Dissertations / Theses on the topic 'VGF method'

Bei der Kristallzüchtung insbesondere von Halbleitern hat die Form des freien Randes (dem Interface zwischen fester und flüssiger Phase) einen starken Einfluss auf die Qualität des Kristalls. Die Dissertation befasst sich mit der Optimalsteuerung der Form und des Verlaufs des freien Randes. Als Vorlage für die in der Arbeit betrachteten Modellkonfigurationen dient das VGF-Verfahren (Vertical Gradient Freeze). Der Erstarrungsprozess wird durch ein Zweiphasen-Stefan-Problem mit durch Konvektion und Lorentzkräfte getriebener Strömung beschrieben. Der freie Rand wird als Graph formuliert. Das Kontrollziel besteht in der Ansteuerung eines gewünschten Verlaufs des freien Randes. Als Kontrollgrößen dient die Temperatur auf der Wand des Schmelztiegels und/oder wandnahe oder verteilte Lorentzkräfte. Das Kontrollziel wird durch Minimierung eines geeigneten Kosten-Funktionals erreicht. Das daraus resultierende Minimierungsproblem wird mit einem Adjungierten-Ansatz gelöst. Anhand numerischer Experimente mit Aluminium und Gallium-Arsenid Schmelzen wird gezeigt, das das vorgestellte Verfahren gut funktioniert.

Bei der Kristallzüchtung insbesondere von Halbleitern hat die Form des freien Randes (dem Interface zwischen fester und flüssiger Phase) einen starken Einfluss auf die Qualität des Kristalls. Die Dissertation befasst sich mit der Optimalsteuerung der Form und des Verlaufs des freien Randes. Als Vorlage für die in der Arbeit betrachteten Modellkonfigurationen dient das VGF-Verfahren (Vertical Gradient Freeze). Der Erstarrungsprozess wird durch ein Zweiphasen-Stefan-Problem mit durch Konvektion und Lorentzkräfte getriebener Strömung beschrieben. Der freie Rand wird als Graph formuliert. Das Kontrollziel besteht in der Ansteuerung eines gewünschten Verlaufs des freien Randes. Als Kontrollgrößen dient die Temperatur auf der Wand des Schmelztiegels und/oder wandnahe oder verteilte Lorentzkräfte. Das Kontrollziel wird durch Minimierung eines geeigneten Kosten-Funktionals erreicht. Das daraus resultierende Minimierungsproblem wird mit einem Adjungierten-Ansatz gelöst. Anhand numerischer Experimente mit Aluminium und Gallium-Arsenid Schmelzen wird gezeigt, das das vorgestellte Verfahren gut funktioniert.

The first part deals with the basic methods for measuring an unknown impedance. After determining the parameters of the desired impedance analyzer method was chosen AC unbalanced Wheatstone bridge. As a source of harmonic signal has been selected direct digital synthesis circuit and measure provides the analog vector voltmeter. Subsequently, it is discussed the issue of determining the sign of the unknown phase impedance. The thesis describes the wiring of circuit AD8302 and circuit AD9958 direct digital synthesis for which it is also an example of the code. It discusses the design and simulation of a reconstruction filter. Finally there are the measured output voltage and spectrum synthesizer.

Thesis (Ph. D.)--University of Adelaide, Dept. of Physics and Mathematical Physics, 1996.
Copies of author's previously published articles are inserted between p. 272-283 and are not numbered as part of main text. Includes bibliographical references (p. 283-293).

La présente étude se fonde sur la méthode du volume de fluide (en anglais VOF pour Volume-of-Fluid), proposée à l'origine par Hirt et Nicols. L'objectif de la première partie de ce travail est l'étude hydrodynamique de la cavitation isotherme dans les grands nuages de bulles. Cette étude s'inscrit plus généralement dans un large effort de recherche en micro--écaillage mené par le CEA. Une méthode capable de traiter la présence de cavités de vapeur de volume variable ou encore de pores a été formulée et implémentée dans un code existant, PARIS. L'écoulement est idéalisé en supposant un liquide parfait, des effets thermiques négligeables et une pression de vapeur nulle. Une étude innovante est présentée, traitant de l'interaction du nuage de bulles dans un liquide en expansion par simulation numérique directe. Les résultats des simulations révèlent l'existence d'un concours de cavités dans un certain régime caractérisé par le nombre de Weber.Dans la deuxième partie de l'étude, le système d'équations à résoudre est modifié et généralisé afin de décrire l'écoulement incompressible d'un fluide diphasique tout en incluant la possibilité d'un changement de phase à l'interface. Une nouvelle méthode VOF est proposée, dans laquelle une nouvelle technique d'advection de la fonction VOF permet de traiter à la fois la conservation de la masse et de l'énergie sous une forme conservative. Les expériences numériques démontrent la précision, la robustesse et la généralité de la méthode proposée, et témoignent d'un développement fondamental important pour l'application des méthodes VOF à la modélisation des changements de phase
Direct numerical simulation of two-phase ow is used extensively for engineering research and fundamental fluid physics studies [54, 81]. This study is based on the Volume-Of-Fluid (VOF) method, originally created by Hirt and Nicols [30]. This method has gained increased popularity, especially when geometric advection techniques are used coupled with a planar reconstruction of the interface [14, 89]. The focus of the first part of this work is to investigate the hydrodynamics of isothermal cavitation in large bubble clouds, which originated from a larger study of micro-spalling [61], conducted by the French CEA. A method to deal with volume-changing vapour cavities, or pores, was formulated and implemented in an existing code, PARIS . The ow is idealized by assuming an inviscid liquid, negligible thermal effects and vanishing vapour pressure. A novel investigation of bubble cloud interaction in an expanding liquid using direct or detailed numerical simulation is presented. The simulation results reveal a pore competition, which is characterised by the Weber number in the ow. In the second part of the study the governing equations are extended to describe incompressible ow with phase change [79]. The description of the work commences with the derivation of the governing equations. Following this, a novel, geometric based, VOF solution method is proposed. In this method a novel way of advecting the VOF function is invented, which treats both mass and energy conservation in conservative form. New techniques include the advection of the interface in a discontinuous velocity field. The proposed algorithms are consistent and elegant, requiring minimal modifications to the existing code. Numerical experiments demonstrate accuracy, robustness and generality. This is viewed as a significant fundamental development in the use of VOF methods to model phase change

A VOF based multiphase Lattice Boltzmann method that explicitly prescribes kinematic boundary conditions at the interface is developed. The advantage of the method is the direct control over the surface tension value. The details of the numerical method are presented. The Saffman instability, Taylor instability, and flow of deformable suspensions in a channel are used as example-problems to demonstrate the accuracy of the method. The method allows for relatively large viscosity and density ratios.

Scania CV AB is a leading company within development and production of buses, trucks as well as industrial and marine engines. New environmental and safety legislations continuously demand higher quality from the products. An upcoming European legislation, Euro 6, implies that gas leakages from truck engines should be detected while driving. If the source of the leakage is not only detected, but also isolated, that is separated from other faults, the adjustments in the workshop goes faster since there is no need for leakage localisation. A faster reparation increases the up-time, i.e. the amount of time that the truck can be used. This master thesis work uses current methods developed at Scania for residual generation to perform model-based leakage diagnosis. In this work, measurements are gathered for dierent sensor faults and two leakages. The measurements are used to evaluate the actual performance of the resulting diagnosis system. The result, based on the residuals generated by the method, shows that leakages on the boost-side and the exhaust-side can be detected, and isolated from faults in the pressure sensors on the boost-side and the exhaust-side. The isolation of these four faults is considered the hardest to achieve among sensor faults and leakages why the full isolation performance is promising. Further measurements are needed to determine the full isolation performance of the diagnosis system. The resulting system is reasoned to be suitable for execution in real time on-board the truck.
Scania CV AB är en ledande koncern inom utveckling och produktion av bussar, lastbilar samt industri- och marinmotorer. Nya lagkrav för miljö och säkerhet ställer ständigt högre krav på de tillverkade produkterna. Ett nära förestående lagkrav för lastbilar, Euro 6, innebär att gasläckage från motorn ska detekteras under körning. Om läckaget förutom att detekteras också kan isoleras, det vill säga särskiljas från andra fel, går reparationen i verkstaden snabbare då man slipper lokalisera läckaget. En snabbare reparation ökar up-time, det vill säga tiden som lastbilen kan användas på åkeriet. I detta exjobb används befintliga metoder för residualgenerering framtagna på Scania för att åstadkomma modelbaserad läckagediagnos. Arbetet tar även fram mätdata för olika givarfel samt för två läckage i motorn. Denna mätdata används för att utvärdera det erhållna diagnossystemets faktiska prestanda. Resultatet, som bygger på residualerna som metoden genererat, visar att läckage går att detektera, och att läckagen går att isolera från fel på tryckgivarsensorer på laddluftssidan och avgassidan. Denna isolering anses vara den svåraste att uppnå av alla sensorfel samt läckage varvid övrig isoleringsprestande verkar lovande. Däremot behövs mer mätdata för att säkert kunna fastställa övrig isoleringsprestanda. Diagnosmetoden lämpar sig troligen för exekvering i realtid ombord på lastbilen.

