Matrix and reservoir-type multipurpose vaginal rings for controlled release of dapivirine and levonorgestrel

A matrix-type silicone elastomer vaginal ring providing 28-day continuous release of dapivirine (DPV) - a lead candidate human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) microbicide compound - has recently demonstrated moderate levels of protection in two Phase III clinical studies. Here, next-generation matrix and reservoir-type silicone elastomer vaginal rings are reported for the first time offering simultaneous and continuous in vitro release of DPV and the contraceptive progestin levonorgestrel (LNG) over a period of between 60 and 180days. For matrix-type vaginal rings comprising initial drug loadings of 100, 150 or 200mg DPV and 0, 16 or 32mg LNG, Day 1 daily DPV release values were between 4132 and 6113μg while Day 60 values ranged from 284 to 454μg. Daily LNG release ranged from 129 to 684μg on Day 1 and 2-91μg on Day 60. Core-type rings comprising one or two drug-loaded cores provided extended duration of in vitro release out to 180days, and maintained daily drug release rates within much narrower windows (either 75-131μg/day or 37-66μg/day for DPV, and either 96-150μg/day or 37-57μg/day for LNG, depending on core ring configuration and ignoring initial lag release effect for LNG) compared with matrix-type rings. The data support the continued development of these devices as multi-purpose prevention technologies (MPTs) for HIV prevention and long-acting contraception.

Levantamento do Tamanho Médio de Bolhas em Escoamento Bifásico Vertical por Técnica Fotográfica

Para confirmar e validar códigos computacionais de escoamento de fluidos, importantes na segurança de reatores nucleares, é preciso que sejam realizadas medidas experimentais. Como a geração de vapor no fluido refrigerante diminui a eficiência de troca térmica a fração de vazio passa a ser um dos parâmetros mais importantes a ser obtido, e que, num escoamento vertical, pode ser conhecido através da quantidade de bolha e seu diâmetro médio.

