Mathematical analysis of activation thresholds in enzyme-catalyzed positive feedbacks: application to the feedbacks of blood coagulation.

A hierarchy of enzyme-catalyzed positive feedback loops is examined by mathematical and numerical analysis. Four systems are described, from the simplest, in which an enzyme catalyzes its own formation from an inactive precursor, to the most complex, in which two sequential feedback loops act in a cascade. In the latter we also examine the function of a long-range feedback, in which the final enzyme produced in the second loop activates the initial step in the first loop. When the enzymes generated are subject to inhibition or inactivation, all four systems exhibit threshold properties akin to excitable systems like neuron firing. For those that are amenable to mathematical analysis, expressions are derived that relate the excitation threshold to the kinetics of enzyme generation and inhibition and the initial conditions. For the most complex system, it was expedient to employ numerical simulation to demonstrate threshold behavior, and in this case long-range feedback was seen to have two distinct effects. At sufficiently high catalytic rates, this feedback is capable of exciting an otherwise subthreshold system. At lower catalytic rates, where the long-range feedback does not significantly affect the threshold, it nonetheless has a major effect in potentiating the response above the threshold. In particular, oscillatory behavior observed in simulations of sequential feedback loops is abolished when a long-range feedback is present.

Kink stability, propagation, and length-scale competition in the periodically modulated sine-gordon equation

We have examined the dynamical behavior of the kink solutions of the one-dimensional sine-Gordon equation in the presence of a spatially periodic parametric perturbation. Our study clarifies and extends the currently available knowledge on this and related nonlinear problems in four directions. First, we present the results of a numerical simulation program that are not compatible with the existence of a radiative threshold predicted by earlier calculations. Second, we carry out a perturbative calculation that helps interpret those previous predictions, enabling us to understand in depth our numerical results. Third, we apply the collective coordinate formalism to this system and demonstrate numerically that it reproduces accurately the observed kink dynamics. Fourth, we report on the occurrence of length-scale competition in this system and show how it can be understood by means of linear stability analysis. Finally, we conclude by summarizing the general physical framework that arises from our study.

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.

Estudo do processo de formação do cavaco durante o torneamento e sua relação com a microestrutura utilizando o método dos elementos finitos.

O objetivo desse trabalho foi avaliar o processo de formação do cavaco durante o torneamento utilizando simulação numérica pelo método dos elementos finitos. Para realizar o estudo foram definidos dois tipos de aços inoxidáveis austeníticos, um com matriz metálica sem a presença significativa de inclusões, do tipo ABNT 304, e outro com a presença de inclusões não metálicas, do tipo ABNT 303. O estudo foi focado nos mecanismos de formação e ruptura do cavaco, na determinação das forças de usinagem, no campo de tensões, deformações, e temperaturas durante o processo, que foram relacionados com aspectos e características da microestrutura do material. Os resultados obtidos foram comparados com as forças de usinagem experimentais, com a espessura e morfologia do cavaco. O desenvolvimento do trabalho, de acordo com a metodologia adotada, foi realizado em diferentes etapas. Inicialmente foi elaborado e aplicado um modelo de simulação da usinagem considerando o material homogêneo. Em outra etapa, foi realizada a modelagem de uma microestrutura submetida a um estado de tensão e deformação semelhante ao encontrado na simulação da usinagem realizada com material homogêneo. Os resultados mostraram que as partículas das inclusões maiores, alongadas, e em maior quantidade aumentam a tensão e a deformação na microestrutura. As elevadas temperaturas obtidas na usinagem dos aços inoxidáveis austeníticos aumentam a ductilidade dos sulfetos, esses se deformam em compressão junto com a matriz, e têm um efeito limitado como agente de redução dos esforços de usinagem. Por outro lado, os sulfetos facilitam a etapa de ruptura do cavaco em tensões trativas, e tendem a se romper facilitando o processo de quebra.

Comportamento tribo-mecânico e desgaste adesivo de materiais em nanoescala: análises por dinâmica molecular e mecânica do contínuo.