Les très basses fréquences (VLF) sont aujourd’hui principalement utilisées pour les communications sous-marines. Ces fréquences ont en effet l’avantage de pénétrer dans l’eau de mer jusqu’à quelques dizaines de mètre de profondeur, ainsi que de permettre des communications à très longue distance, au-delà de l’horizon. Les antennes nécessaires à l’établissement de ces communications sont nécessairement de très petite taille par rapport aux longueurs d’onde mises en jeu. Ces antennes sont des structures composées de centaines de mètre de câbles métalliques, situées à un emplacement étudié pour les qualités diélectriques du sol ou les avantages structurels du relief. Pour étudier de telles antennes, nous proposons l’utilisation d’un code basé sur une méthode temporelle, la TLM. Cette méthode peut se révéler être très efficace pour des études sur de larges bandes de fréquence et en présence d’un environnement diélectrique complexe. Pour cela, nous avons amélioré le modèle du Fil Mince permettant de modéliser une structure métallique en une dimension et avons cherché à valider son fonctionnement en présence d’un environnement réaliste. Dans ce document, nous présentons ainsi les différentes étapes ayant abouties aux améliorations apportées au modèle de Fil Mince. Notre code a été validé en comparant nos résultats à ceux de FEKO, un logiciel commercial basé sur la MoM considéré comme la méthode la plus adaptée à ce type de problème. Nous avons proposé, en particulier, une solution permettant de garantir une bonne précision du modèle quel que soit l’orientation du fil dans le maillage cartésien 3D. Nous avons ensuite précisé le domaine de validité des fils coudés ainsi que des jonctions de plusieurs fils. Nous avons étudié également l’interaction entre le fil et des milieux inhomogènes. Il s’agit là d’une problématique ambitieuse pour laquelle nous avons apporté quelques éléments de réponse mais qui reste à ce jour un verrou technologique à lever. Enfin, nous avons étudié des structures antennaires réalistes. Les simulations d’un système composé d’antennes en T déployé dans une vallée ont permis d’appréhender le fonctionnement d’une telle structure et ont montré l’intérêt de notre méthode. En effet, les temps de calcul nécessaires à la résolution du problème sont significativement plus faibles avec le code TLM qu’avec le logiciel FEKO sur ce type de sol complexe. Les simulations d’une antenne Trideco avec un plan de masse radial aérien ou enterré ont quant à elles montré les limites actuelles du code TLM qui reste handicapé par une modélisation imprécise des nœuds de connexion entre plusieurs fils et de leur interaction avec les milieux inhomogènes
Submarine communications are the main usage of the very low frequency (VLF). This frequency band allows to radiate up to a few tens meter of depth and to a very long distance. Antennas for such telecommunications are necessarily small in regard to the wavelength. However, these structures are composed of hundred meters of thin metallic cables and their locations are often chosen for their dielectric characteristics or the structural advantage provided by the relief. To evaluate such antennas, we propose to use a home-made software, based on the TLM method. Such technique can be efficient for studying wide band electromagnetic problems in complex dielectric environment. Then we have improved the TLM Thin Wire model and we have evaluated its performances in realistic environment. In this document, we present our work and its validation by comparing our results to those obtained with the commercial software FEKO, based on the MoM, considered as the most suitable technique for this kind of problem. A solution assuring a good accuracy of the model for an arbitrary orientation of the Thine Wire in the 3D cartesian grid was proposed. We have also specified the limitations of the bent wire and the wires junction. In addition, we have studied the interaction between the wire and inhomogeneous media. This is an ambitious problem for which we brought some elements of answer but which remains a challenge. Finally, we have tested our software on some realistic antenna systems. The simulations of a valley span T antennas system allow to understand the functioning of such radiating structure and to show the interest of our method. The computation times are significantly lower with the TLM method than with FEKO to deal with antennas above such complex ground. However, the simulations of a Trideco antenna with aerial or buried radial ground plane showed the actual limitations of the TLM software which remains handicapped by an insufficient accuracy of the wires junction model and the inhomogeneous media interactions

The work analyses formation of deformations of RF magnetic field within the environment of electrically and magnetically conductive materials. An analytic solution of the problem is created and the problems of numerical modeling are solved. In theoretical way, the work also familiarize with the use of magnetic resonance imaging method - the spin echo method (SE), with its features and possibilities of its use within the aim of the project. This method is used for experimental measurements of electrically conductive materials in the NMR laboratory in ISI AV Czech Republic. Results of the simulation are compared with results of the experimental measurement.

This thesis explores the topic of flow of two immiscible liquids in horizontal pipeline. For this purpose, the experimental apparatus has been set up, that allows to observe the flow of mixture through the transparent pipe. Moderately viscous oil and water (viscosity ratio: 52,81, density ratio: 0.86, interfacial tension: 41,64 mN/m) have been chosen for the experiment. Both fluids were introduced into the pipe through a T-junction. At the end of the apparatus, a mixture of liquids flowed into the separation tank, where both phases were separated. The separated oil was then reused for further measurements. The oil and water flow rates could be individually changed by use control valves, that led to identification of different flow regimes. These varied from stratified flows to fully dispersed ones as the mixture speed increased. All observed flow regimes were plotted in the flow map, that is a function of the inlet velocities of both fluids. For further analysis, a second type of flow map has been created that displays rates as a function of mixture velocity and phase volume fraction. Selected regime was also simulated using software ANSYS FLUENT. The VOF method was used to simulate multiphase flow. This thesis critically evaluates the results of the study and shows the direction for further research in the field of immiscible liquids flow.

Direct Numerical Simulation of two-phase ow is used extensively for engineering research and fundamental fluid physics studies. This study is based on the Volume-Of-Fluid (VOF) method, originally created by Hirt and Nicols. This method has gained increased popularity, especially when geometric advection techniques are used coupled with a planar reconstruction of the interface. The focus of the first part of this work is to investigate the hydrodynamics of isothermal cavitation in large bubble clouds, which originated from a larger study of micro-spalling, conducted by the French CEA. A method to deal with volume-changing vapour cavities, or pores, was formulated and implemented in an existing code, PARIS. The ow is idealized by assuming an inviscid liquid, negligible thermal effects and vanishing vapour pressure. A novel investigation of bubble cloud interaction in an expanding liquid using Direct or Detailed Numerical Simulation is presented. The simulation results reveal a pore competition, which is characterised by the Weber number in the ow. In the second part of the study the governing equations are extended to describe incompressible ow with phase change. The description of the work commences with the derivation of the governing equations. Following this, a novel, geometric based, VOF solution method is proposed. In this method a novel way of advecting the VOF function is invented, which treats both mass and energy conservation in conservative form. New techniques include the advection of the interface in a discontinuous velocity field. The proposed algorithms are consistent and elegant, requiring minimal modifications to the existing code. Numerical experiments demonstrate accuracy, robustness and generality. This is viewed as a significant fundamental development in the use of VOF methods to model phase change.

Die in dieser Arbeit vorgestellten Simulationen aufsteigender fluider Partikel wurden mit dem CFD-Programm FS3D durchgeführt, welches auf der Volume-of-Fluid (VoF) Methode basiert. Die Validierung des Codes erfolgt durch Vergleich der numerischen Lösungen für schleichende Strömungen mit analytischen Lösungen, wobei eine gute Übereinstimmung festgestellt wird. Im ersten Teil der Dissertation werden Simulationen für den freien Aufstieg von Öltropfen in Wasser mit experimentellen Beobachtungen hinsichtlich der Aufstiegsgeschwindigkeit, der Tropfenform und der Bewegungsbahn verglichen. Die Aufstiegsgeschwindigkeiten und Widerstandsbeiwerte sind vergleichbar, die simulierten Tropfen sind jedoch deutlich flacher. Dieser Unterschied kann durch Verunreinigungen der Grenzfläche im Experiment verursacht sein. Der Übergang von einem gradlinigen Aufstieg zu zickzack-förmigen Aufstiegsbahnen kann mit Hilfe der Simulationen auf Instabilitäten im Nachlauf der Blasen zurückgeführt werden, die zu einer periodischen Wirbelablösung führen. Im zweiten Teil der Dissertation wird der Aufstieg von Blasen in linearen Scherströmungen untersucht. Steigen die Blasen in einer vertikalen Scherströmung auf, so beobachtet man eine seitliche Migration. Diese seitliche Migration der Blasen wird durch die sogenannte Liftkraft verursacht, deren Vorzeichen und Betrag von der Blasengröße und den Stoffeigenschaften der Flüssigkeit abhängt. Die Simulationen zeigen, daß das Vorzeichen der Liftkraft für eher sphärische Blasen durch den Bernoulli-Effekt erklärt werden kann. An stark deformierten Blasen hingegen wirkt die Liftkraft in umgekehrter Richtung. Dieses Phänomen tritt auch in den Simulationen auf. Verschiedene Hypothesen für die Ursache dieses Phänomens werden überprüft. Die bekannteste experimentelle Korrelation für die Liftkraft von Tomiyama u.a. (2002) wird durch Simulation von realen Flüssigkeiten mit bekannten Stoffeigenschaften wie auch von Modellfluiden mit willkürlichen Stoffeigenschaften validiert und weitgehend bestätigt. Die Lift-Korrelation hat demnach hinsichtlich der Stoffeigenschaften der Flüssigkeit einen größeren Geltungsbereich, als bisher experimentell überprüft wurde. The simulations presented in this thesis were performed with the CFD code FS3D which is based on the Volume of Fluid method. The code is validated using analytical solutions for creeping flows and a good agreement is observed between simulation and analytical solution. In the first part of the thesis, the free rise of oil drops in water is simulated and compared with experimental observations. The results show that the rising velocities and the drag coefficients are similar in both cases, but the simulated drops are flatter (more oblate). This difference may be caused by impurities of the particle surface (surfactants) in the experiments. The simulations show that the transition from rectilinear to periodic trajectories is caused by instabilities in the wake, which lead to a periodic vortex shedding. In the second part of the thesis, the rise of bubbles in linear shear flows is investigated. If bubbles rise in a vertical shear flow, a lateral migration can be observed. This migration is caused by the so called lift force. Sign and magnitude of the lift force depend on the size of the bubble and the material properties of the liquid. The simulation results show that the sign of the lift force on spherical bubbles can be explained by the Bernoulli effect. However, the lift force on more distorted bubbles acts in the opposite direction. This phenomenon can also be observed in the simulation. In this work several hypotheses for the reason of this phenomenon are checked. Furthermore, most common correlation for the lift force (developed by Tomiyama et al. in 2002) is validated for fluids of known material and model fluids with arbitrary material data. The correlation is valid in a wider range of fluid material properties than proved experimentally up to now.