Concrete deterioration due to sulfide-bearing aggregates

Dans la région de Trois-Rivières (Québec, Canada), plus de 1 000 bâtiments résidentiels et commerciaux montrent de graves problèmes de détérioration du béton. Les problèmes de détérioration sont liés à l’oxydation des sulfures de fer incorporés dans le granulat utilisé pour la confection du béton. Ce projet de doctorat vise à mieux comprendre les mécanismes responsables de la détérioration de béton incorporant des granulats contenant des sulfures de fer, et ce afin de développer une méthodologie pour évaluer efficacement la réactivité potentielle de ce type de granulats. Un examen pétrographique détaillé de carottes de béton extraites de fondations résidentielles montrant différents degré d’endommagement a été réalisé. Le granulat problématique contenant des sulfures de fer a été identifié comme un gabbro à hypersthène incorporant différentes proportions (selon les différentes localisations dans les deux carrières d’origine) de pyrrhotite, pyrite, chalcopyrite et pentlandite. Les produits de réaction secondaires observés dans les échantillons dégradés comprennent des formes minérales de "rouille", gypse, ettringite et thaumasite. Ces observations ont permis de déterminer qu’en présence d’eau et d’oxygène, la pyrrhotite s’oxyde pour former des oxyhydroxides de fer et de l’acide sulfurique qui provoquent une attaque aux sulfates dans le béton. Tout d’abord, la fiabilité de l’approche chimique proposée dans la norme européenne NF EN 12 620, qui consiste à mesurer la teneur en soufre total (ST,% en masse) dans le granulat pour détecter la présence (ou non) de sulfures de fer, a été évaluée de façon critique. Environ 50% (21/43) des granulats testés, représentant une variété de types de roches/lithologies, a montré une ST > 0,10%, montrant qu’une proportion importante de types de roches ne contient pas une quantité notable de sulfure, qui, pour la plupart d’entre eux, sont susceptibles d’être inoffensifs dans le béton. Ces types de roches/granulats nécessiteraient toutefois d’autres tests pour identifier la présence potentielle de pyrrhotite compte tenu de la limite de ST de 0,10 % proposée dans les normes européennes. Basé sur une revue exhaustive de la littérature et de nombreuses analyses de laboratoire, un test accéléré d’expansion sur barres de mortier divisé en deux phases a ensuite été développé pour reproduire, en laboratoire, les mécanismes de détérioration observés à Trois-Rivières. Le test consiste en un conditionnement de 90 jours à 80°C/80% RH, avec 2 cycles de mouillage de trois heures chacun, par semaine, dans une solution d’hypochlorite de sodium (eau de javel) à 6% (Phase I), suivi d’une période pouvant atteindre 90 jours de conditionnement à 4°C/100 % HR (Phase II). Les granulats ayant un potentiel d’oxydation ont présenté une expansion de 0,10 % au cours de la Phase I, tandis que la formation potentielle de thaumasite est détectée par le regain rapide de l’expansion suivi par la destruction des échantillons durant la Phase II. Un test de consommation d’oxygène a également été modifié à partir d’un test de Drainage Minier Acide, afin d’évaluer quantitativement le potentiel d’oxydation des sulfures de fer incorporés dans les granulats à béton. Cette technique mesure le taux de consommation d’oxygène dans la partie supérieure d’un cylindre fermé contenant une couche de matériau compacté afin de déterminer son potentiel d’oxydation. Des paramètres optimisés pour évaluer le potentiel d’oxydation des granulats comprennent une taille de particule inférieure à 150 μm, saturation à 40 %, un rapport de 10 cm d’épaisseur de granulat par 10 cm de dégagement et trois heures d’essai à 22ᵒC. Les résultats obtenus montrent que le test est capable de discriminer les granulats contenant des sulfures de fer des granulats de contrôle (sans sulfures de fer) avec un seuil limite fixé à 5% d’oxygène consommé. Finalement, un protocole d’évaluation capable d’estimer les effets néfastes potentiels des granulats à béton incorporant des sulfures de fer a été proposé. Le protocole est divisé en 3 grandes phases: (1) mesure de la teneur en soufre total, (2) évaluation de la consommation d’oxygène, et (3) un test accéléré d’expansion sur barres de mortier. Des limites provisoires sont proposées pour chaque phase du protocole, qui doivent être encore validées par la mise à l’essai d’un plus large éventail de granulats.

Modélisation d'éléments finis pour les interactions fluide-structure

Cette thèse concerne la modélisation des interactions fluide-structure et les méthodes numériques qui s’y rattachent. De ce fait, la thèse est divisée en deux parties. La première partie concerne l’étude des interactions fluide-structure par la méthode des domaines fictifs. Dans cette contribution, le fluide est incompressible et laminaire et la structure est considérée rigide, qu’elle soit immobile ou en mouvement. Les outils que nous avons développés comportent la mise en oeuvre d’un algorithme fiable de résolution qui intégrera les deux domaines (fluide et solide) dans une formulation mixte. L’algorithme est basé sur des techniques de raffinement local adaptatif des maillages utilisés permettant de mieux séparer les éléments du milieu fluide de ceux du solide que ce soit en 2D ou en 3D. La seconde partie est l’étude des interactions mécaniques entre une structure flexible et un fluide incompressible. Dans cette contribution, nous proposons et analysons des méthodes numériques partitionnées pour la simulation de phénomènes d’interaction fluide-structure (IFS). Nous avons adopté à cet effet, la méthode dite «arbitrary Lagrangian-Eulerian» (ALE). La résolution fluide est effectuée itérativement à l’aide d’un schéma de type projection et la structure est modélisée par des modèles hyper élastiques en grandes déformations. Nous avons développé de nouvelles méthodes de mouvement de maillages pour aboutir à de grandes déformations de la structure. Enfin, une stratégie de complexification du problème d’IFS a été définie. La modélisation de la turbulence et des écoulements à surfaces libres ont été introduites et couplées à la résolution des équations de Navier-Stokes. Différentes simulations numériques sont présentées pour illustrer l’efficacité et la robustesse de l’algorithme. Les résultats numériques présentés attestent de la validité et l’efficacité des méthodes numériques développées.