As formulações baseadas na mecânica do contínuo, embora precisas até certo ponto, por vezes não podem ser utilizadas, ou não são conceitualmente corretas para o entendimento de fenômenos em escalas reduzidas. Estas limitações podem aparecer no estudo dos fenômenos tribológicos em escala nanométrica, que passam a necessitar de novos métodos experimentais, teóricos e computacionais que permitam explorar estes fenômenos com a resolução necessária. Simulações atomísticas são capazes de descrever fenômenos em pequena escala, porém, o número necessário de átomos modelados e, portanto, o custo computacional - geralmente torna-se bastante elevado. Por outro lado, os métodos de simulação associados à mecânica do contínuo são mais interessantes em relação ao custo computacional, mas não são precisos na escala atômica. A combinação entre essas duas abordagens pode, então, permitir uma compreensão mais realista dos fenômenos da tribologia. Neste trabalho, discutem-se os conceitos básicos e modelos de atrito em escala atômica e apresentam-se estudos, por meio de simulação numérica, para a análise e compreensão dos mecanismos de atrito e desgaste no contato entre materiais. O problema é abordado em diferentes escalas, e propõe-se uma abordagem conjunta entre a Mecânica do Contínuo e a Dinâmica Molecular. Para tanto, foram executadas simulações numéricas, com complexidade crescente, do contato entre superfícies, partindo-se de um primeiro modelo que simula o efeito de defeitos cristalinos no fenômeno de escorregamento puro, considerando a Dinâmica Molecular. Posteriormente, inseriu-se, nos modelos da mecânica do contínuo, considerações sobre o fenômeno de adesão. A validação dos resultados é feita pela comparação entre as duas abordagens e com a literatura.

On the development of advanced techniques for mixed-elastohydrodynamic lubrification modelling of journal and sliding bearing systems.

The present thesis is focused on the development of a thorough mathematical modelling and computational solution framework aimed at the numerical simulation of journal and sliding bearing systems operating under a wide range of lubrication regimes (mixed, elastohydrodynamic and full film lubrication regimes) and working conditions (static, quasi-static and transient conditions). The fluid flow effects have been considered in terms of the Isothermal Generalized Equation of the Mechanics of the Viscous Thin Films (Reynolds equation), along with the massconserving p-Ø Elrod-Adams cavitation model that accordingly ensures the so-called JFO complementary boundary conditions for fluid film rupture. The variation of the lubricant rheological properties due to the viscous-pressure (Barus and Roelands equations), viscous-shear-thinning (Eyring and Carreau-Yasuda equations) and density-pressure (Dowson-Higginson equation) relationships have also been taken into account in the overall modelling. Generic models have been derived for the aforementioned bearing components in order to enable their applications in general multibody dynamic systems (MDS), and by including the effects of angular misalignments, superficial geometric defects (form/waviness deviations, EHL deformations, etc.) and axial motion. The bearing exibility (conformal EHL) has been incorporated by means of FEM model reduction (or condensation) techniques. The macroscopic in fluence of the mixedlubrication phenomena have been included into the modelling by the stochastic Patir and Cheng average ow model and the Greenwood-Williamson/Greenwood-Tripp formulations for rough contacts. Furthermore, a deterministic mixed-lubrication model with inter-asperity cavitation has also been proposed for full-scale simulations in the microscopic (roughness) level. According to the extensive mathematical modelling background established, three significant contributions have been accomplished. Firstly, a general numerical solution for the Reynolds lubrication equation with the mass-conserving p - Ø cavitation model has been developed based on the hybridtype Element-Based Finite Volume Method (EbFVM). This new solution scheme allows solving lubrication problems with complex geometries to be discretized by unstructured grids. The numerical method was validated in agreement with several example cases from the literature, and further used in numerical experiments to explore its exibility in coping with irregular meshes for reducing the number of nodes required in the solution of textured sliding bearings. Secondly, novel robust partitioned techniques, namely: Fixed Point Gauss-Seidel Method (PGMF), Point Gauss-Seidel Method with Aitken Acceleration (PGMA) and Interface Quasi-Newton Method with Inverse Jacobian from Least-Squares approximation (IQN-ILS), commonly adopted for solving uid-structure interaction problems have been introduced in the context of tribological simulations, particularly for the coupled calculation of dynamic conformal EHL contacts. The performance of such partitioned methods was evaluated according to simulations of dynamically loaded connecting-rod big-end bearings of both heavy-duty and high-speed engines. Finally, the proposed deterministic mixed-lubrication modelling was applied to investigate the in fluence of the cylinder liner wear after a 100h dynamometer engine test on the hydrodynamic pressure generation and friction of Twin-Land Oil Control Rings.

Modelagem e análise de desempenho de sistema para geração de energia elétrica através de ondas marítimas.