Die in dieser Arbeit vorgestellten Simulationen aufsteigender fluider Partikel wurden mit dem CFD-Programm FS3D durchgeführt, welches auf der Volume-of-Fluid (VoF) Methode basiert. Die Validierung des Codes erfolgt durch Vergleich der numerischen Lösungen für schleichende Strömungen mit analytischen Lösungen, wobei eine gute Übereinstimmung festgestellt wird. Im ersten Teil der Dissertation werden Simulationen für den freien Aufstieg von Öltropfen in Wasser mit experimentellen Beobachtungen hinsichtlich der Aufstiegsgeschwindigkeit, der Tropfenform und der Bewegungsbahn verglichen. Die Aufstiegsgeschwindigkeiten und Widerstandsbeiwerte sind vergleichbar, die simulierten Tropfen sind jedoch deutlich flacher. Dieser Unterschied kann durch Verunreinigungen der Grenzfläche im Experiment verursacht sein. Der Übergang von einem gradlinigen Aufstieg zu zickzack-förmigen Aufstiegsbahnen kann mit Hilfe der Simulationen auf Instabilitäten im Nachlauf der Blasen zurückgeführt werden, die zu einer periodischen Wirbelablösung führen. Im zweiten Teil der Dissertation wird der Aufstieg von Blasen in linearen Scherströmungen untersucht. Steigen die Blasen in einer vertikalen Scherströmung auf, so beobachtet man eine seitliche Migration. Diese seitliche Migration der Blasen wird durch die sogenannte Liftkraft verursacht, deren Vorzeichen und Betrag von der Blasengröße und den Stoffeigenschaften der Flüssigkeit abhängt. Die Simulationen zeigen, daß das Vorzeichen der Liftkraft für eher sphärische Blasen durch den Bernoulli-Effekt erklärt werden kann. An stark deformierten Blasen hingegen wirkt die Liftkraft in umgekehrter Richtung. Dieses Phänomen tritt auch in den Simulationen auf. Verschiedene Hypothesen für die Ursache dieses Phänomens werden überprüft. Die bekannteste experimentelle Korrelation für die Liftkraft von Tomiyama u.a. (2002) wird durch Simulation von realen Flüssigkeiten mit bekannten Stoffeigenschaften wie auch von Modellfluiden mit willkürlichen Stoffeigenschaften validiert und weitgehend bestätigt. Die Lift-Korrelation hat demnach hinsichtlich der Stoffeigenschaften der Flüssigkeit einen größeren Geltungsbereich, als bisher experimentell überprüft wurde. The simulations presented in this thesis were performed with the CFD code FS3D which is based on the Volume of Fluid method. The code is validated using analytical solutions for creeping flows and a good agreement is observed between simulation and analytical solution. In the first part of the thesis, the free rise of oil drops in water is simulated and compared with experimental observations. The results show that the rising velocities and the drag coefficients are similar in both cases, but the simulated drops are flatter (more oblate). This difference may be caused by impurities of the particle surface (surfactants) in the experiments. The simulations show that the transition from rectilinear to periodic trajectories is caused by instabilities in the wake, which lead to a periodic vortex shedding. In the second part of the thesis, the rise of bubbles in linear shear flows is investigated. If bubbles rise in a vertical shear flow, a lateral migration can be observed. This migration is caused by the so called lift force. Sign and magnitude of the lift force depend on the size of the bubble and the material properties of the liquid. The simulation results show that the sign of the lift force on spherical bubbles can be explained by the Bernoulli effect. However, the lift force on more distorted bubbles acts in the opposite direction. This phenomenon can also be observed in the simulation. In this work several hypotheses for the reason of this phenomenon are checked. Furthermore, most common correlation for the lift force (developed by Tomiyama et al. in 2002) is validated for fluids of known material and model fluids with arbitrary material data. The correlation is valid in a wider range of fluid material properties than proved experimentally up to now.

Free analyte is measured to be able to understand the pharmacological effects of a drug in the body, the binding to its ligand, and the effective drug level among other things. Thereby, it is important with correct measurements of free analyte, although it is not that easy to achieve since overestimations can occur. In this project, several immunoassays were developed for the bioanalytical methods Gyrolab and ELISA to measure free analyte, where the biotherapeutics Avastin® and Lucentis®, and the ligand VEGF were used as analytes. One difference between the methods is the short contact time of just a few seconds for Gyrolab compared to the sample incubation time of a couple of hours for ELISA. One difference between the antibodies is that Lucentis is an affinity-matured Fab region, and therefore, has a stronger affinity to VEGF compared to Avastin. When free Avastin was measured, the difference was significant, with ELISA estimating higher concentrations compared to Gyrolab. However, this was not the case for all assays. In some cases, this was probably due to differences between the methods that could not be seen. Otherwise, the results with no difference between the methods, when measuring free analyte with Lucentis as the drug, were expected due to the stronger affinity and longer halftime of dissociation. However, the difference with the longer sample incubation time for ELISA compared to the short contact time for Gyrolab seems to influence the measurement of free analyte, depending on the affinity of the components being measured.

Cette thèse montre le développement d’un code de calcul pour les simulations numériques directes d’écoulements diphasiques compressibles avec évaporation. Un couplage entre les méthodes Level Set et VOF est réalisé pour le suivi d’interface. Afin de résoudre les équations de la mécanique des fluides, une méthode basée sur la pression est employée et, pour découpler la vitesse de la pression, une méthode de projection est effectuée. Cette méthode permet l’implicitation des termes liés à l’acoustique et donc de diminuer la contrainte sur le pas de temps. Le liquide et le gaz sont traités de manière compressible permettant des variations locales des masses volumiques grâce à l’utilisation d’équations d’état. L’évaporation est simulée de deux manières différentes ; une première, où un taux d’évaporation constant est employé et une seconde, où ce taux est calculé par la thermique. Parallèlement à ce sujet, une étude de la distribution des courbures dans une injection de liquide est réalisée. Cette étude permet d’étendre le concept de distribution des tailles de gouttes dans un spray et d’améliorer les informations disponibles dans le modèle ELSA. Enfin, une autre étude est effectuée sur la recherche d’un critère, basé sur les courbures à l’interface, pour estimer la qualité d’une simulation
This PhD thesis shows the development of a numerical method for solving two-phase flows with vaporisation. A coupling between Level Set and VOF methods is realised for the interface capturing. In order to solve fluid mechanics equations, a pressure based method is employed and, to decouple velocity and pressure, a projection method is performed. This method allows the implicitation of the acoustic terms and the time step constraint reduction. Liquid and gas are considered as compressible allowing local density variations with equations of state. The vaporisation is computed in two different ways ; a first one where the vaporisation rate is constant and a second one, where this rate is calculated by thermodynamics. Along with this topic, a study on curvature distribution in a liquid injection configuration is realised. This study allows to extend the drop size distribution concept in a spray and to improve available informations on ELSA model. Finally, an other study is performed on thedevelopment of a criterion, based on interface curvatures, which estimates the quality of a simulation

Ce travail porte sur l’étude du procédé de projection plasma par voie liquide et en particulier sur l’interaction entre la phase liquide et l’écoulement de plasma. Différents phénomènes physiques ont lieu comme la fragmentation du jet, l’évaporation du liquide et la fusion des particules. La simulation numérique permet de mieux comprendre les phénomènes physiques et vient en appui des expériences qui sont parfois difficiles voire impossibles à réaliser. Un modèle compressible diphasique est développé afin de prendre en compte les effets compressibles du plasma. Des validations sont réalisées sur des cas test académiques et sur un jet d’argon pur. De bons accords sont obtenus entre les simulations et la théorie ou les expériences. Ensuite différents mélanges de gaz plasmagènes, classiquement utilisés en projection plasma, sont étudiés : l’argon/hydrogène et l’argon/hélium.Une analyse du caractère instationnaire et turbulent est ensuite menée et permet de voir l’importance des effets instationnaires dans ces écoulements. Puis des simulations de l’injection de la phase liquide sous forme de gouttes ou de jet continu dans l’écoulement de plasma sont réalisées. L’influence de la nature des gaz plasmagènes et du mode d’injection est démontrée. Les structures observées expérimentalement sont également obtenues parles simulations
The study of the plasma spraying process is investigated in this work, in particular the interaction between a liquid phase and a plasma flow. Different physical phenomena occureas the jet fragmentation, the liquid vaporization and the particles fusion. The numerical simulation is used to better understand the physical phenomena and is an alternative to experimental measurements, which could be locally difficult to perform because of the measurement techniques limitations and the particular characteristics of the plasma. A compressible two-phase model is developped to take into account the compressible effects of the plasma flow. Validations are realized on academic test cases and on a argonjet. Good agreements are obtained between simulations and theory or experiments. Then different mixtures of plasmagen gas, classically used in plasma spraying, are studied :argon/hydrogen and argon/helium. An analysis of unsteady and turbulent character isled and allows seeing the importance of unsteady effects in these flows. Numerical simulations of the injection of a liquid phase into the plasma flow are realized. The influence of the plasmagen gas nature and the injection type is anlysed. Structures observed by experiments are also obtained by the simulations

On s'intéresse dans ce travail à la modélisation d'un écoulement diphasique gaz-liquide co-courant descendant dans les réacteurs à lit fixe de particules, procédé largement utilisé dans le domaine industriel. En raison de la complexité de l'écoulement, induite par les nombreuses configurations multiphasiques pouvant coexister au sein du lit, les modèles développés directement à l'échelle du réacteur sont généralement issus d'approches semi-empiriques, en considérant l'écoulement homogène. Or, il a été observé que des hétérogénéités locales, géométrique et hydrodynamique, telle qu'une mal-distribution de la phase liquide, entrainaient une diminution du taux de réaction et conduisait les modèles existants à surestimer la productivité d'un réacteur. La nécessité de prendre en compte les phénomènes microscopiques dans un modèle macroscopique à l'échelle du réacteur rend l'utilisation d'approches multi-échelles indispensable. L'écoulement étant cependant d'une nature complexe, le changement d'échelle ne peut se faire de façon directe et nécessite donc la mise en place d'outils de modélisation adaptés à une échelle intermédiaire. Dans une première étape, la méthode de simulation numérique directe ``Volume-Of-Fluid'' (VOF) est validée dans le cas d'un film ruisselant dans un tube capillaire. Cette méthode est ensuite utilisée, à l'échelle microscopique, afin de proposer et de valider des relations de fermeture pour un modèle de type ``réseau de pores'' pouvant être utilisé à une échelle intermédiaire, celle du Volume Elémentaire Représentatif. Ce changement d'échelle est tout d'abord effectué dans le cas d'un lit fixe en deux dimensions, c'est-à-dire un empilement de cylindres entre deux plaques. Cette configuration permet la mise en place d'un dispositif expérimental qui, couplé à des simulations VOF 2D à plus grande échelle, valide l'approche de type "réseau de pores" adoptée. Le modèle réseau est ensuite étendu au cas d'un lit fixe réel, c'est-à-dire en trois dimensions, dont la géométrie est obtenue par micro-tomographie. Les lois de comportement locales sont redéfinies à l'aide de simulations numériques directes à l'échelle microscopique. Les résultats provenant de simulations de type « réseaux de pore » sont ensuite confrontés, dans le cas d'une répartition homogène des phases, aux modèles 1D habituellement utilisés pour les écoulements diphasiques en lit fixe. Enfin, une campagne expérimentale est menée afin d'observer, par imagerie scanner, l'étalement d'un jet de liquide sur un empilement de grains. Une comparaison qualitative est ensuite effectuée entre les observations expérimentales et les simulations numériques réseaux dans le cas spécifique de l'étalement d'un jet de liquide
We study in this work the modelling of two-phase cocurrent downflows in fixed bed reactors, a process widely used in industry. Due to the flow complexity, i.e., the presence of different interface configurations and, therefore, different phase interactions, most models have been developed using empirical approaches, with the assumption of a homogeneous flow in the reactor. However, several studies showed that local heterogeneities, geometric and hydrodynamic, such as the liquid distribution, could have a great influence on the flow at the reactor-scale and, therefore, on the reactor performance. Consider the microscopic phenomena in a macroscopic model require the use of multi-scale approaches. However, due to the flow complexity, the upscaling cannot be done directly and requires the development of modelling tools suitable for an intermediate scale. In a first step, the direct numerical method \ Volume-Of-Fluid" (VOF) is validated in the case of a two-phase flow in a capillary tube with the presence of a thin film. Then, this method is used, at a microscopic level to propose and validate closure laws for a pore-network model which will be used to simulate the flow at the intermediate scale. This upscaling approach is first tested in a two-dimensional case,i.e., an array of cylinders between two walls. This configuration allows the set up of an experimental approach, coupled with 2D VOF simulations at the intermediate scale, in order to validate the pore-network approach. The pore-network approach is then extended to a real fixed bed, i.e. in three dimensions, whose geometry is obtained by micro-tomography. Local laws of the pore-network model are redefined using direct numerical simulations at a microscopic scale. Pore-network simulations are then compared, for a homogenous phase distribution, with 1D models typically used for two-phase flow in fixed beds. Finally, an experimental campaign was set up to observe, by imaging scanner, the spreading of a liquid jet on a fixed bed pilot. A qualitative comparison is then performed between experimental observations and pore-network simulations in the specific case of the spreading of a liquid jet

