Unstructured staggered mesh methods for fluid flow, heat transfer and phase change

Unstructured grid meshes used in most commercial CFD codes inevitably adopt collocated variable solution schemes. These schemes have several shortcomings, mainly due to the interpolation of the pressure gradient, that lead to slow convergence. In this publication we show how it is possible to use a much more stable staggered mesh arrangement in an unstructured code. Several alternative groupings of variables are investigated in a search for the optimum scheme.

Time dependent electric, magnetic and hydrodynamic interaction in aluminium electrolysis cells

The waves in commercial cells for electrolytic aluminium production originate at the interface between the liquid aluminium and electrolyte, but their effect can spread into the surrounding busbar network as electric current perturbation, and the total magnetic field acquires a time dependent component. The presented model for the wave development accounts for the nonuniform electric current distribution at the cathode and the whole network of the surrounding busbars. The magnetic field is computed for the continuous current in the fluid zones, all busbars and the ferromagnetic construction elements. When the electric current and the associated magnetic field are computed according to the actual electrical circuit and updated for all times, the instability growth rate is significantly affected. The presented numerical model for the wave and electromagnetic interaction demonstrates how different physical coupling factors are affecting the wave development in the electrolysis cells. These small amplitude self-sustained interface oscillations are damped in the presence of intense turbulent viscosity created by the horizontal circulation velocity field. Additionally, the horizontal circulation vortices create a pressure gradient contributing to the deformation of the interface. Instructive examples for the 500 kA demonstration cell are presented.

Modelling Transition Due to Backward Facing Steps Using the Laminar Kinetic Energy Concept

Boundary layer transition estimation and modelling is essential for the design of many engineering products across many industries. In this paper, the Reynolds-averaged Navier–Stokes are solved in conjunction with three additional transport equations to model and predict boundary layer transition. The transition model (referred to as the kTkT–kLkL–ωω model) is based on the kk–ωω framework with an additional transport equation to incorporate the effects low-frequency flow oscillations in the form of a laminar kinetic energy (kLkL). Firstly, a number of rectifications are made to the original kTkT–kLkL–ωω framework in order to ensure an appropriate response to the free-stream turbulence level and to improve near wall predictions. Additionally, the model is extended to incorporate the capability to model transition due to surface irregularities in the form of backward-facing steps with maximum non-dimensional step sizes of approximately 1.5 times the local displacement thickness of the boundary layer where the irregularity is located (i.e k/δ∗⪅1.5k/δ∗⪅1.5) at upstream turbulence intensities in the range 0.01<Tu(%)<0.80.01<Tu(%)<0.8. A novel function is proposed to incorporate transition sensitivity due to aft-facing steps. This paper details the rationale behind the development of this new function and demonstrates its suitability for transition onset estimation on a flat plate at zero pressure gradient.

TAP Reactor Development and Application in the Kinetic Characterization of Catalysts for Heterogeneously Catalyzed Gas Phase Reactions

This manuscript describes the application and further development of the TAP technique in kinetic characterization of heterogeneous catalysis. The major application of TAP systems is to study mechanisms, kinetics and transport phenomena in heterogeneous catalysis, all of which is made possible by the sub-millisecond time resolution. Furthermore, the kinetic information obtained can be used to gain an insight into the mechanism occurring over the catalyst system. This is advantageous as heterogeneous catalysts with an improved efficiency can be developed as a result. TAP kinetic studies are carried out at low pressure (~1x10-7 mbar) and TAP pulses are sufficiently small (1013-1015 molecules) so as to maintain this low pressure. The use of a small number of molecules in comparison to the total number of active sites means the state of the catalyst remains relatively unchanged. The use of the low intensity pulses also makes the pressure gradient negligible and so allows the TAP reactor system to operate in the Knudsen Diffusion regime, where gas-gas reactions are eliminated. Hence only gas-catalyst reactions are investigated and, by the use of moment analysis of observed exit flow, rate constants of elementary steps of the reaction can be obtained.