On the modelling of fire atmosphere/sprinkler spray interacting using an Euler-Lagrange framework

An Euler-Lagrange particle tracking model, developed for simulating fire atmosphere/sprinkler spray interactions, is described. Full details of the model along with the approximations made and restrictions applying are presented. Errors commonly found in previous formulations of the source terms used in this two-phase approach are described and corrected. In order to demonstrate the capabilities of the model it is applied to the simulation of a fire in a long corridor containing a sprinkler. The simulation presented is three-dimensional and transient and considers mass, momentum and energy transfer between the gaseous atmosphere and injected liquid droplets.

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.

Modélisation des machines par circuits couplés pour l’observation des courants de barres au rotor

Ce travail présente une modélisation rapide d’ordre élévé capable de modéliser une configuration rotorique en cage complète ou en grille, de reproduire les courants de barre et tenir compte des harmoniques d’espace. Le modèle utilise une approche combinée d’éléments finis avec les circuits-couplés. En effet, le calcul des inductances est réalisé avec les éléments finis, ce qui confère une précision avancée au modèle. Cette méthode offre un gain important en temps de calcul sur les éléments finis pour des simulations transitoires. Deux outils de simulation sont développés, un dans le domaine du temps pour des résolutions dynamiques et un autre dans le domaine des phaseurs dont une application sur des tests de réponse en fréquence à l’arrêt (SSFR) est également présentée. La méthode de construction du modèle est décrite en détail de même que la procédure de modélisation de la cage du rotor. Le modèle est validé par l’étude de machines synchrones: une machine de laboratoire de 5.4 KVA et un grand alternateur de 109 MVA dont les mesures expérimentales sont comparées aux résultats de simulation du modèle pour des essais tels que des tests à vide, des courts-circuits triphasés, biphasés et un test en charge.

Medidas de eficiência energética numa indústria cerâmica

O presente relatório resulta de um estágio realizado no âmbito da eficiência energética assente no programa Galp 20-20-20 que tem por génese uma parceria entre a Universidade de Aveiro e a empresa de coberturas cerâmicas, CS – Coelho da Silva S.A. A Fábrica alvo de estudo é uma consumidora intensiva de energia, despendeu no ano de 2013 cerca de 3.768 tep. Devido aos seus processos de cozedura e secagem, apresenta uma elevada dependência de Gás Natural, representando pouco mais de 78% do consumo global da fábrica. Deste consumo de energia térmica, 83% respeita ao forno e os restantes 17% encontram-se alocados ao secador, pelo que as medidas de eficiência energética presentes neste relatório centram-se da redução deste vetor energético. São então propostas três medidas para a redução da dependência deste vetor. A primeira, incide na recuperação de calor residual presente nos gases de exaustão através da instalação de um permutador de calor. Esta medida permite uma redução do consumo na ordem dos 10% e conta com um payback de 2,3 anos resultante de uma economia anual de 150.000 €. Para este estudo foi desenvolvido um modelo dinâmico em excel que permite a simulação de diversos cenários. São também propostas mais duas intervenções que incidem na alteração do circuito térmico. Estas medidas têm um impacte mais reduzido no que respeita ao percentual de redução energético, ambas com menos de 1% de redução do consumo global da fábrica. Contudo são medidas bastante interessantes dada a sua simplicidade e contam com poupanças anuais na ordem dos 6.000 € que resultam num payback inferior a 2 meses. Paralelamente executaram-se dois estudos para a iluminação, o primeiro sugere a instalação de um modelador de tensão que reduz a potência de iluminação em 36%, implicando uma redução da iluminância de cerca de 5%. A redução da potência resulta numa economia energética na ordem dos 0,4% da energia global da instalação. Este equipamento poderá ser adquirido por completo ou em renting. Ao optar pela compra integral, o investimento será apenas ressarcido em 2,8 anos resultante de uma poupança anula de perto de 6.500 €. Caso seja por renting este não tem qualquer custo adicional e as economias monetárias são partilhadas entre a empresa que fornece o equipamento e a CS-Coelho da Silva, S.A. Por fim é sugerida a substituição de parte da iluminação atual da fábrica por tecnologia LED, com esta medida reduz-se o consumo global em 0,76%. Esta medida gera uma economia monetária na ordem dos 11.500 € sendo ressarcida em 2,1 anos.

