Fluxo de fluído através de um meio poroso fractal desordenado. Análise das tensões de cisalhamento e efeito de escala na estimativa das forças viscosas

In this work we have investigated some aspects of the two-dimensional flow of a viscous Newtonian fluid through a disordered porous medium modeled by a random fractal system similar to the Sierpinski carpet. This fractal is formed by obstacles of various sizes, whose distribution function follows a power law. They are randomly disposed in a rectangular channel. The velocity field and other details of fluid dynamics are obtained by solving numerically of the Navier-Stokes and continuity equations at the pore level, where occurs actually the flow of fluids in porous media. The results of numerical simulations allowed us to analyze the distribution of shear stresses developed in the solid-fluid interfaces, and find algebraic relations between the viscous forces or of friction with the geometric parameters of the model, including its fractal dimension. Based on the numerical results, we proposed scaling relations involving the relevant parameters of the phenomenon, allowing quantifying the fractions of these forces with respect to size classes of obstacles. Finally, it was also possible to make inferences about the fluctuations in the form of the distribution of viscous stresses developed on the surface of obstacles.

Novel double-sided linear generator for the wave energy conversion

The direct drive point absorber is a robust and efficient system for wave energy harvesting, where the linear generator represents the most complex part of the system. Therefore, its design and optimization are crucial tasks. The tubular shape of a linear generator’s magnetic circuit offers better permanent magnet flux encapsulation and reduction in radial forces on the translator due to its symmetry. A double stator topology can improve the power density of the linear tubular machine. Common designs employ a set of aligned stators on each side of a translator with radially magnetized permanent magnets. Such designs require doubling the amount of permanent magnet material and lead to an increase in the cogging force. The design presented in this thesis utilizes a translator with buried axially magnetized magnets and axially shifted positioning of the two stators such that no additional magnetic material, compared to single side machine, is required. In addition to the conservation of magnetic material, a significant improvement in the cogging force occurs in the two phase topology, while the double sided three phase system produces more power at the cost of a small increase in the cogging force. The analytical and the FEM models of the generator are described and their results compared to the experimental results. In general, the experimental results compare favourably with theoretical predictions. However, the experimentally observed permanent magnet flux leakage in the double sided machine is larger than predicted theoretically, which can be justified by the limitations in the prototype fabrication and resulting deviations from the theoretical analysis.

Caracterização e avaliação da atividade fotocatalítica de catalisadores baseados no TiO2, sintetizados mediante hidrólise em uma mistura de solventes

This study involved the synthesis of photocatalysts based on titanium dioxide (TiO2). The photocatalysts were synthesized by the sol-gel method using three different proportions of acetone (25%, 50% and 75% v/v) in water/acetone mixtures, in order to control the hydrolysis of the precursor of titanium (titanium tetraisopropoxide). Aiming to investigate the structural, morphological and electronic changes provoked by the use of the solvent mixtures, different methodologies were used to characterize the oxides, such as X-ray diffraction (XRD), RAMAN spectroscopy, UV-Vis diffuse reflectance spectroscopy, and measurements of specific surface area (BET). XRD combined to RAMAN analyses revealed that the products are two-phase highly crystalline oxides involving anatase as main phase and brookite. Besides, the refined XRD using the method of Rietveld demonstrated that the presence of acetone during the synthesis influenced in the composition of the crystalline phases, increasing the proportion of the brookite phase between 13 and 22%. The band gap energy of these oxides practically did not suffer changes as function of the synthesis conditions. As shown by the isotherm, these photocatalysts are mesoporous materials with mean diameter of pores of 7 nm and approximately 20% of porosity. The surface area of the oxides prepared by hydrolysis in presence of acetone was 12% higher compared to the bare oxide. After characterized, these oxides had their photocatalytic activities evaluated by photodegradation of the azo dyes Ponceau 4R (P4R), Tartrazine (TTZ) and Reactive Red 120 (RR120), and also by the ability to mediate the photocatalytic production of hydrogen. Using the most efficient photocatalyst, the mineralization achieved for the dyes P4R, RR120 and TTZ was of respectively 83%, 79% and 56% in 120 minutes of reaction, while the discoloration of P4R e RR120 reached 100% and 94% for TTZ. In addition, the same photocatalyst in the presence of 0.5% w/w of Platinum and suspended in a 5:1 v/v water/methanol mixture, produced 56 mmol of gaseous hydrogen in five hours of experiment, corresponding to a specific rate of hydrogen production of 139.5 mmol h-1 g-1.

