as de outros autores se mostraram concordantes. A aproximação de problemas de fluidos segundo os modelos Carreau e Casson geraram os resultados esperados. A aproximação de um problema de injeção axial com mistura de dois fluidos produziu resultados coerentes, motivando a aplicação prática da aproximação por métodos estabilizados de problemas de misturas.

Visualização em tempo real de dados volumétricos dinâmicos usando hardware gráfico

Dados volumétricos temporais são usados na representação de fenômenos físicos em várias aplicações de visualização científica, pois tais fenômenos são complexos, alteram-se com o tempo e não possuem uma forma de representação definida. Uma solução é usar amostragens sobre um espaço de forma geométrica simples que contém o fenômeno (um cubo, por exemplo), discretizado ao longo de uma grade em células de mesmo formato e usualmente chamado de volume de amostragem. Este volume de amostragem representa um instante da representação do fenômeno e, para representar dados temporais, simplesmente enumera-se tantos volumes quanto forem as diferentes instâncias de tempo. Esta abordagem faz com que a representação seja extremamente custosa, necessitando de técnicas de representação de dados para comprimir e descomprimir os mesmos. Este trabalho apresenta uma nova abordagem para compressão de volumes de dados temporais que permite a visualização em tempo real destes dados usando hardware gráfico. O método de compressão usa uma representação hierárquica dos vários volumes de dados dentro da memória do hardware gráfico, referenciados pelo hardware como texturas 3D. O método de compressão tem melhor desempenho para dados volumétricos esparsos e com alto grau de coerência (espacial e temporal). A descompressão destes dados é feita por programas especiais que são executados no próprio hardware gráfico. Um estudo de caso usando o método de compressão/descompressão proposto é apresentado com dados provenientes do Projeto MAPEM (Monitoramento Ambiental em Atividades de Perfuração Exploratória Marítima). O objetivo do projeto é propor uma metodologia para o monitoramento dos efeitos das descargas de materiais no ecossistema marinho durante a perfuração de um poço de petróleo. Para estimar certos descarregamentos de fluidos, o projeto usa um simulador CFD que permite mostrar tais descarregamentos, gerando grades planares e uniformes 2D ou 3D em qualquer instante de tempo durante a simulação.