Hierarchical Forest Management Planning: A Bilevel Wood Supply Modelling Approach

Le processus de planification forestière hiérarchique présentement en place sur les terres publiques risque d’échouer à deux niveaux. Au niveau supérieur, le processus en place ne fournit pas une preuve suffisante de la durabilité du niveau de récolte actuel. À un niveau inférieur, le processus en place n’appuie pas la réalisation du plein potentiel de création de valeur de la ressource forestière, contraignant parfois inutilement la planification à court terme de la récolte. Ces échecs sont attribuables à certaines hypothèses implicites au modèle d’optimisation de la possibilité forestière, ce qui pourrait expliquer pourquoi ce problème n’est pas bien documenté dans la littérature. Nous utilisons la théorie de l’agence pour modéliser le processus de planification forestière hiérarchique sur les terres publiques. Nous développons un cadre de simulation itératif en deux étapes pour estimer l’effet à long terme de l’interaction entre l’État et le consommateur de fibre, nous permettant ainsi d’établir certaines conditions pouvant mener à des ruptures de stock. Nous proposons ensuite une formulation améliorée du modèle d’optimisation de la possibilité forestière. La formulation classique du modèle d’optimisation de la possibilité forestière (c.-à-d., maximisation du rendement soutenu en fibre) ne considère pas que le consommateur de fibre industriel souhaite maximiser son profit, mais suppose plutôt la consommation totale de l’offre de fibre à chaque période, peu importe le potentiel de création de valeur de celle-ci. Nous étendons la formulation classique du modèle d’optimisation de la possibilité forestière afin de permettre l’anticipation du comportement du consommateur de fibre, augmentant ainsi la probabilité que l’offre de fibre soit entièrement consommée, rétablissant ainsi la validité de l’hypothèse de consommation totale de l’offre de fibre implicite au modèle d’optimisation. Nous modélisons la relation principal-agent entre le gouvernement et l’industrie à l’aide d’une formulation biniveau du modèle optimisation, où le niveau supérieur représente le processus de détermination de la possibilité forestière (responsabilité du gouvernement), et le niveau inférieur représente le processus de consommation de la fibre (responsabilité de l’industrie). Nous montrons que la formulation biniveau peux atténuer le risque de ruptures de stock, améliorant ainsi la crédibilité du processus de planification forestière hiérarchique. Ensemble, le modèle biniveau d’optimisation de la possibilité forestière et la méthodologie que nous avons développée pour résoudre celui-ci à l’optimalité, représentent une alternative aux méthodes actuellement utilisées. Notre modèle biniveau et le cadre de simulation itérative représentent un pas vers l’avant en matière de technologie de planification forestière axée sur la création de valeur. L’intégration explicite d’objectifs et de contraintes industrielles au processus de planification forestière, dès la détermination de la possibilité forestière, devrait favoriser une collaboration accrue entre les instances gouvernementales et industrielles, permettant ainsi d’exploiter le plein potentiel de création de valeur de la ressource forestière.