Automatic maintenance of category hierarchy

Category hierarchy is an abstraction mechanism for efficiently managing large-scale resources. In an open environment, a category hierarchy will inevitably become inappropriate for managing resources that constantly change with unpredictable pattern. An inappropriate category hierarchy will mislead the management of resources. The increasing dynamicity and scale of online resources increase the requirement of automatically maintaining category hierarchy. Previous studies about category hierarchy mainly focus on either the generation of category hierarchy or the classification of resources under a pre-defined category hierarchy. The automatic maintenance of category hierarchy has been neglected. Making abstraction among categories and measuring the similarity between categories are two basic behaviours to generate a category hierarchy. Humans are good at making abstraction but limited in ability to calculate the similarities between large-scale resources. Computing models are good at calculating the similarities between large-scale resources but limited in ability to make abstraction. To take both advantages of human view and computing ability, this paper proposes a two-phase approach to automatically maintaining category hierarchy within two scales by detecting the internal pattern change of categories. The global phase clusters resources to generate a reference category hierarchy and gets similarity between categories to detect inappropriate categories in the initial category hierarchy. The accuracy of the clustering approaches in generating category hierarchy determines the rationality of the global maintenance. The local phase detects topical changes and then adjusts inappropriate categories with three local operations. The global phase can quickly target inappropriate categories top-down and carry out cross-branch adjustment, which can also accelerate the local-phase adjustments. The local phase detects and adjusts the local-range inappropriate categories that are not adjusted in the global phase. By incorporating the two complementary phase adjustments, the approach can significantly improve the topical cohesion and accuracy of category hierarchy. A new measure is proposed for evaluating category hierarchy considering not only the balance of the hierarchical structure but also the accuracy of classification. Experiments show that the proposed approach is feasible and effective to adjust inappropriate category hierarchy. The proposed approach can be used to maintain the category hierarchy for managing various resources in dynamic application environment. It also provides an approach to specialize the current online category hierarchy to organize resources with more specific categories.

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.

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.

The FIREDASS (Fire Detection and Suppression Simulation) Model

The FIREDASS (FIRE Detection And Suppression Simulation) project is concerned with the development of fine water mist systems as a possible replacement for the halon fire suppression system currently used in aircraft cargo holds. The project is funded by the European Commission, under the BRITE EURAM programme. The FIREDASS consortium is made up of a combination of Industrial, Academic, Research and Regulatory partners. As part of this programme of work, a computational model has been developed to help engineers optimise the design of the water mist suppression system. This computational model is based on Computational Fluid Dynamics (CFD) and is composed of the following components: fire model; mist model; two-phase radiation model; suppression model and detector/activation model. The fire model - developed by the University of Greenwich - uses prescribed release rates for heat and gaseous combustion products to represent the fire load. Typical release rates have been determined through experimentation conducted by SINTEF. The mist model - developed by the University of Greenwich - is a Lagrangian particle tracking procedure that is fully coupled to both the gas phase and the radiation field. The radiation model - developed by the National Technical University of Athens - is described using a six-flux radiation model. The suppression model - developed by SINTEF and the University of Greenwich - is based on an extinguishment crietrion that relies on oxygen concentration and temperature. The detector/ activation model - developed by Cerberus - allows the configuration of many different detector and mist configurations to be tested within the computational model. These sub-models have been integrated by the University of Greenwich into the FIREDASS software package. The model has been validated using data from the SINTEF/GEC test campaigns and it has been found that the computational model gives good agreement with these experimental results. The best agreement is obtained at the ceiling which is where the detectors and misting nozzles would be located in a real system. In this paper the model is briefly described and some results from the validation of the fire and mist model are presented.