In this manuscript, two attempts to further the TAP technique are reported. Firstly, the work undertaken at QUB to attempt to control the number of molecules of condensable reagents that can be pulsed during a TAP pulse experiment is disclosed. Secondly, a collaborative project with SAI Ltd Manchester is discussed in a separate chapter, where technical details and validation of a customised time of flight mass spectrometer (ToF MS) for the QUB TAP-1 system are reported. A collaborative project with Cardiff Catalysis Institute focusing on the study of CO oxidation over hopcalite catalysts is also reported. The analysis of the experimental results has provided an insight into the possible mechanism of the oxidation of CO over these catalysts. A correction function has also been derived which accounts for the adsorption of reactant molecules over inert materials that are used for the reactor packing in TAP experiments. This function was then applied to the selective reduction of O2 in a H2 rich ethene feed, so that more accurate TAP moment based analysis could be conducted.

Cumulus momentum fluxes in cloud-resolving model simulations of toga-coare

O objectivo deste trabalho científico é o estudo do transporte vertical de momento linear horizontal (CMT) realizado por sistemas de nuvens de convecção profunda sobre o oceano tropical. Para realizar este estudo, foram utilizadas simulações tridimensionais produzidas por um modelo explícito de nuvens (CRM) para os quatro meses de duração da campanha observacional TOGA COARE que ocorreu sobre as águas quentes do Pacífico ocidental. O estudo foca essencialmente as características estatísticas e à escala da nuvem do CMT durante um episódio de fortes ventos de oeste e durante um período de tempo maior que incluí este evento de convecção profunda. As distribuições verticais e altitude-temporais de campos atmosféricos relacionados com o CMT são avaliadas relativamente aos campos observacionais disponíveis, mostrando um bom acordo com os resultados de estudos anteriores, confirmando assim a boa qualidade das primeiras e fornecendo a confiança necessária para continuar a investigação. A sensibilidade do CMT em relação do domínio espacial do model é analisada, utilizando dois tipos de simulações tridimensionais produzidas por domínios horizontais de diferente dimensão, sugerindo que o CMT não depende da dimensão do domínio espacial horizontal escolhido para simular esta variável. A capacidade da parameterização do comprimento de mistura simular o CMT é testada, destacando as regiões troposféricas onde os fluxos de momento linear horizontal são no sentido do gradiente ou contra o gradiente. Os fluxos no sentido do gradiente apresentam-se relacionados a uma fraca correlação entre os campos atmosféricos que caracterizam esta parameterização, sugerindo que as formulações dos fluxos de massa dentro da nuvem e o fenómeno de arrastamento do ar para dentro da nuvem devem ser revistos. A importância do ar saturado e não saturado para o CMT é estudada com o objectivo de alcançar um melhor entendimento acerca dos mecanismos físicos responsáveis pelo CMT. O ar não saturado e saturado na forma de correntes descendentes contribuem de forma determinante para o CMT e deverão ser considerados em futuras parameterizações do CMT e da convecção em nuvens cumulus. Métodos de agrupamento foram aplicados às contribuições do ar saturado e não saturado, analisando os campos da força de flutuação e da velocidade vertical da partícula de ar, concluindo-se a presença de ondas gravíticas internas como mecanismo responsável pelo ar não saturado. A força do gradiente de pressão dentro da nuvem é também avaliada, utilizando para este efeito a fórmula teórica proposta por Gregory et al. (1997). Uma boa correlação entre esta força e o produto entre efeito de cisalhamento do vento e a perturbação da velocidade vertical é registada, principalmente para as correntes ascendentes dentro da nuvem durante o episódio de convecção profunda. No entanto, o valor ideal para o coeficiente empírico c*, que caracteriza a influência da força do gradiente de pressão dentro da nuvem sobre a variação vertical da velocidade horizontal dentro da nuvem, não é satisfatoriamente alcançado. Bons resultados são alcançados através do teste feito à aproximação do fluxo de massa proposta por Kershaw e Gregory (1997) para o cálculo do CMT total, revelando mais uma vez a importância do ar não saturado para o CMT.