L’objet de ce travail est de proposer un modèle adapté pour la simulation du remplissage de moules qui réponde au meilleur compromis entre temps de calcul et précision des résultats. La difficulté est double. Il faut prendre en compte le phénomène de remplissage qui est un problème complexe à frontières libres et les spécificités liées au Verre : viscosité fortement thermodépendante et température de fusion élevée qui nécessite de prendre en compte le rayonnement. Le Chapitre I est consacrée à la partie écoulement du Verre liquide. La bibliothèque numérique Aquilon/Thétis, adaptée pour traiter ce type de problèmes et les couplages thermique air/verre/parois, a été utilisée (Méthode V.O.F pour le suivi de l’interface, méthodes de type Lagrangien augmenté/Projection vectorielle pour le couplage Vitesse-Pression). Pour l’aspect radiatif, différentes approches sont proposées : conductivité radiative équivalente (Chapitre II), méthode explicite directe pour la validation (Chapitre III) et méthode d’harmoniques sphériques ou méthode PN (Chapitre IV). Dans le Chapitre V, la méthode PN retenue est validée dans des cas simples et est appliquée ensuite à des cas avec couplage convectif en géométries complexes et obstacles semi-transparents (1D, 2D et 3D, 2D axi-symétrique et milieu non gris). Une version P1 modifiée est présentée. Les résultats sont assez proches de ceux donnés par la méthode P3 avec des temps de calcul modestes. L’intérêt de ce modèle est qu’il est facilement intégrable dans des codes numériques existants : une seule équation différentielle du second ordre stationnaire à résoudre en 3D
The aim of this study is to propose an adapted model for the simulation of mould filling that must be a compromise solution between computational time and results accuracy. The double difficulty is to take into account the filling phenomenon that is a complex problem due to the presence of free boundaries and to the Glass specificities: viscosity that is highly thermal dependant and high melting temperature that requires taking into account radiation effects. Chapter I is devoted to the melting Glass flow. The numerical libraries Aquilon/Thétis, adapted for solving such type of problems and the thermal coupling between Air/Glass/Walls, has been used. (V.O.F method for front tracking, Augmented Lagrangian/Vector Projection methods for solving Pressure/Velocity coupling). For radiative aspect, different approaches are proposed: equivalent radiative conductivity (Chapter II), direct explicit method for validation (Chapter III) and spherical harmonics method or PN method (Chapter IV). In the Chapter V, the selected PN method is validated through simple cases and is then applied in other cases with convective coupling in complex geometries including semi-transparent inclusions (1D, 2D and 3D, 2D axi-symmetric and non grey medium). A P1 modified version is presented. The results are close to those given by P3 method but with reduced computational time. The main interest of this model is that it can be easily implemented in existing numerical codes: a single stationary second order partial differential equation to solve in 3D

Work in this dissertation is motivated by reducing the design cost at the early design stage while maintaining high design accuracy throughout all design stages. It presents four key design methods to improve the performance of Efficient Global Optimization for multidisciplinary problems. First, a fidelity-calibration method is developed and applied to lower-fidelity samples. Function values analyzed by lower fidelity analysis methods are updated to have equivalent accuracy to that of the highest fidelity samples, and these calibrated data sets are used to construct a variable-fidelity Kriging model. For the design of experiment (DOE), a dynamic sampling method is developed and includes filtering and infilling data based on mathematical criteria on the model accuracy. In the sample infilling process, multi-objective optimization for exploitation and exploration of design space is carried out. To indicate the fidelity of function analysis for additional samples in the variable-fidelity Kriging model, a dynamic fidelity indicator with the overlapping coefficient is proposed. For the multidisciplinary design problems, where multiple physics are tightly coupled with different coupling strengths, multi-response Kriging model is introduced and utilizes the method of iterative Maximum Likelihood Estimation (iMLE). Through the iMLE process, a large number of hyper-parameters in multi-response Kriging can be calculated with great accuracy and improved numerical stability. The optimization methods developed in the study are validated with analytic functions and showed considerable performance improvement. Consequentially, three practical design optimization problems of NACA0012 airfoil, Multi-element NLR 7301 airfoil, and all-moving-wingtip control surface of tailless aircraft are performed, respectively. The results are compared with those of existing methods, and it is concluded that these methods guarantee the equivalent design accuracy at computational cost reduced significantly.
Doctor of Philosophy
In recent years, as the cost of aircraft design is growing rapidly, and aviation industry is interested in saving time and cost for the design, an accurate design result during the early design stages is particularly important to reduce overall life cycle cost. The purpose of the work to reducing the design cost at the early design stage with design accuracy as high as that of the detailed design. The method of an efficient global optimization (EGO) with variable-fidelity analysis and multidisciplinary design is proposed. Using the variable-fidelity analysis for the function evaluation, high fidelity function evaluations can be replaced by low-fidelity analyses of equivalent accuracy, which leads to considerable cost reduction. As the aircraft system has sub-disciplines coupled by multiple physics, including aerodynamics, structures, and thermodynamics, the accuracy of an individual discipline affects that of all others, and thus the design accuracy during in the early design states. Four distinctive design methods are developed and implemented into the standard Efficient Global Optimization (EGO) framework: 1) the variable-fidelity analysis based on error approximation and calibration of low-fidelity samples, 2) dynamic sampling criteria for both filtering and infilling samples, 3) a dynamic fidelity indicator (DFI) for the selection of analysis fidelity for infilled samples, and 4) Multi-response Kriging model with an iterative Maximum Likelihood estimation (iMLE). The methods are validated with analytic functions, and the improvement in cost efficiency through the overall design process is observed, while maintaining the design accuracy, by a comparison with existing design methods. For the practical applications, the methods are applied to the design optimization of airfoil and complete aircraft configuration, respectively. The design results are compared with those by existing methods, and it is found the method results design results of accuracies equivalent to or higher than high-fidelity analysis-alone design at cost reduced by orders of magnitude.

Cette thèse porte sur la modélisation et l’analyse de la propagation électromagnétique dans un milieu forestier dans les bandes VHF et UHF. L’objectif principal est le développement d’un modèle numérique "full-wave" tridimensionnel de diffusion par la forêt permettant de caractériser l’interaction d’une onde électromagnétique avec un milieu forestier. Un tel modèle s’avère, actuellement, un outil indispensable à l’analyse des mesures radar pour l’étude des paramètres caractéristiques de la forêt tels que la biomasse forestière, la hauteur des arbres et leur densité. La complexité numérique de ce modèle a limité son domaine d’application à de petites parcelles de forêt et aux basses fréquences. Pour pouvoir traiter de larges zones forestières tout en montant en fréquence, et s’approcher ainsi des besoins et exigences des utilisateurs potentiels de notre modèle, nous avons intégré à ce modèle une méthode numérique efficace dédiée à l’analyse de larges problèmes électromagnétiques. La méthode en question,connue sous le nom de Characteristic Basis Function Method (CBFM) était récemment développée dans le laboratoire de Communication et Electromagnétisme de l’université PennState dirigé par le Professeur Mittra. Après une optimisation et une adaptation au problème d’intérêt, la CBFM réalise d’excellentes performances et nous permet une diminution considérable du temps de calcul et des besoins en espace mémoire sans pour autant dégrader la qualité des résultats obtenus ou altérer la fidélité du modèle à la réalité du problème électromagnétique traité
A 3-D full-wave model, based on the integral representation of the electric field and dedicatedto the analysis of bi-static scattering mechanisms by a forest in the VHF and UHF bands wasefficiently enhanced. In order to overcome the limitation of a previous 3D model to small simulationsscenes and low frequencies, we have developed, during this research work, a new model using basis functionsadapted to the problem of interest, in the context of the Characteristic Basis Function Method(CBFM) and we investigated the suitability of this direct method for computing the electromagneticfields inside and outside three-dimensional dielectric objects representing the tree trunks and branches.The CBFM has shown great performances, when applied to the forest scattering modeling, both interms of CPU time and memory resources needed. Once properly set, the CBFM-E is so efficient thatit is able to treat in few minutes electromagnetic problems totally intractable with the classical MoM.Consequently, we have developed a powerful 3D forest electromagnetic scattering tool which allows ustoday to compute large forest electromagnetic problems in few minutes without worrying about theaccuracy of the solution. On the other hand, we have demonstrated the efficiency and accuracy of theCBFM-E when applied to 3D dielectric objects in the context of the electric volumetric integral equation,and have consolidated thus its leading position in the computational electromagnetics, especiallyagainst the iterative solvers based numerical methods

Impact craters are formed when a large meteorite or comethits the Earth. At the impact a shock wave is released causingabundant fracturing in the surrounding bedrock. This type offracturing is intense and occurs throughout a very large volume(>100 km³) of the bedrock. Fractures of this type have beenobserved in deep drilling, to 5 km depth, in thePuchezh-Katunki Impact Crater. At theses depths the ambienttemperature is high. Thus impact structures are candidates forpotential heat-exchange sources for extraction of geothermalenergy.

There is a relation between fracture intensity and electricresistivity in bedrock predominated by impact-generatedfractures. In crystalline bedrock changes in electricresistivity is mainly due to fracturing which is the mainsource of porosity in these rocks. Electric resistivity methodsare highly sensitivity to porosity. Furthermore highfracture-intensities have generally been associated with lowelectric resistivity. Electro-magnetic methods like Very LowFrequency Resistivity (VLF-R) and Magnetotellurics (MT) canindirectly measure electric resistivity to relatively largedepths in the bedrock.