Modulateurs intégrés sur silicium pour la transmission de signaux à modulation d'amplitude multi-niveau

Au cours des dernières années, la photonique intégrée sur silicium a progressé rapidement. Les modulateurs issus de cette technologie présentent des caractéristiques potentiellement intéressantes pour les systèmes de communication à courte portée. En effet, il est prévu que ces modulateurs pourront être opérés à des vitesses de transmission élevées, tout en limitant le coût de fabrication et la consommation de puissance. Parallèlement, la modulation d’amplitude multi-niveau (PAM) est prometteuse pour ce type de systèmes. Ainsi, ce travail porte sur le développement de modulateurs de silicium pour la transmission de signaux PAM. Dans le premier chapitre, les concepts théoriques nécessaires à la conception de modulateurs de silicium sont présentés. Les modulateurs Mach-Zehnder et les modulateurs à base de réseau de Bragg sont principalement abordés. De plus, les effets électro-optiques dans le silicium, la modulation PAM, les différents types d’électrodes intégrées et la compensation des distorsions par traitement du signal sont détaillés.Dans le deuxième chapitre, un modulateur Mach-Zehnder aux électrodes segmentées est présenté. La segmentation des électrodes permet la génération de signaux optiques PAM à partir de séquences binaires. Cette approche permet d’éliminer l’utilisation de convertisseur numérique-analogique en intégrant cette fonction dans le domaine optique, ce qui vise à réduire le coût du système de communication. Ce chapitre contient la description détaillée du modulateur, les résultats de caractérisation optique et de la caractérisation électrique, ainsi que les tests systèmes. De plus, les tests systèmes incluent l’utilisation de pré-compensation ou de post-compensation du signal sous la forme d’égalisation de la réponse en fréquence pour les formats de modulation PAM-4 et PAM-8 à différents taux binaires. Une vitesse de transmission de 30 Gb/s est démontrée dans les deux cas et ce malgré une limitation importante de la réponse en fréquence suite à l’ajout d’un assemblage des circuits radiofréquences (largeur de bande 3 dB de 8 GHz). Il s’agit de la première démonstration de modulation PAM-8 à l’aide d’un modulateur Mach-Zehnder aux électrodes segmentées. Finalement, les conclusions tirées de ce travail ont mené à la conception d’un deuxième modulateur Mach-Zehnder aux électrodes segmentées présentement en phase de test, dont les performances montrent un très grand potentiel. Dans le troisième chapitre, un modulateur à réseau de Bragg à deux sauts de phase est présenté. L’utilisation de réseaux de Bragg est une approche encore peu développée pour la modulation. En effet, la réponse spectrale de ces structures peut être contrôlée précisément, une caractéristique intéressante pour la conception de modulateurs. Dans ces travaux, nous proposons l’ajout de deux sauts de phase à un réseau de Bragg uniforme pour obtenir un pic de transmission dans la bande de réflexion de celui-ci. Ainsi, il est possible d’altérer l’amplitude du pic de transmission à l’aide d’une jonction pn. Comme pour le deuxième chapitre, ce chapitre inclut la description détaillée du modulateur, les résultats des caractérisations optique et électrique, ainsi que les tests systèmes. De plus, la caractérisation de jonctions pn à l’aide du modulateur à réseau de Bragg est expliquée. Des vitesses de transmission PAM-4 de 60 Gb/s et OOK de 55 Gb/s sont démontrées après la compensation des distorsions des signaux. À notre connaissance, il s’agit du modulateur à réseau de Bragg le plus rapide à ce jour. De plus, pour la première fois, les performances d’un tel modulateur s’approchent de celles des modulateurs de silicium les plus rapides utilisant des microrésonateurs en anneau ou des interféromètres Mach-Zehnder.

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.

Avaliação da interação entre aflatoxina M1 e B1 com a fração proteica do leite

Dissertação composta por 02 artigos.