Climatology of the Iberia coastal low-level wind jet: weather research forecasting model high-resolution results

Coastal low-level jets (CLLJ) are a low-tropospheric wind feature driven by the pressure gradient produced by a sharp contrast between high temperatures over land and lower temperatures over the sea. This contrast between the cold ocean and the warm land in the summer is intensified by the impact of the coastal parallel winds on the ocean generating upwelling currents, sharpening the temperature gradient close to the coast and giving rise to strong baroclinic structures at the coast. During summertime, the Iberian Peninsula is often under the effect of the Azores High and of a thermal low pressure system inland, leading to a seasonal wind, in the west coast, called the Nortada (northerly wind). This study presents a regional climatology of the CLLJ off the west coast of the Iberian Peninsula, based on a 9km resolution downscaling dataset, produced using the Weather Research and Forecasting (WRF) mesoscale model, forced by 19 years of ERA-Interim reanalysis (1989-2007). The simulation results show that the jet hourly frequency of occurrence in the summer is above 30% and decreases to about 10% during spring and autumn. The monthly frequencies of occurrence can reach higher values, around 40% in summer months, and reveal large inter-annual variability in all three seasons. In the summer, at a daily base, the CLLJ is present in almost 70% of the days. The CLLJ wind direction is mostly from north-northeasterly and occurs more persistently in three areas where the interaction of the jet flow with local capes and headlands is more pronounced. The coastal jets in this area occur at heights between 300 and 400 m, and its speed has a mean around 15 m/s, reaching maximum speeds of 25 m/s.

Remote control of pulmonary blood flow: a dream comes true.

The indication for pulmonary artery banding is currently limited by several factors. Previous attempts have failed to produce adjustable pulmonary artery banding with reliable external regulation. An implantable, telemetrically controlled, battery-free device (FloWatch) developed by EndoArt SA, a medical company established in Lausanne, Switzerland, for externally adjustable pulmonary artery banding was evaluated on minipigs and proved to be effective for up to 6 months. The first human implant was performed on a girl with complete atrioventricular septal defect with unbalanced ventricles, large patent ductus arteriosus and pulmonary hypertension. At one month of age she underwent closure of the patent ductus arteriosus and FloWatch implantation around the pulmonary artery through conventional left thoracotomy. The surgical procedure was rapid and uneventful. During the entire postoperative period bedside adjustments (narrowing or release of pulmonary artery banding with echocardiographic assessment) were repeatedly required to maintain an adequate pressure gradient. The early clinical results demonstrated the clinical benefits of unlimited external telemetric adjustments. The next step will be a multi-centre clinical trial to confirm the early results and adapt therapeutic strategies to this promising technology.