This study will quantify the relationship between fractureintensity and electric resistivity which can be used as aprospecting tool for geothermal energy resources at largedepth.

To meet that end, a method for fracture mapping on outcropsin Swedish terrain and a method to calculate thethree-dimensional fracture frequency from two-dimensionalfracture data has been developed. The fracture traces measuredin two dimensions on outcrops are assumed to represent avertical surface and must be converted to a three-dimensionalmeasure of the fracture frequency per unit volume. Spacing, dipand trace length of fractures have been accounted for. Thebiases associated with the mapping method have also beenaccounted for (II).

The correlation between impact-induced fracturing andelectric resistivity in crystalline rocks in the Lockne Areashows that the extent of impact fracturing in crystalline rockscan be measured with electro-magnetic or electric techniques.In addition the electric resistivity of crystalline basementand impact generated Tandsby Breccia from the Lockne Craterwere determined (I).

The relation between fracture frequency and electricresistivity in fresh water conditions using the VLF-R method isestablished from data collected from both two drill holes andfrom numerous outcrops in the Björkö region. Apreliminary quantification of the fracture frequency has beenmade. The MT resistivity models, related to the two drillholes, show that porosity and mineral-conductivity variationsof the bedrock affect this relation more than the salinityvariations in the bore-hole fluid. Further research is neededto establish a firm relation between fracture frequency,salinity of rock fluid, conductivity and porosity in order tovalidate the MT resistivity models (III).

Keywords:Electric resistivity, Fracture frequency,Impact generated fractures, Electro-magnetic techniques, VLF-Rmethod, MT method, Window-mapping technique, Three-dimensionalfracture calculations, heat-exchange structure, geothermalenergy.

Cette thèse propose une modélisation numérique 2D des écoulements en zone de jet de rive avec un code Volume-Of-Fluid. Dans un premier temps, le détail de la structure interne de l’écoulement de jet de rive généré par l’effondrement d’un front d’onde turbulent sur une plage imperméable lisse est étudié. Le modèle numérique est ensuite étendu à la simulation des écoulements en milieu poreux internes à la plage. L’utilisation d’une unique équation de quantité de mouvement (VARANS) et de la méthode 1-fluide, permet de résoudre simultanément les écoulements de l’eau et de l’air à la surface et dans une plage perméable. Ce modèle a été confronté à une série de cas tests analytiques et à de récentes mesures expérimentales. Les résultats numériques montrent l’aptitude du modèle VOF-VARANS à reproduire les écoulements en zone de jet de rive sur une plage imperméable fixe
A 2D numerical modeling of flows in the swash zone is proposed using a Volume-Of- Fluid code. The detailed flow structure of a bore-driven swash event over an impermeable beach is first studied. The numerical model is then developed to account for porous media flow within the beach. The unique VARANS momentum equation and 1-fluid method used allow to solve simultaneously both surface and subsurface flows of air and water phases in the swash zone. This model is validated against a series of analytical tests cases and confronted to recent experimental measurements. The numerical results highlight the ability of the VOF-VARANS model to reproduce swash flows over and within a permeable beach

The change of ionospheric absolute reflection heights h of low-frequency (LF) radio waves at oblique incidence in the course of the day is measured at Collm Observatory (51.3°N, 13.0°E) using 1.8 kHz sideband phase comparisons between the sky-wave and the ground wave of a commercial 177 kHz transmitter (Zehlendorf, reflection point 52.1°N, 13.2°E). Plasma scale height estimates H are calculated from the decrease/increase of h in the morning/evening. The day-to-day variations of H are compared with those of daily mean temperatures at 90 km, measured with a VHF meteor radar (36.2 MHz) at Collm utilising the amplitude decay of meteor reflections. A good qualitative correspondence is found between the two data sets. Since mesospheric long-period temperature variations are generally accepted to be the signature of atmospheric planetary waves, this shows that LF reflection height measurements can be used for monitoring the dynamics of the upper middle atmosphere.

The change of ionospheric absolute reflection heights h of low-frequency (LF) radio waves at oblique incidence in the course of the day is measured at Collm Observatory (51.3°N, 13.0°E) using 1.8 kHz sideband phase comparisons between the sky-wave and the ground wave of a commercial 177 kHz transmitter (Zehlendorf, reflection point 52.1°N, 13.2°E). Plasma scale height estimates H are calculated from the decrease/increase of h in the morning/evening. The day-to-day variations of H are compared with those of daily mean temperatures at 90 km, measured with a VHF meteor radar (36.2 MHz) at Collm utilising the amplitude decay of meteor reflections. A good qualitative correspondence is found between the two data sets. Since mesospheric long-period temperature variations are generally accepted to be the signature of atmospheric planetary waves, this shows that LF reflection height measurements can be used for monitoring the dynamics of the upper middle atmosphere.

This thesis analyzes various beamforming techniques and theories of space information networking (SIN), with the aim of merging and using them in real application. We propose then two algorithm to solve two different problem linked to satellites and beamforming. The first one show a cluster of satellites that performs collaborative beamforming to reach an Earth user, while reducing interference in secondary directions. Then we consider a problem for hybrid satellite-terrestrial relay networks (HSTRNs), where multiple geostationary satellites transmit signals to multiple Earth terminal, with the help of multiple single-antenna relays.

L'objectif de ce travail etait l'amelioration de la qualite de l'interpretation des donnees magnetotelluriques (mt) appliquees a l'exploration petroliere, par l'etude de la reponse spatiale de structures non tabulaires. Cette etude porte sur des modeles synthetiques 3d et sur des donnees experimentales de mt profonde, de mt-flf et du dispositif rectangle en courant continu. Apres un rappel des bases de la mt, l'interet du traitement spatial des donnees est demontre; les problemes a resoudre sont recenses et des solutions proposees. Les problemes principaux concernent l'effet statique, l'effet regional, l'effet inductif et l'anisotropie du champ primaire. Parmi les solutions proposees, on trouve la separation du champ electrique et du champ magnetique, le filtrage non lineaire, le prolongement et la verticalisation du champ primaire. Ces traitements sont appliques a des donnees synthetiques correspondant a une structure 3d profonde, surmontee d'heterogeneites proches de la surface. Les resultats experimentaux d'une etude de mt profonde sont egalement traites, avec quelques applications particulieres de la geostatique. Des donnees experimentales vlf correspondant a plusieurs sites sont abondamment presentees, traitees et commentees. Les resultats sont particulierement spectaculaires. La derniere application concerne des donnees de prospection miniere obtenues avec le dispositif rectangle

Cette thèse apporte une contribution à la simulation numérique de la construction de dépôts dans le cadre de la projection plasma type APS (Atmospheric Plasma Spraying). Ce travail est focalisé sur la construction d’un volume représentatif du revêtement en prenant en compte l’ensemble des phénomènes propres au procédé, tels que la nature de l’écoulement de gaz, la cinétique (multiphasique, mouillabilité) et la thermique (transferts thermiques, résistance thermique de contact, solidification) durant l’impact et l’empilement de particules. Une méthode numérique particulière, appelée VOF-SM (Volume Of Fluid - Sub Mesh), est développée. La simulation de l’impact d’un jet instationnaire et turbulent de plasma ArH2 sur un substrat a été réalisée pour définir la nature de l’écoulementen proche paroi et le transfert thermique entre cet écoulement et le substrat. Les phénomènes propres à l’impact de particules ont été intégrés au code de calcul Thétiset validés indépendamment par comparaison à des solutions analytiques et combinés par comparaison à un cas d’étude expérimentale millimétrique. Enfin, une étude d’impacts successifs de particules de Zircone Yttriée sur un substrat en acier a été menée, par une approche en similitudes thermique et cinétique pour pallier la difficulté de la résolution à petites échelles
This PhD thesis is a contribution to the numerical simulation of the plasma sprayedcoating build-up by APS process (Atmospheric Plasma Spraying). This work focuses onthe build-up of a representative volume of the coat considering a great range of phenomenonappearing in APS process such as gas flow properties, kinetic (multiphase flow,wettability) and thermal (heat transfers, thermal contact resistance, solidification) duringthe impact and steaking of particles. An original numerical method, named VOF-SM(Volume Of Fluid - Sub Mesh) is developped. The simulation of the impact of an unsteadyand turbulent ArH2 plasma flow is carried out in order to define the gas flow closeto the wall and heat transferred to the substrate by the plasma. Specific phenomena of theimpact of particles were incorporated into the CFD code (Thétis) and validated independentlyby caparison with analytical solutions, then together combined by the comparisonto a millimeter size impact experimental data. Finally, a study of successive impacts ofYttria-Stabilized Zirconia particles onto a steel substrate was carried out by thermal andkinetic approach similarities to overcome the difficulty of resolving small scales

Le vif interet suscite au sein de la communaute scientifique par l'expansion de la radarmareteorologie a conduit le laboratoire de sondages electromagnetiques de l'environnement terrestre a developper, a partir de 1982, un radar de teledetection stratosphere-troposphere (radar provence). Cependant, la volonte d'explorer les couches atmospheriques inferieures a, par la suite, necessite la conception d'un mini-radar specifique, dont l'exploitation se heurte a un probleme majeur, inherent aux caracteristiques du systeme retenu: l'emploi conjoint d'une antenne de dimensions reduites, imposee par le respect du critere basse troposphere, et de la gamme vhf (very high frequencies), classiquement la plus favorable aux observations en air clair, entraine un elargissement consequent du faisceau radar qui, combine a un angle de tir nettement plus rasant, resulte en un fort recouvrement des domaines d'altitude sondes par les cellules radiales successives. L'obtention des profils atmospheriques de reflectivite et de vitesse ne peut donc plus s'effectuer de facon immediate (comme c'est le cas pour le radar provence) et il doit etre fait appel pour cela a une methode de restitution de parametres par deconvolution ou methode inverse. Dans ce contexte, l'objet du travail presente ici consiste en l'etude et la mise en application d'une technique d'inversion appropriee ; deux methodes differentes sont abordees, la methode des moindres carres et celle du maximum d'entropie, ces deux methodes se presentant a priori comme particulierement adaptees aux deux principaux types de profils atmospheriques pouvant etre distingues (respectivement les profils reguliers et les profils a forts gradients). Une etude theorique est tout d'abord menee, visant a modeliser les principes physiques regissant l'obtention des donnees radar exploitees (moments d'ordres 0 et 1 des spectres doppler). Le modele ainsi etabli, combine a un jeu de profils atmospheriques theoriques dont les proprietes sont ajustees a volonte, permet de pratiquer diverses simulations systematiques, contribuant a evaluer la faisabilite des processus d'inversion envisages et autorisant une adaptation optimale des methodes employees au cas particulier du mini-radar. La mise au point theorique des methodes en question etant assuree, leurs performances effectives sont alors testees a l'aide de donnees reelles acquises sur le mini-radar, les resultats obtenus etant compares a ceux fournis en alternance sur le meme site par le radar provence, servant ici de reference. Les modalites concernant l'implantation pratique des procedes mis en uvre et les perspectives ainsi ouvertes sont enfin discutees, tandis que certains axes de recherche meritant de plus amples developpements, sous la forme de travaux specifiques, sont suggeres