Mediante a crescente necessidade de aumento na oferta de energia elétrica devido à constante elevação na demanda mundial, esta dissertação avalia o desempenho de um sistema conversor de energia de ondas marítimas em energia elétrica. O sistema em análise é o de coluna de água oscilante com turbina de dupla ação instalado na costa. Utiliza-se um modelo regular de ondas como perturbação à dinâmica de uma câmara semi-submersa gerando fluxo de ar através de uma turbina à ar de dupla ação. O sistema final é não linear e com parâmetros variantes no tempo. A dissertação investiga possibilidades para o aumento do rendimento da turbina em diferentes condições de mar através do método de simulação numérica. Após a modelagem física e matemática do sistema escolhido, inicia-se a síntese de um controlador proporcional derivativo para controle da pressão de ar na turbina em torno da pressão ideal de trabalho da mesma. A análise inclui o comparativo entre os resultados do sistema com e sem controlador e a avaliação de robustez utilizando ondas com amplitude variável. O trabalho apresenta ainda propostas de otimização do sistema para trabalhar em condições similares a região de Pecém no Brasil. Pelos resultados obtidos nas simulações, conclui-se que o rendimento e a robustez do sistema podem melhorar utilizando um sistema controlado. O rendimento do sistema poderá ainda ser otimizado para a região de instalação.

Sistemas de protección individual anticaídas sometidos a impacto. Simulaciones numéricas

Los sistemas anticaída se establecen en UNE-EN-363 para evitar o retener caídas de personas sin que las fuerzas de retención causen daños relevantes. Constituyen el último recurso para prevención de caídas tras considerar otras medidas. Este artículo analiza las variables que afectan al comportamiento del sistema: altura de caída, longitud de cuerda de retención, rigidez y amortiguamiento del material de retención, y peso del operario. A tal fin, el fenómeno ha sido simulado con modelos dinámicos de elementos finitos mediante una cuerda elástica y un lastre rígido. Ello permite obtener valores verosímiles de las máximas fuerzas sobre el accidentado y el sistema durante el impacto. Los resultados demuestran el papel fundamental de la proporción entre altura de caída y longitud de cuerda (factor de caída), más determinante que la propia altura de caída. Las elevadas fuerzas máximas obtenidas indican la necesidad de incluir en el modelo absorbedores de energía elastoplásticos, en futuras investigaciones, con el fin de disminuir el impacto a valores razonables.

Fire resistance of wooden cellular slabs with rectangular perforations

This paper presents a numerical approach with finite element method in order to predict both the behaviour and the performance of the wooden slabs with rectangular perforations under fire exposure. These typical constructions have good sound absorption, thermal insulation and relevant architectonic features, they are used in many civil engineering applications. These slabs are normally installed at lower level in building constructions essentially due to an easy maintenance requisite. Depending on the installation requirement, the perforated wooden slabs could have an additional insulation material inside the cavities. The proposed numerical model could be applied to different design constructive slab solutions. For this purpose a 3D numerical simulation was conducted with particular attention to the wood thermal properties variation with temperature. The numerical results were compared with those obtained experimentally in laboratory, for two wooden slabs. The fire resistance (performance criteria related to the insulation (I) and integrity (E)) was evaluated, as well as the effect of rectangular perforations into the residual cross section of the slab. This study was conducted in accordance with European Standard EN 1365-2 and using a fire resistance furnace which complies the requirements of EN 1363-1 in the experimental test.

Optimização de um sistema híbrido off-grid PV, Gerador Diesel e Baterias

Tese de mestrado integrado, Engenharia da Energia e do Ambiente, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2016

Influência dos parâmetros operacionais no comportamento dinâmico de chumaceiras axiais de esmagamento de película compressível

No presente trabalho são estudadas chumaceiras axiais de esmagamento de película compressível. A lubrificação deste componente mecânico, é conseguida por meio de um fluido gasoso justificando a obtenção de soluções por via de experimentação numérica, uma vez que atualmente ainda não é possível recorrer-se a métodos analíticos. Através da simulação numérica, analisa-se a influência de alguns parâmetros operacionais na resposta deste tipo de chumaceira. Na análise dos resultados verifica-se que a posição média final do elemento suportado é independente da espessura de película inicial utilizada, desde que esta não ultrapasse o valor limite em que a pressão gerada não consiga fazer face à aceleração da massa durante a fase descendente, resultando no contacto entre as superfícies dos elementos da chumaceira. A utilização de frequências elevadas é recomendável uma vez que promove uma maior separação de superfícies, menor dissipação de energia por parte da película lubrificante e menor amplitude de oscilação do elemento suportado, embora com as desvantagens do período transiente ser superior e do ganho do afastamento do elemento suportado se reduzir significativamente, seguindo um modelo assimptótico. Em condições de pressão constante e frequência elevada, o sistema, com o aumento da massa, reage de forma a permitir uma melhor lubrificação da chumaceira e a reduzir a oscilação do elemento suportado. Por outro lado, a rigidez do sistema aumenta fazendo face a uma possível sobrecarga.