Analysis of the esophagogastric junction using the 3D high resolution manometry

Contexte & Objectifs : La manométrie perfusée conventionnelle et la manométrie haute résolution (HRM) ont permis le développement d’une variété de paramètres pour mieux comprendre la motilité de l'œsophage et quantifier les caractéristiques de la jonction œsophago-gastrique (JOG). Cependant, l'anatomie de la JOG est complexe et les enregistrements de manométrie détectent à la fois la pression des structures intrinsèques et des structures extrinsèques à l'œsophage. Ces différents composants ont des rôles distincts au niveau de la JOG. Les pressions dominantes ainsi détectées au niveau de la JOG sont attribuables au sphincter œsophagien inférieur (SOI) et aux piliers du diaphragme (CD), mais aucune des technologies manométriques actuelles n’est capable de distinguer ces différents composants de la JOG. Lorsqu’on analyse les caractéristiques de la JOG au repos, celle ci se comporte avant tout comme une barrière antireflux. Les paramètres manométriques les plus couramment utilisés dans ce but sont la longueur de la JOG et le point d’inversion respiratoire (RIP), défini comme le lieu où le pic de la courbe de pression inspiratoire change de positif (dans l’abdomen) à négatif (dans le thorax), lors de la classique manœuvre de « pull-through ». Cependant, l'importance de ces mesures reste marginale comme en témoigne une récente prise de position de l’American Gastroenterology Association Institute (AGAI) (1) qui concluait que « le rôle actuel de la manométrie dans le reflux gastro-œsophagien (RGO) est d'exclure les troubles moteurs comme cause des symptômes présentés par la patient ». Lors de la déglutition, la mesure objective de la relaxation de la JOG est la pression de relaxation intégrée (IRP), qui permet de faire la distinction entre une relaxation normale et une relaxation anormale de la JOG. Toutefois, puisque la HRM utilise des pressions moyennes à chaque niveau de capteurs, certaines études de manométrie laissent suggérer qu’il existe une zone de haute pression persistante au niveau de la JOG même si un transit est mis en évidence en vidéofluoroscopie. Récemment, la manométrie haute résolution « 3D » (3D-HRM) a été développée (Given Imaging, Duluth, GA) avec le potentiel de simplifier l'évaluation de la morphologie et de la physiologie de la JOG. Le segment « 3D » de ce cathéter de HRM permet l'enregistrement de la pression à la fois de façon axiale et radiale tout en maintenant une position fixe de la sonde, et évitant ainsi la manœuvre de « pull-through ». Par conséquent, la 3D-HRM devrait permettre la mesure de paramètres importants de la JOG tels que sa longueur et le RIP. Les données extraites de l'enregistrement fait par 3D-HRM permettraient également de différencier les signaux de pression attribuables au SOI des éléments qui l’entourent. De plus, l’enregistrement des pressions de façon radiaire permettrait d’enregistrer la pression minimale de chaque niveau de capteurs et devrait corriger cette zone de haute pression parfois persistante lors la déglutition. Ainsi, les objectifs de ce travail étaient: 1) de décrire la morphologie de la JOG au repos en tant que barrière antireflux, en comparant les mesures effectuées avec la 3D-HRM en temps réel, par rapport à celle simulées lors d’une manœuvre de « pull-through » et de déterminer quelles sont les signatures des pressions attribuables au SOI et au diaphragme; 2) d’évaluer la relaxation de la JOG pendant la déglutition en testant l'hypothèse selon laquelle la 3D-HRM permet le développement d’un nouveau paradigme (appelé « 3D eSleeve ») pour le calcul de l’IRP, fondé sur l’utilisation de la pression radiale minimale à chaque niveau de capteur de pression le long de la JOG. Ce nouveau paradigme sera comparé à une étude de transit en vidéofluoroscopie pour évaluer le gradient de pression à travers la JOG. Méthodes : Nous avons utilisé un cathéter 3D-HRM, qui incorpore un segment dit « 3D » de 9 cm au sein d’un cathéter HRM par ailleurs standard. Le segment 3D est composé de 12 niveaux (espacés de 7.5mm) de 8 capteurs de pression disposés radialement, soit un total de 96 capteurs. Neuf volontaires ont été étudiés au repos, où des enregistrements ont été effectués en temps réel et pendant une manœuvre de « pull-through » du segment 3D (mobilisation successive du cathéter de 5 mm, pour que le segment 3D se déplace le long de la JOG). Les mesures de la longueur du SOI et la détermination du RIP ont été réalisées. La longueur de la JOG a été mesurée lors du « pull-through » en utilisant 4 capteurs du segment 3D dispersés radialement et les marges de la