Immunoassays basieren auf der Anwendung von Antikörpern, welche selektiv den zu messenden Analyten binden. Die Richtigkeit der erhaltenen Ergebnisse hängt maßgeblich von der Selektivität der Antikörper ab und kann durch Interferenzen gestört werden. In dieser Arbeit wurde eine Methode entwickelt, bei der die Probe mittels Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (LC) in Fraktionen aufgetrennt wird und diese Fraktionen anschließend mittels Enzyme-linked Immunosorbent Assay (ELISA) vermessen werden. Dieses Verfahren wurde als LC-ELISA bezeichnet. Das erhaltene Profil aus im ELISA gemessener Analytkonzentration in Abhängigkeit von der Elutionszeit wurde als LC-ELISAgramm bezeichnet und bietet die Möglichkeit, Interferenzen zu erkennen, welche beim ELISA unentdeckt bleiben. Als Modellanalyten für die zu untersuchenden ELISAs dienten Sulfamethoxazol (SMX), Carbamazepin (CBZ) und Estron (E1). Dabei wurden verschiedene Umweltmatrices wie Oberflächenwasser und Abwässer mit dem jeweiligen ELISA vermessen. Es wurde ein Ansatz zur Unterscheidung von spezifischen und unspezifischen Interferenzen in Umweltproben aufgezeigt. Durch diesen Ansatz und Anwendung der sauren Hydrolyse der Probe war es möglich, einen bisher unbekannten SMX-Metaboliten zu detektieren und dessen wahrscheinliche Kreuzreaktivität mit 460 ± 150 % abzuschätzen. Es wurde zudem ein neuer Tracer in einer linearen 13-Stufen-Synthese entwickelt, wobei neuartig die Konjugation der Peroxidase an der N1-Position des SMX erfolgte.
Immunoassays are based on the use of antibodies that selectively bind the analyte. The trueness of the results obtained depends to a great extent on the selectivity of the antibodies and can be affected by interferences. In this study, a method was developed in which the sample is separated into fractions by using high-performance liquid chromatography (LC) and these fractions are measured using an enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA). This method was referred to as LC-ELISA. The profile obtained from the measured analyte concentration by ELISA as a function of the elution time was referred to as LC-ELISAgram and offers the possibility to detect interferences which otherwise remain undetected during the ELISA. Sulfamethoxazole (SMX), carbamazepine (CBZ) and estrone (E1) were used as model analytes for the ELISA and LC-ELISA measurements. Various environmental matrices such as surface water and wastewater were examined for their interference in the respective ELISA. The good quantification properties of the validated LC-ELISA have been used to demonstrate an approach to distinguish between specific and non-specific interferences from environmental samples. By this approach and application of acidic hydrolysis of the sample, it was possible to detect a previously unknown metabolite of SMX and estimate its cross-reactivity to probably 460 ± 150%. Furthermore, a new tracer was developed in a linear 13-step synthesis, which resulted in the novel conjugation of the peroxidase at the N1-position of SMX. The new hapten was also used for the synthesis of a novel immunogen.

Im Mittelpunkt dieser Arbeit stand die Analytik eines monoklonalen Antikörpers, der spezifisch auf Cisplatin-behandelte DNA reagiert und bereits routinemäßig zu diagnostischen Zwecken bei der Krebstherapie mit ebendiesem Zytostatikum eingesetzt wird. Zu diesem Zweck wurden vor allem massenspektrometrische Methoden eingesetzt, um einerseits den genauen Aufbau sowie die Zusammensetzung des Antikörpers zu untersuchen und andererseits die Antigenspezifität einer genaueren Betrachtung zu unterziehen. Mit Hilfe von nano-ESI-MS konnte der Antikörper unter Erhalt der nativen Struktur in der Gasphase analysiert werden. Tandem-MS-Experimente lieferten nicht nur einen Einblick in typische Fragmentierungs-muster, sondern generierten z. T. auch Informationen über die Primärsequenz einiger Bereiche des Antikörpers. Die im Fc-Teil gebundenen Glycanstrukturen, die sowohl für die Struktur als auch die Funktionalität des Antikörpers eine entscheidende Rolle spielen, wurden nach enzymatischer Abspaltung separat mit Hilfe von MALDI-MS analysiert. Die vollständige Antikörpersequenz wurde durch proteolytische Spaltung des Antikörpers, Analytik mittels hochaufgelöster Tandem-MS und anschließendem Vergleich mit Daten aus der Sequenzierung auf DNA-Ebene bzw. bekannten Antikörpersequenzen aus Proteindatenbanken aufgeklärt. Im selben Zug konnten auf Peptidebene eine Vielzahl verschiedener posttranslationaler Modifikationen nachgewiesen werden. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass der Antikörper unter Erhalt seiner Struktur und der antigenbindenden Eigenschaften an den Zuckerstrukturen mit einem eigens synthetisierten Metallkomplex markiert werden kann. Die für die Spezifitätsstudie des Antikörpers notwendigen Antigene wurden durch Inkubation synthetischer einzel- und doppelsträngiger DNA-Oligomere mit Cisplatin erzeugt und analysiert. Anschließend wurden die verschiedenen Antikörper-Antigen-Komplexe unter nativen Bedingungen hergestellt und massenspektrometrisch charakterisiert. Um einen Eindruck von der Komplexstabilität zu erhalten wurden zusätzlich MS/MS-Untersuchungen des Komplexes mit der platinierten doppelsträngigen DNA durchgeführt. Wie bei der Analytik des freien Antikörpers konnten auch hier spezifische Fragmente detektiert werden.
The focus of the thesis was the characterization of a monoclonal antibody, which binds specifically to cisplatin-treated DNA and is already used for diagnostic purposes in cancer therapy. The structure and composition of the antibody, as well, as the antigen specificity were investigated by mass spectrometry. Using nano-ESI-MS it was possible to analyse the antibody in its native state. Tandem-MS experiments revealed not only specific antibody fragments but also gave information on the primary structure of the antibody. The Fc-bound glycans that are responsible for antibody structure and functionality, were cleaved enzymatically and studied with MALDI-MS. For a detailed determination of the primary structure, the antibody was proteolysed with different enzymes and analyzed via high resolution Tandem-MS. The data was evaluated by comparism with results from sequence analysis on DNA level and known antibody sequences from protein databases. Simultaneously many different posttranslational modifications were identified. Furthermore, the antibody was successfully labelled with a metal complex at its sugar structures without loss of its structure and function. For investigation of the antibody specificity antigens were generated by incubation of well-defined single and double stranded DNA oligomers with cisplatin. Antibody-antigen-complexes were synthesized and analyzed by mass spectrometry under native conditions. The stability of the complex with double stranded DNA was also investigated by MS/MS-experiments. Thus, it was also possible to determine the specific fragmentation behavior for the complex just as for the free antibody.

Hepcidin-25, ein 2000 entdecktes Peptidhormon, das eine Schlüsselrolle im Eisenstoffwechsel spielt, hat das Verständnis von Eisenerkrankungen revolutioniert. In dieser Studie wurde LC gekoppelt mit einem Triple-Quadrupol MS in einer schnellen und robusten Methode zur Quantifizierung von Hepcidin-25 in menschlichem Serum verwendet, welche letztlich in Routine-Laboratorien genutzt werden soll. Zu diesem Zweck wurden zwei Probenvorbereitungsstrategien und zwei komplementäre LC Bedingungen untersucht, wobei eine saure mobile Phase (0,1% TFA) mit einem neuartigen Ansatz unter der Verwendung einer basischen mobilen Phase (0,1% NH3) verglichen wurde. In einem laborinternen Vergleich beider LC-MS/MS Methoden wurde Hepcidin-25 in humanen Proben unter Verwendung der gleichen Kalibrierstandards quantifiziert und eine sehr gute Korrelation der Ergebnisse ermittelt. Hierbei wurde die Analysestrategie mit saurer mobiler Phase als hochsensitiv (LOQ von 0,5 μg/L) und präzise (CV <15%) befunden und als Kandidat einer Referenzmethoden für die Hepcidin-25 Quantifizierung in realen Proben empfohlen. Einer der neuartigen Aspekte der Methodik war die Verwendung von Amino- und Fluor-silanisierten Autosampler-Fläschchen, um die Adsorption des 25 Reste umfassenden Peptids anOberflächen zu reduzieren. Darüber hinaus wurde diese LC-MS/MS-Methode in einer internationalen Ringversuchsstudie eingesetzt, bei der ein sekundäres Referenzmaterial als Kalibrierstandard verwendet wurde, und gemäß des International Consortium for Harmonization of Clinical Laboratory Results (ICHCLR) als optimal bewertet. In dieser Arbeit wurde die Bildung von Hepcidin-Komplexen mit Kupfer(II) untersucht. Die erste Umkehrphasen-chromatographische Trennung von Hepcidin-25/Cu(II) und Hepcidin-25 (Kupfer "frei") wurde unter Verwendung von mobilen Phasen mit 0,1% NH3 erreicht. LC-MS/MS und FTICR-MS wurden für die Charakterisierung der gebildeten Hepcidin-25-Cu(II)-Spezies bei pH-Werten von 11 bzw. 7,4 verwendet.
Hepcidin-25, a key iron-regulatory peptide hormone discovered in 2000, has revolutionized the understanding of iron-related pathology. This study applied LC-MS/MS, using the triple quadrupole mass spectrometer, in a rapid and robust analytical strategy for the quantification of hepcidin-25 in human serum, to be implemented in routine laboratories. For this purpose, two sample preparation strategies and two complementary LC conditions were investigated, where the use of acidic mobile phases (0.1% TFA) was compared with a novel approach involving solvents at high pH (0.1% NH3). The application of these LC-MS/MS methods to human samples in an intra-laboratory comparison, using the same hepcidin-25 calibrators, yielded a very good correlation of the results. The LC-MS/MS employing trifluoroacetic acid-based mobile phases was selected as a highly sensitive (LOQ of 0.5 µg/L) and precise (CV<15%) method and was recommended as a reference method candidate for hepcidin-25 quantification in real samples. One of the novel aspects of the methodology was the use of amino- and fluoro-silanized autosampler vials to reduce the interaction of the 25-residue peptide to laboratory glassware surfaces. Moreover, this LC-MS/MS method was used for an international round robin study, applying a secondary reference material as a calibrator and its performance was found to be in the optimal range as defined by the International Consortium for Harmonization of Clinical Laboratory Results (ICHCLR). In this work, the formation of hepcidin-25 complexes with copper(II) was investigated. The first reversed-phase chromatographic separation of hepcidin-25/Cu2+ and hepcidin-25 (copper “free”) was achieved by applying mobile phases containing 0.1% NH3. LC-MS/MS and FTICR-MS were applied for the characterization of the formed hepcidin-25-Cu(II) species at pH values of 11 and 7.4 respectively. A new species corresponding to hepcidin-25 complexed with two copper ions was identified at high pH.