A STUDY OF HEAT TRANSFER AND FLOW CHARACTERISTICS OF RISING TAYLOR BUBBLES

Practical application of flow boiling to ground- and space-based thermal management systems hinges on the ability to predict the system’s heat removal capabilities under expected operating conditions. Research in this field has shown that the heat transfer coefficient within two-phase heat exchangers can be largely dependent on the experienced flow regime. This finding has inspired an effort to develop mechanistic heat transfer models for each flow pattern which are likely to outperform traditional empirical correlations. As a contribution to the effort, this work aimed to identify the heat transfer mechanisms for the slug flow regime through analysis of individual Taylor bubbles. An experimental apparatus was developed to inject single vapor Taylor bubbles into co-currently flowing liquid HFE 7100. The heat transfer was measured as the bubble rose through a 6 mm inner diameter heated tube using an infrared thermography technique. High-speed flow visualization was obtained and the bubble film thickness measured in an adiabatic section. Experiments were conducted at various liquid mass fluxes (43-200 kg/m2s) and gravity levels (0.01g-1.8g) to characterize the effect of bubble drift velocity on the heat transfer mechanisms. Variable gravity testing was conducted during a NASA parabolic flight campaign. Results from the experiments showed that the drift velocity strongly affects the hydrodynamics and heat transfer of single elongated bubbles. At low gravity levels, bubbles exhibited shapes characteristic of capillary flows and the heat transfer enhancement due to the bubble was dominated by conduction through the thin film. At moderate to high gravity, traditional Taylor bubbles provided small values of enhancement within the film, but large peaks in the wake heat transfer occurred due to turbulent vortices induced by the film plunging into the trailing liquid slug. Characteristics of the wake heat transfer profiles were analyzed and related to the predicted velocity field. Results were compared and shown to agree with numerical simulations of colleagues from EPFL, Switzerland. In addition, a preliminary study was completed on the effect of a Taylor bubble passing through nucleate flow boiling, showing that the thinning thermal boundary layer within the film suppressed nucleation, thereby decreasing the heat transfer coefficient.

Computational modelling of non-equilibrium condensing steam flows in low-pressure steam turbines

The steam turbines play a significant role in global power generation. Especially, research on low pressure (LP) steam turbine stages is of special importance for steam turbine man- ufactures, vendors, power plant owners and the scientific community due to their lower efficiency than the high pressure steam turbine stages. Because of condensation, the last stages of LP turbine experience irreversible thermodynamic losses, aerodynamic losses and erosion in turbine blades. Additionally, an LP steam turbine requires maintenance due to moisture generation, and therefore, it is also affecting on the turbine reliability. Therefore, the design of energy efficient LP steam turbines requires a comprehensive analysis of condensation phenomena and corresponding losses occurring in the steam tur- bine either by experiments or with numerical simulations. The aim of the present work is to apply computational fluid dynamics (CFD) to enhance the existing knowledge and understanding of condensing steam flows and loss mechanisms that occur due to the irre- versible heat and mass transfer during the condensation process in an LP steam turbine. Throughout this work, two commercial CFD codes were used to model non-equilibrium condensing steam flows. The Eulerian-Eulerian approach was utilised in which the mix- ture of vapour and liquid phases was solved by Reynolds-averaged Navier-Stokes equa- tions. The nucleation process was modelled with the classical nucleation theory, and two different droplet growth models were used to predict the droplet growth rate. The flow turbulence was solved by employing the standard k-ε and the shear stress transport k-ω turbulence models. Further, both models were modified and implemented in the CFD codes. The thermodynamic properties of vapour and liquid phases were evaluated with real gas models. In this thesis, various topics, namely the influence of real gas properties, turbulence mod- elling, unsteadiness and the blade trailing edge shape on wet-steam flows, are studied with different convergent-divergent nozzles, turbine stator cascade and 3D turbine stator-rotor stage. The simulated results of this study were evaluated and discussed together with the available experimental data in the literature. The grid independence study revealed that an adequate grid size is required to capture correct trends of condensation phenomena in LP turbine flows. The study shows that accurate real gas properties are important for the precise modelling of non-equilibrium condensing steam flows. The turbulence modelling revealed that the flow expansion and subsequently the rate of formation of liquid droplet nuclei and its growth process were affected by the turbulence modelling. The losses were rather sensitive to turbulence modelling as well. Based on the presented results, it could be observed that the correct computational prediction of wet-steam flows in the LP turbine requires the turbulence to be modelled accurately. The trailing edge shape of the LP turbine blades influenced the liquid droplet formulation, distribution and sizes, and loss generation. The study shows that the semicircular trailing edge shape predicted the smallest droplet sizes. The square trailing edge shape estimated greater losses. The analysis of steady and unsteady calculations of wet-steam flow exhibited that in unsteady simulations, the interaction of wakes in the rotor blade row affected the flow field. The flow unsteadiness influenced the nucleation and droplet growth processes due to the fluctuation in the Wilson point.