JOG ont été définies par une augmentation de la pression de 2 mmHg par rapport à la pression gastrique ou de l’œsophage. Pour le calcul en temps réel, les limites distale et proximale de la JOG ont été définies par une augmentation de pression circonférentielle de 2 mmHg par rapport à la pression de l'estomac. Le RIP a été déterminée, A) dans le mode de tracé conventionnel avec la méthode du « pull-through » [le RIP est la valeur moyenne de 4 mesures] et B) en position fixe, dans le mode de représentation topographique de la pression de l’œsophage, en utilisant l’outil logiciel pour déterminer le point d'inversion de la pression (PIP). Pour l'étude de la relaxation de la JOG lors de la déglutition, 25 volontaires ont été étudiés et ont subi 3 études de manométrie (10 déglutitions de 5ml d’eau) en position couchée avec un cathéter HRM standard et un cathéter 3D-HRM. Avec la 3D-HRM, l’analyse a été effectuée une fois avec le segment 3D et une fois avec une partie non 3D du cathéter (capteurs standard de HRM). Ainsi, pour chaque individu, l'IRP a été calculée de quatre façons: 1) avec la méthode conventionnelle en utilisant le cathéter HRM standard, 2) avec la méthode conventionnelle en utilisant le segment standard du cathéter 3D-HRM, 3) avec la méthode conventionnelle en utilisant le segment « 3D » du cathéter 3D-HRM, et 4) avec le nouveau paradigme (3D eSleeve) qui recueille la pression minimale de chaque niveau de capteurs (segment 3D). Quatorze autres sujets ont subi une vidéofluoroscopie simultanée à l’étude de manométrie avec le cathéter 3D-HRM. Les données de pression ont été exportés vers MATLAB ™ et quatre pressions ont été mesurées simultanément : 1) la pression du corps de l’œsophage, 2cm au-dessus de la JOG, 2) la pression intragastrique, 3) la pression radiale moyenne de la JOG (pression du eSleeve) et 4) la pression de la JOG en utilisant la pression minimale de chaque niveau de capteurs (pression du 3D eSleeve). Ces données ont permis de déterminer le temps permissif d'écoulement du bolus (FPT), caractérisé par la période au cours de laquelle un gradient de pression existe à travers la JOG (pression œsophagienne > pression de relaxation de la JOG > pression gastrique). La présence ou l'absence du bolus en vidéofluoroscopie et le FPT ont été codés avec des valeurs dichotomiques pour chaque période de 0,1 s. Nous avons alors calculé la sensibilité et la spécificité correspondant à la valeur du FPT pour la pression du eSleeve et pour la pression du 3D eSleeve, avec la vidéofluoroscopie pour référence. Résultats : Les enregistrements avec la 3D-HRM laissent suggérer que la longueur du sphincter évaluée avec la méthode du « pull-through » était grandement exagéré en incorporant dans la mesure du SOI les signaux de pression extrinsèques à l’œsophage, asymétriques et attribuables aux piliers du diaphragme et aux structures vasculaires. L’enregistrement en temps réel a permis de constater que les principaux constituants de la pression de la JOG au repos étaient attribuables au diaphragme. L’IRP calculé avec le nouveau paradigme 3D eSleeve était significativement inférieur à tous les autres calculs d'IRP avec une limite supérieure de la normale de 12 mmHg contre 17 mmHg pour l’IRP calculé avec la HRM standard. La sensibilité (0,78) et la spécificité (0,88) du 3D eSleeve étaient meilleurs que le eSleeve standard (0,55 et 0,85 respectivement) pour prédire le FPT par rapport à la vidéofluoroscopie. Discussion et conclusion : Nos observations suggèrent que la 3D-HRM permet l'enregistrement en temps réel des attributs de la JOG, facilitant l'analyse des constituants responsables de sa fonction au repos en tant que barrière antireflux. La résolution spatiale axiale et radiale du segment « 3D » pourrait permettre de poursuivre cette étude pour quantifier les signaux de pression de la JOG attribuable au SOI et aux structures extrinsèques (diaphragme et artéfacts vasculaires). Ces attributs du cathéter 3D-HRM suggèrent qu'il s'agit d'un nouvel outil prometteur pour l'étude de la physiopathologie du RGO. Au cours de la déglutition, nous avons évalué la faisabilité d’améliorer la mesure de l’IRP en utilisant ce nouveau cathéter de manométrie 3D avec un nouveau paradigme (3D eSleeve) basé sur l’utilisation de la pression radiale minimale à chaque niveau de capteurs de pression. Nos résultats suggèrent que cette approche est plus précise que celle de la manométrie haute résolution standard. La 3D-HRM devrait certainement améliorer la précision des mesures de relaxation de la JOG et cela devrait avoir un impact sur la recherche pour modéliser la JOG au cours de la déglutition et dans le RGO.