Thesis (M.Eng.(Microelectronic Engineering))--University of Pretoria, 2009.
Includes summaries in Afrikaans and English. Includes bibliographical references (leaves [74]-78). Mode of access: World Wide Web.

During intense rain events a stormwater system can fill rapidly and undergo a transition from open channel flow to pressurized flow. This transition can create large discrete pockets of trapped air in the system. These pockets are pressurized in the horizontal reaches of the system and then are released through vertical vents. In extreme cases, the transition and release of air pockets can create a geyser feature. The current models are inadequate for simulating mixed flows with complicated air-water interactions, such as geysers. Additionally, the simulation of air escaping in the vertical dropshaft is greatly simplified, or completely ignored, in the existing models. In this work a two-phase numerical model solving the Navier-Stokes equations is developed to investigate the key factors that form geysers. A projection method is used to solve the Navier-Stokes Equation. An advanced two-phase flow model, Volume of Fluid (VOF), is implemented in the Navier-Stokes solver to capture and advance the interface. This model has been validated with standard two-phase flow test problems that involve significant interface topology changes, air entrainment and violent free surface motion. The results demonstrate the capability of handling complicated two-phase interactions. The numerical results are compared with experimental data and theoretical solutions. The comparisons consistently show satisfactory performance of the model. The model is applied to a real stormwater system and accurately simulates the pressurization process in a horizontal channel. The two-phase model is applied to simulate air pockets rising and release motion in a vertical riser. The numerical model demonstrates the dominant factors that contribute to geyser formation, including air pocket size, pressurization of main pipe and surcharged state in the vertical riser. It captures the key dynamics of two-phase flow in the vertical riser, consistent with experimental results, suggesting that the code has an excellent potential of extending its use to practical applications.

Ce travail concerne l'analyse comparative des sequences proteiques dans le cas ou les substitutions sont reparties de facon heterogenes le long des sequences, ce resultant de pressions de selection diverses et opposees. L'analyse des regions variables et conservees necessitait de developper de nouveaux outils d'analyse pour l'alignement des sequences, la segmentation en regions dites homogenes et la classification des sequences

Methyl bromide (MBr) was widely used as a soil fumigant to manage soilborne pests in plasticulture vegetable production; however, it has been banned by the United Nations Environment Programme. Alternatives to MBr must be implemented to sustain fresh market tomato productivity. Possible MBr alternatives include new fumigant compounds, improved plastic mulch, and grafting. Methyl iodide (MeI) and dimethyl disulfide (DMDS) were tested as fumigant alternatives to MBr for the control of yellow nutsedge and soilborne pathogens of tomato. Virtually impermeable film (VIF) and totally impermeable film (TIF) were tested for fumigant retention and yellow nutsedge control in tomato. Grafting onto resistant rootstocks was tested for bacterial wilt and nematode management in tomato. In the absence of a soil fumigant, TIF suppressed yellow nutsedge better than VIF. TIF increased fumigant retention compared to VIF at similar application rates. Reduced fumigant application rates could be used in combination with TIF while maintaining fumigant concentrations, weed control, and crop yields comparable to greater use rates with VIF. Shank applied DMDS rates could be lowered to 281 L/ha under TIF from 468 L/ha under VIF; shank applied MeI application rates could be reduced to 56 L/ha under TIF compared to 93 L/ha under VIF and drip applied DMDS could be reduced from 561 L/ha under VIF film to 374 L/ha under TIF. Grafting susceptible commercial tomato cultivars onto resistant tomato hybrid rootstocks increased yields and plant survival in bacterial wilt infested fields. â Cheong Gangâ , â BHN 998â , and â BHN 1054â were the best performing rootstocks for bacterial wilt resistance and tomato fruit yield in severely infested fields. Grafting increased tomato yield and decreased root galling from root-knot nematodes in an infested field. Hybrid rootstock â RST 106â resulted in the lowest root-knot nematode galling. In conclusion, TIF with reduced rates of DMDS or MeI is a viable MBr alternative for fresh market tomato production to retain effective doses of fumigant, manage yellow nutsedge and maintain yields. Grafting is an effective MBr alternative to manage bacterial wilt and root-knot nematode and maintain tomato yields.
Ph. D.

La spécificité des logiciels scientifiques développés par IFP Energies nouvelles tient avant tout à l'originalité des modèles représentant les situations physiques exprimés sous forme de systèmes d'EDPs assortis de lois de fermeture complexes. Le développement de ces logiciels, conçus pour être exécutés sur les super calculateurs parallèles modernes, nécessite de combiner des méthodes volumes finis robustes et efficaces avec des technologies informatiques qui permettent de tirer au mieux parti de ces calculateurs (parallélisme, gestion de la mémoire, réseaux d'interconnexion, etc). Ces technologies de plus en plus sophistiquées ne peuvent plus être maîtrisées dans leur ensemble par les chercheurs métiers chargés d'implémenter des nouveaux modèles. Dans ce rapport nous proposons un langage spécifique aux méthodes de discrétisation Volumes Finis permettant le prototypage rapide de codes industriels ou de recherche. Nous décrivons le cadre mathématique sur lequel nous nous basons ainsi que la mise au point du nouveau langage. Les travaux out été validés sur des problèmes académiques puis par le prototypage d'une application industrielle dans le cadre de l'axe ''CO2 maîtrisé''.

Le mouvement d'une bulle d'azote de Taylor dans des solutions mixtes glycérol-eau s'élevant à travers différents types d'expansions et de contractions est étudié par une approche numérique. La procédure CFD est basée sur un solveur open-source Basilisk, qui adopte la méthode du volume de fluide (VOF) pour capturer l'interface gaz-liquide. Les résultats des expansions/contractions soudaines sont comparés aux résultats expérimentaux. Les résultats montrent que les simulations sont en bon accord avec les expériences. La vitesse de la bulle augmente dans les expansions soudaines et diminue dans les contractions soudaines. Le modèle de rupture des bulles est observé dans les expansions soudaines avec de grands taux d'expansion, et un modèle de blocage des bulles est observé dans les contractions soudaines avec de petits rapports de contraction. De plus, la contrainte de cisaillement de la paroi, l'épaisseur du film liquide et la pression dans les simulations sont étudiées pour comprendre l'hydrodynamique de la bulle de Taylor montant par expansions/contractions. Le processus transitoire de la bulle de Taylor passant par une expansion/contraction soudaine est ensuite analysé pour trois singularités différentes: graduelle, parabolique convexe et parabolique concave. Une caractéristique unique de la contraction concave parabolique est que la bulle de Taylor passe par la contraction même pour de petits rapports de contraction. De plus, un modèle de changement de phase est développé dans le solveur Basilisk. Afin d'utiliser la méthode VOF géométrique existante dans Basilisk, une méthode VOF géométrique générale en deux étapes est implémentée. Le flux de masse n'est pas calculé dans les cellules interfaciales mais transféré aux cellules voisines autour de l'interface. La condition aux limites de température saturée est imposée à l'interface par une méthode de cellule fantôme. Le modèle de changement de phase est validé par évaporation de gouttelettes avec un taux de transfert de masse constant, le problème de Stefan unidimensionnel, le problème d'aspiration de l'interface et un cas d'ébullition à film plan. Les résultats montrent un bon accord avec les solutions analytiques ou les corrélations
The motion of a nitrogen Taylor bubble in glycerol-water mixed solutions rising through different types of expansions and contractions is investigated by a numerical approach. The CFD procedure is based on an open-source solver Basilisk, which adopts the volume-of-fluid (VOF) method to capture the gas-liquid interface. The results of sudden expansions/contractions are compared with experimental results. The results show that the simulations are in good agreement with experiments. The bubble velocity increases in sudden expansions and decreases in sudden contractions. The bubble break-up pattern is observed in sudden expansions with large expansion ratios, and a bubble blocking pattern is found in sudden contractions with small contraction ratios. In addition, the wall shear stress, the liquid film thickness, and pressure in the simulations are studied to understand the hydrodynamics of the Taylor bubble rising through expansions/contractions. The transient process of the Taylor bubble passing through sudden expansion/contraction is further analyzed for three different singularities: gradual, parabolic convex and parabolic concave. A unique feature in parabolic concave contraction is that the Taylor bubble passes through the contraction even for small contraction ratios. Moreover, a phase change model is developed in the Basilisk solver. In order to use the existed geometric VOF method in Basilisk, a general two-step geometric VOF method is implemented. Mass flux is calculated not in the interfacial cells but transferred to the neighboring cells around the interface. The saturated temperature boundary condition is imposed at the interface by a ghost cell method. The phase change model is validated by droplet evaporation with a constant mass transfer rate, the one-dimensional Stefan problem, the sucking interface problem, and a planar film boiling case. The results show good agreement with analytical solutions or correlations