FLOW REGIME DRIVEN THERMAL ENHANCEMENT IN INTERNALLY-GROOVED TUBES

Internally-grooved refrigeration tubes maximize tube-side evaporative heat transfer rates and have been identified as a most promising technology for integration into compact cold plates. Unfortunately, the absence of phenomenological insights and physical models hinders the extrapolation of grooved-tube performance to new applications. The success of regime-based heat transfer correlations for smooth tubes has motivated the current effort to explore the relationship between flow regimes and enhanced heat transfer in internally-grooved tubes. In this thesis, a detailed analysis of smooth and internally-grooved tube data reveals that performance improvement in internally-grooved tubes at low-to-intermediate mass flux is a result of early flow regime transition. Based on this analysis, a new flow regime map and corresponding heat transfer coefficient correlation, which account for the increased wetted angle, turbulence, and Gregorig effects unique to internally-grooved tubes, were developed. A two-phase test facility was designed and fabricated to validate the newly-developed flow regime map and regime-based heat transfer coefficient correlation. As part of this setup, a non-intrusive optical technique was developed to study the dynamic nature of two-phase flows. It was found that different flow regimes result in unique temporally varying film thickness profiles. Using these profiles, quantitative flow regime identification measures were developed, including the ability to explain and quantify the more subtle transitions that exist between dominant flow regimes. Flow regime data, based on the newly-developed method, and heat transfer coefficient data, using infrared thermography, were collected for two-phase HFE-7100 flow in horizontal 2.62mm - 8.84mm diameter smooth and internally-grooved tubes with mass fluxes from 25-300 kg/m²s, heat fluxes from 4-56 kW/m², and vapor qualities approaching 1. In total, over 6500 combined data points for the adiabatic and diabatic smooth and internally-grooved tubes were acquired. Based on results from the experiments and a reinterpretation of data from independent researchers, it was established that heat transfer enhancement in internally-grooved tubes at low-to-intermediate mass flux is primarily due to early flow regime transition to Annular flow. The regime-based heat transfer coefficient outperformed empirical correlations from the literature, with mean and absolute deviations of 4.0% and 32% for the full range of data collected.

Estudo experimental do escoamento bifásico líquido gás em golfadas com leve mudança de direção

Gas-liquid two-phase flow is very common in industrial applications, especially in the oil and gas, chemical, and nuclear industries. As operating conditions change such as the flow rates of the phases, the pipe diameter and physical properties of the fluids, different configurations called flow patterns take place. In the case of oil production, the most frequent pattern found is slug flow, in which continuous liquid plugs (liquid slugs) and gas-dominated regions (elongated bubbles) alternate. Offshore scenarios where the pipe lies onto the seabed with slight changes of direction are extremely common. With those scenarios and issues in mind, this work presents an experimental study of two-phase gas-liquid slug flows in a duct with a slight change of direction, represented by a horizontal section followed by a downward sloping pipe stretch. The experiments were carried out at NUEM (Núcleo de Escoamentos Multifásicos UTFPR). The flow initiated and developed under controlled conditions and their characteristic parameters were measured with resistive sensors installed at four pipe sections. Two high-speed cameras were also used. With the measured results, it was evaluated the influence of a slight direction change on the slug flow structures and on the transition between slug flow and stratified flow in the downward section.