Altérations de la repolarisation ventriculaire induites par l’exercice dans la sténose congénitale modérée de la valve aortique

Introduction: La surcharge de pression ventriculaire augmente à l’exercice chez les patients avec une sténose de valve aortique (SVA). Lorsqu’il n’y a aucun symptôme apparent, il est cependant difficile d’indiquer l’intervention chirurgicale en utilisant seulement les indices de surcharge de pression ventriculaire. D’autres paramètres, tels que la dispersion de la repolarisation ventriculaire (d-QT), qui augmentent avec le gradient de pression transvalvulaire (GPT), n’ont pas été étudiés dans la SVA. L’objectif de l’étude était de déterminer le modèle de réponse du segment QT et de la d-QT à l’épreuve d’effort chez des enfants avec une SVA congénitale modérée afin d’évaluer l’impact de la surcharge de pression ventriculaire selon une perspective électrophysiologique. Matériel et méthodes: 15 patients SVA modérés ont été comparés à 15 sujets contrôles appariés pour l’âge (14.8±2.5 ans vs. 14.2±1.5 ans) et pour le sexe (66,7% de sujets mâles). Tous les sujets ont fait une épreuve d’effort avec enregistrement électrocardiographique à 12 dérivations. Le segment QT a été mesuré à partir du début du complexe QRS jusqu’à l’apex de l’onde T (QTa) au repos, à l’effort maximal ainsi qu’après 1 et 3 minutes de récupération. La longueur du segment QT a été corrigée selon l’équation de Fridericia et la d-QT a été calculée. Résultats: La longueur du segment QT corrigée (QTc) était similaire au repos entre les groupes d’étude, mais était significativement élevée chez les SVA en comparaison avec le groupe contrôle à l’effort maximal (p=0.004) ainsi qu’après 1 (p<0.001) et 3 (p<0.001) minutes de récupération. Une interaction significative a été identifiée entre les groupes pour la d-QT (p=0.034) et les tests post hoc ont révélé une différence significative seulement au repos (p=0.001). Conclusions: Les anomalies de repolarisation ventriculaire peuvent être révélées par l’évaluation de la repolarisation électrique lors de l’épreuve d’effort chez les SVA modérées asymptomatiques. L’utilisation de la réponse du QT à l’effort pourrait être bénéfique pour l’optimisation de la stratification du risque chez ces patients.

Wechselwirkung von im NANOJET erzeugten Teilchen mit Polymeren und biologischen Objekten

Am Institut für Mikrostrukturtechnologie und Analytik wurde eine neue Technik entwickelt, die neue Anwendungen und Methoden der Mikro- und Nanostrukturierung auf Basis eines neuen Verfahrens erschlossen hat. NANOJET führt über die passive Rastersondenmikroskopie hinaus zu einem vielseitigen, aktiven Bearbeitungswerkzeug auf der Mikro- und Nanometerskala. NANOJET (NANOstructuring Downstream PlasmaJET) ist eine aktive Rasterkraft-Mikroskopie-Sonde. Radikale (chemisch aktive Teilchen, die ein ungepaartes Valenzelektron besitzen) strömen aus dem Ende einer ultradünnen, hohlen Rasterkraftmikroskop-Spitze. Dadurch wird es möglich, über die übliche passive Abtastung einer Probenoberfläche hinausgehend, diese simultan und in-situ durch chemische Reaktionen zu verändern. Die Abtragung von Material wird durch eine chemische Ätzreaktion erreicht. In dieser Arbeit wurde zum größten Teil Photoresist als Substrat für die Ätzexperimente verwendet. Für das Ätzen des Resists wurden die Atome des Fluors und des Sauerstoffs im Grundzustand als verantwortlich identifiziert. Durch Experimente und durch Ergänzung von Literaturdaten wurde die Annahme bestätigt, dass Sauerstoffradikale mit Unterstützung von Fluorradikalen für die hohen erzielten Ätzraten verantwortlich sind. Die Beimischung von Fluor in einem Sauerstoffplasma führt zu einer Verringerung der Aktivierungsenergie für die Ätzreaktion gegenüber Verwendung reinen Sauerstoffs. In weiterer Folge wurde ein Strukturierungsverfahren dargestellt. Hierbei wurden "geformte Kapillaren" (mikrostrukturierte Aperturen) eingesetzt. Die Herstellung der Aperturen erfolgte durch einen elektrochemischen Ätzstop-Prozess. Die typische Größe der unter Verwendung der "geformten Kapillaren" geätzten Strukturen entsprach den Kapillarenöffnungen. Es wurde ein Monte-Carlo Simulationsprogramm entwickelt, welches den Transport der reaktiven Teilchen in der langen Transportröhre simulierte. Es wurde sowohl die Transmission der Teilchen in der Transportröhre und der Kapillare als auch ihre Winkelverteilung nach dem Verlassen der Kapillare berechnet. Das Aspektverhältnis der Röhren hat dabei einen sehr starken Einfluss. Mit einem steigenden Aspektverhältnis nahm die Transmission exponentiell ab. Die geschaffene experimentelle Infrastruktur wurde genutzt, um auch biologische Objekte zu behandeln und zu untersuchen. Hierfür wurde eine neue Methodik entwickelt, die eine dreidimensionale Darstellung des Zellinneren erlaubt. Dies wurde durch die kontrollierte Abtragung von Material aus der Zellmembran durchgeführt. Die Abtragung der Zellmembran erfolgte mittels Sauerstoffradikalen, die durch eine hohle Spitze lokalisiert zum Ort der Reaktion transportiert wurden. Ein piezoresistiver Cantilever diente als Sensor in dem zur Bildgebung eingesetzten RKM. Das entwickelte Verfahren ermöglicht es nun erstmals, schonend Zellen zu öffnen und die innen liegenden Organellen weiter zu untersuchen. Als Nachweis für weitere Verwendungsmöglichkeiten des NANOJET-Verfahrens wurde auch Knochenmaterial behandelt. Die Ergebnisse dieser Experimente zeigen klar, dass das Verfahren für vielfältige biologische Materialien verwendbar ist und somit nun ein weiter Anwendungskreis in der Biologie und Medizin offen steht.