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.

Airport Security: Passenger's Perception and Design Issues

The main goal of this thesis is to report patterns of perceived safety in the context of airport infrastructure, taking the airport of Bologna as reference. Many personal and environmental attributes are investigated to paint the profile of the sensitive passenger and to understand why precise factors of the transit environment are so impactful on the individual. The main analyses are based on a 2014-2015 passengers’ survey, involving almost six thousand of incoming and outgoing passengers. Other reports are used to implement and support the resource. The analysis is carried out by using a combination of Chi-square tests and binary logistic regressions. Findings shows that passengers result to be particularly affected by the perception of airport’s environment (e.g., state and maintenance of facilities, clarity and efficacy of information system, functionality of elevators and escalators), but also by the way how the passenger reaches the airport and the quality of security checks. In relation to such results, several suggestions are provided for the improvement of passenger satisfaction with safety. The attention is then focused on security checkpoints and related operations, described on a theoretical and technical ground. We present an example of how to realize a proper model of the security checks area of Bologna’s airport, with the aim to assess present performances of the system and consequences of potential variations. After a brief introduction to Arena, a widespread simulation software, the existing model is described, pointing out flaws and limitations. Such model is finally updated and changed in order to make it more reliable and more representative of the reality. Different scenarios are tested and results are compared using graphs and tables.

Modeling and validation of the thermal behavior of buildings for the development of demand response methods

The representation of the thermal behaviour of the building is achieved through a relatively simple dynamic model that takes into account the effects due to the thermal mass of the building components. The model of a intra-floor apartment has been built in the Matlab-Simulink environment and considers the heat transmission through the external envelope, wall and windows, the internal thermal masses, (i.e. furniture, internal wall and floor slabs) and the sun gain due to opaque and see-through surfaces of the external envelope. The simulations results for the entire year have been compared and the model validated, with the one obtained with the dynamic building simulation software Energyplus.

Temperature measured in permafrost borehole at ICDP site 5011-3 in El'gygytgyn Crater, 2008-2011

This study focuses on the temperature field observed in boreholes drilled as part of interdisciplinary scientific campaign targeting the El'gygytgyn Crater Lake in NE Russia. Temperature data are available from two sites: the lake borehole 5011-1 located near the center of the lake reaching 400 m depth, and the land borehole 5011-3 at the rim of the lake, with a depth of 140 m. Constraints on permafrost depth and past climate changes are derived from numerical simulation of the thermal regime associated with the lake-related talik structure. The thermal properties of the subsurface needed for these simulations are based on laboratory measurements of representative cores from the quaternary sediments and the underlying impact-affected rock, complemented by further information from geophysical logs and data from published literature. The temperature observations in the lake borehole 5011-1 are dominated by thermal perturbations related to the drilling process, and thus only give reliable values for the lowermost value in the borehole. Undisturbed temperature data recorded over more than two years are available in the 140 m deep land-based borehole 5011-3. The analysis of these observations allows determination of not only the recent mean annual ground surface temperature, but also the ground surface temperature history, though with large uncertainties. Although the depth of this borehole is by far too insufficient for a complete reconstruction of past temperatures back to the Last Glacial Maximum, it still affects the thermal regime, and thus permafrost depth. This effect is constrained by numerical modeling: assuming that the lake borehole observations are hardly influenced by the past changes in surface air temperature, an estimate of steady-state conditions is possible, leading to a meaningful value of 14 ± 5 K for the post-glacial warming. The strong curvature of the temperature data in shallower depths around 60 m can be explained by a comparatively large amplitude of the Little Ice Age (up to 4 K), with low temperatures prevailing far into the 20th century. Other mechanisms, like varying porosity, may also have an influence on the temperature profile, however, our modeling studies imply a major contribution from recent climate changes.