Numerical Simulation of Electroosmotic Flow with Step Change in Zeta Potential

Electroosmotic flow is a convenient mechanism for transporting polar fluid in a microfluidic device. The flow is generated through the application of an external electric field that acts on the free charges that exists in a thin Debye layer at the channel walls. The charge on the wall is due to the chemistry of the solid-fluid interface, and it can vary along the channel, e.g. due to modification of the wall. This investigation focuses on the simulation of the electroosmotic flow (EOF) profile in a cylindrical microchannel with step change in zeta potential. The modified Navier-Stoke equation governing the velocity field and a non-linear two-dimensional Poisson-Boltzmann equation governing the electrical double-layer (EDL) field distribution are solved numerically using finite control-volume method. Continuities of flow rate and electric current are enforced resulting in a non-uniform electrical field and pressure gradient distribution along the channel. The resulting parabolic velocity distribution at the junction of the step change in zeta potential, which is more typical of a pressure-driven velocity flow profile, is obtained.

Structure of turbulent flow over arrays of cubical roughness

The structure of turbulent flow over large roughness consisting of regular arrays of cubical obstacles is investigated numerically under constant pressure gradient conditions. Results are analysed in terms of first- and second-order statistics, by visualization of instantaneous flow fields and by conditional averaging. The accuracy of the simulations is established by detailed comparisons of first- and second-order statistics with wind-tunnel measurements. Coherent structures in the log region are investigated. Structure angles are computed from two-point correlations, and quadrant analysis is performed to determine the relative importance of Q2 and Q4 events (ejections and sweeps) as a function of height above the roughness. Flow visualization shows the existence of low-momentum regions (LMRs) as well as vortical structures throughout the log layer. Filtering techniques are used to reveal instantaneous examples of the association of the vortices with the LMRs, and linear stochastic estimation and conditional averaging are employed to deduce their statistical properties. The conditional averaging results reveal the presence of LMRs and regions of Q2 and Q4 events that appear to be associated with hairpin-like vortices, but a quantitative correspondence between the sizes of the vortices and those of the LMRs is difficult to establish; a simple estimate of the ratio of the vortex width to the LMR width gives a value that is several times larger than the corresponding ratio over smooth walls. The shape and inclination of the vortices and their spatial organization are compared to recent findings over smooth walls. Characteristic length scales are shown to scale linearly with height in the log region. Whilst there are striking qualitative similarities with smooth walls, there are also important differences in detail regarding: (i) structure angles and sizes and their dependence on distance from the rough surface; (ii) the flow structure close to the roughness; (iii) the roles of inflows into and outflows from cavities within the roughness; (iv) larger vortices on the rough wall compared to the smooth wall; (v) the effect of the different generation mechanism at the wall in setting the scales of structures.

On the long-term interannual variability of the east Asian winter monsoon

The East Asian Winter Monsoon (EAWM) and Siberian High (SH) are inherently related, based on prior studies of instrumental data available for recent decades (since 1958). Here we develop an extended instrumental EAWM index since 1871 that correlates significantly with the SH. These two indices show common modes of variation on the biennial (2-3 year) time scale. We also develop an index of the pressure gradient between the SH and the Aleutian Low, a gradient which critically impacts EAWM variability. This difference series, based on tree-ring reconstructions of the SH and the North Pacific Index (NPI) over the past 400 years, shows that the weakening of this gradient in recent decades has not been unusual in a long-term context. Correlations between the SH series and a tree-ring reconstruction of the El Nino-Southern Oscillation (ENSO) suggest a variable tropical-higher latitude teleconnection.

Trends in aerosol optical depth in the Russian Arctic and their links with synoptic climatology

Temporal and spatial variability of aerosol optical depth (AOD) are examined using observations of direct solar radiation in the Eurasian Arctic for 1940-1990. AOD is estimated using empirical methods for 14 stations located between 66.2 degrees N and 80.6 degrees N, from the Kara Sea to the Chukchi Sea. While AOD exhibits a well-known springtime maximum and summertime minimum at all stations, atmospheric turbidity is higher in spring in the western (Kara-Laptev) part of the Eurasian Arctic. Between June and August, the eastern (East Siberian-Chukchi) sector experiences higher transparency than the western part. A statistically significant positive trend in AOD was observed in the Kara-Laptev sector between the late 1950s and the early 1930s predominantly in spring when pollution-derived aerosol dominates the Arctic atmosphere but not in the eastern sector. Although all stations are remote, those with positive trends are located closer to the anthropogenic sources of air pollution. By contrast, a widespread decline in AOD was observed between 1982 and 1990 in the eastern Arctic in spring but was limited to two sites in the western Arctic. These results suggest that the post-1982 decline in anthropogenic emissions in Europe and the former Soviet Union has had a limited effect on aerosol load in the Arctic. The post-1982 negative trends in AOD in summer, when marine aerosol is present in the atmosphere, were more common in the west. The relationships between AOD and atmospheric circulation are examined using a synoptic climatology approach. In spring, AOD depends primarily on the strength and direction of air flow. Thus strong westerly and northerly flows result in low AOD values in the East Siberian-Chukchi sector. By contrast, strong southerly flow associated with the passage of depressions results in high A OD in the Kara-Laptev sector and trajectory analysis points to the contribution of industrial regions of the sub-Arctic. In summer, low pressure gradient or anticyclonic conditions result in high atmospheric turbidity. The frequency of this weather type has declined significantly since the early 1980s in the Kara-Laptev sector, which partly explains the decline in summer AOD values. (c) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

Diagnosis of variability and trends in a global precipitation dataset using a physically motivated statistical model

A physically motivated statistical model is used to diagnose variability and trends in wintertime ( October - March) Global Precipitation Climatology Project (GPCP) pentad (5-day mean) precipitation. Quasi-geostrophic theory suggests that extratropical precipitation amounts should depend multiplicatively on the pressure gradient, saturation specific humidity, and the meridional temperature gradient. This physical insight has been used to guide the development of a suitable statistical model for precipitation using a mixture of generalized linear models: a logistic model for the binary occurrence of precipitation and a Gamma distribution model for the wet day precipitation amount. The statistical model allows for the investigation of the role of each factor in determining variations and long-term trends. Saturation specific humidity q(s) has a generally negative effect on global precipitation occurrence and with the tropical wet pentad precipitation amount, but has a positive relationship with the pentad precipitation amount at mid- and high latitudes. The North Atlantic Oscillation, a proxy for the meridional temperature gradient, is also found to have a statistically significant positive effect on precipitation over much of the Atlantic region. Residual time trends in wet pentad precipitation are extremely sensitive to the choice of the wet pentad threshold because of increasing trends in low-amplitude precipitation pentads; too low a choice of threshold can lead to a spurious decreasing trend in wet pentad precipitation amounts. However, for not too small thresholds, it is found that the meridional temperature gradient is an important factor for explaining part of the long-term trend in Atlantic precipitation.