Der Sprengstoff PETN ist äußerst schwer zu detektieren. Ein verbesserter anti-PETN-Antikörper wurde durch Anwendung des Bioisosterie-Konzepts entwickelt. Diese polyklonalen IgGs sind sehr selektiv und sensitiv. Die Nachweisgrenze des ELISAs beträgt 0,15 µg/L. Der Messbereich des Immunoassays liegt zwischen 1 und 1000 µg/L. Die Antikörper sind recht pH-stabil als auch robust gegen Lösungsmittelzusätze. Für die Umweltanalytik von TNT wurde eine HPLC-kompatible Affinitätssäule mit porösem Glas als Trägermaterial hergestellt. Um die anti-TNT-Antikörper selektiv aus den TNT-Seren zu isolieren, wurde eine Trennung an einer Dinitrophenyl-Affinitätssäule durchgeführt. Zur Optimierung der Kopplungsmethode wurden orangefarbene Dabsyl-Proteine synthetisiert und auf der Oberfläche gebunden. Die Färbung wurde als Indikator für die Ligandendichte verwendet. Wegen der hohen Affinitätskonstanten der anti-TNT-IgGs lässt sich TNT nicht reversibel von der TNT-Affinitätssäule eluieren. Daher wurde eine neuartige Elutionsmethode entwickelt, die thermische Online-Elution. Die maximale Kapazität einer TNT- Affinitätssäule betrug 650 ng TNT bzw. 10 µg/mL Säulenvolumen. Um die Ligandendichte der TNT-Affinitätssäulen zu bestimmen, wurde ein neues Verfahren entwickelt, da die spektroskopischen Proteinbestimmungsmethoden nicht geeignet waren. Zur Proteinbestimmung wurde eine HPLC-Trennung der Aminosäuren Tyr und Phe ohne vorherige Derivatisierung entwickelt. Die Proteinhydrolysezeit wurde durch Einsatz einer Mikrowelle von 22 h auf 30 min verkürzt. Zur internen Kalibrierung wurden HTyr und FPhe verwendet. Die Nachweisgrenze bei 215 nm ist sowohl für Tyr als auch für Phe 0,05 µM (~ 10 µg/L). Dieses neue Verfahren, das als Aromatische Aminosäureanalyse (AAAA) bezeichnet werden kann, wurde zur Proteinbestimmung von homogenen Proben mit NIST-BSA validiert, wobei die Nachweisgrenze für Proteine 16 mg/L (~ 300 ng BSA) ist. Die relative Standardabweichung incl. der Hydrolysestufe beträgt 5%.
The explosive Pentaerythritol tetranitrate (PETN) is extremely difficult to detect. An improved antibody against PETN was developed by using the bioisosteric concept. These polyclonal antibodies are highly selective and sensitive. The limit of detection (LOD) of the ELISA was determined to be 0.15 µg/L. The dynamic range of the assay was found to be between 1 and 1000 µg/L. The antibodies are sufficiently pH-stable and resistant to solvent additives. An HPLC-compatible TNT-affinity column with porous glass as support material was prepared for the environmental analysis. In order to isolate the anti-TNT antibodies of the TNT sera a separation was carried out on a dinitrophenyl-affinity column. To optimize the immobilization method, orange-coloured dabsyl proteins were synthesized and bound to the surface. The colour intensity was found to be an indicator for the immobilization rate. In consequence of the high affinity constants of the anti-TNT antibodies, TNT can''t elute by a typical acidic elution step. Therefore, a novel separation approach, the thermal online-elution was developed. The maximum capacity of an affinity column was 650 ng TNT or 10 µg/mL of column volume. To quantify the immobilization rate of proteins, a new method has been developed, because the usual protein determination methods were unsuitable. Therefore an HPLC separation method of Tyr and Phe was developed without prior derivatization. Two internal standard compounds, HTyr and FPhe, were used for calibration. The LOD was estimated to be 0.05 µM (~ 10 µg/L) for Tyr and Phe at 215 nm. The protein hydrolysis time was reduced from 22 h to 30 min using microwave technique. This procedure, that was termed aromatic amino acid analysis (AAAA), has been validated for protein determination of homogeneous samples with NIST-BSA. The LOD for proteins was calculated to be below 16 mg/L (~ 300 ng BSA absolute). The relative standard deviation, including the hydrolysis step, is 5%.

The study and modelling of two-phase flow, even the simplest ones such as the bubbly flow, remains a challenge that requires exploring the physical phenomena from different spatial and temporal resolution levels. CFD (Computational Fluid Dynamics) is a widespread and promising tool for modelling, but nowadays, there is no single approach or method to predict the dynamics of these systems at the different resolution levels providing enough precision of the results. The inherent difficulties of the events occurring in this flow, mainly those related with the interface between phases, makes that low or intermediate resolution level approaches as system codes (RELAP, TRACE, ...) or 3D TFM (Two-Fluid Model) have significant issues to reproduce acceptable results, unless well-known scenarios and global values are considered. Instead, methods based on high resolution level such as Interfacial Tracking Method (ITM) or Volume Of Fluid (VOF) require a high computational effort that makes unfeasible its use in complex systems. In this thesis, an open-source simulation framework has been designed and developed using the OpenFOAM library to analyze the cases from microescale to macroscale levels. The different approaches and the information that is required in each one of them have been studied for bubbly flow. In the first part, the dynamics of single bubbles at a high resolution level have been examined through VOF. This technique has allowed to obtain accurate results related to the bubble formation, terminal velocity, path, wake and instabilities produced by the wake. However, this approach has been impractical for real scenarios with more than dozens of bubbles. Alternatively, this thesis proposes a CFD Discrete Element Method (CFD-DEM) technique, where each bubble is represented discretely. A novel solver for bubbly flow has been developed in this thesis. This includes a large number of improvements necessary to reproduce the bubble-bubble and bubble-wall interactions, turbulence, velocity seen by the bubbles, momentum and mass exchange term over the cells or bubble expansion, among others. But also new implementations as an algorithm to seed the bubbles in the system have been incorporated. As a result, this new solver gives more accurate results as the provided up to date. Following the decrease on resolution level, and therefore the required computational resources, a 3D TFM have been developed with a population balance equation solved with an implementation of the Quadrature Method Of Moments (QMOM). The solver is implemented with the same closure models as the CFD-DEM to analyze the effects involved with the lost of information due to the averaging of the instantaneous Navier-Stokes equation. The analysis of the results with CFD-DEM reveals the discrepancies found by considering averaged values and homogeneous flow in the models of the classical TFM formulation. Finally, for the lowest resolution level approach, the system code RELAP5/MOD3 is used for modelling the bubbly flow regime. The code has been modified to reproduce properly the two-phase flow characteristics in vertical pipes, comparing the performance of the calculation of the drag term based on drift-velocity and drag coefficient approaches.
El estudio y modelado de flujos bifásicos, incluso los más simples como el bubbly flow, sigue siendo un reto que conlleva aproximarse a los fenómenos físicos que lo rigen desde diferentes niveles de resolución espacial y temporal. El uso de códigos CFD (Computational Fluid Dynamics) como herramienta de modelado está muy extendida y resulta prometedora, pero hoy por hoy, no existe una única aproximación o técnica de resolución que permita predecir la dinámica de estos sistemas en los diferentes niveles de resolución, y que ofrezca suficiente precisión en sus resultados. La dificultad intrínseca de los fenómenos que allí ocurren, sobre todo los ligados a la interfase entre ambas fases, hace que los códigos de bajo o medio nivel de resolución, como pueden ser los códigos de sistema (RELAP, TRACE, etc.) o los basados en aproximaciones 3D TFM (Two-Fluid Model) tengan serios problemas para ofrecer resultados aceptables, a no ser que se trate de escenarios muy conocidos y se busquen resultados globales. En cambio, códigos basados en alto nivel de resolución, como los que utilizan VOF (Volume Of Fluid), requirieren de un esfuerzo computacional tan elevado que no pueden ser aplicados a sistemas complejos. En esta tesis, mediante el uso de la librería OpenFOAM se ha creado un marco de simulación de código abierto para analizar los escenarios desde niveles de resolución de microescala a macroescala, analizando las diferentes aproximaciones, así como la información que es necesaria aportar en cada una de ellas, para el estudio del régimen de bubbly flow. En la primera parte se estudia la dinámica de burbujas individuales a un alto nivel de resolución mediante el uso del método VOF (Volume Of Fluid). Esta técnica ha permitido obtener resultados precisos como la formación de la burbuja, velocidad terminal, camino recorrido, estela producida por la burbuja e inestabilidades que produce en su camino. Pero esta aproximación resulta inviable para entornos reales con la participación de más de unas pocas decenas de burbujas. Como alternativa, se propone el uso de técnicas CFD-DEM (Discrete Element Methods) en la que se representa a las burbujas como partículas discretas. En esta tesis se ha desarrollado un nuevo solver para bubbly flow en el que se han añadido un gran número de nuevos modelos, como los necesarios para contemplar los choques entre burbujas o con las paredes, la turbulencia, la velocidad vista por las burbujas, la distribución del intercambio de momento y masas con el fluido en las diferentes celdas por cada una de las burbujas o la expansión de la fase gaseosa entre otros. Pero también se han tenido que incluir nuevos algoritmos como el necesario para inyectar de forma adecuada la fase gaseosa en el sistema. Este nuevo solver ofrece resultados con un nivel de resolución superior a los desarrollados hasta la fecha. Siguiendo con la reducción del nivel de resolución, y por tanto los recursos computacionales necesarios, se efectúa el desarrollo de un solver tridimensional de TFM en el que se ha implementado el método QMOM (Quadrature Method Of Moments) para resolver la ecuación de balance poblacional. El solver se desarrolla con los mismos modelos de cierre que el CFD-DEM para analizar los efectos relacionados con la pérdida de información debido al promediado de las ecuaciones instantáneas de Navier-Stokes. El análisis de resultados de CFD-DEM permite determinar las discrepancias encontradas por considerar los valores promediados y el flujo homogéneo de los modelos clásicos de TFM. Por último, como aproximación de nivel de resolución más bajo, se investiga el uso uso de códigos de sistema, utilizando el código RELAP5/MOD3 para analizar el modelado del flujo en condiciones de bubbly flow. El código es modificado para reproducir correctamente el flujo bifásico en tuberías verticales, comparando el comportamiento de aproximaciones para el cálculo del término d
L'estudi i modelatge de fluxos bifàsics, fins i tot els més simples com bubbly flow, segueix sent un repte que comporta aproximar-se als fenòmens físics que ho regeixen des de diferents nivells de resolució espacial i temporal. L'ús de codis CFD (Computational Fluid Dynamics) com a eina de modelatge està molt estesa i resulta prometedora, però ara per ara, no existeix una única aproximació o tècnica de resolució que permeta predir la dinàmica d'aquests sistemes en els diferents nivells de resolució, i que oferisca suficient precisió en els seus resultats. Les dificultat intrínseques dels fenòmens que allí ocorren, sobre tots els lligats a la interfase entre les dues fases, fa que els codis de baix o mig nivell de resolució, com poden ser els codis de sistema (RELAP,TRACE, etc.) o els basats en aproximacions 3D TFM (Two-Fluid Model) tinguen seriosos problemes per a oferir resultats acceptables , llevat que es tracte d'escenaris molt coneguts i se persegueixen resultats globals. En canvi, codis basats en alt nivell de resolució, com els que utilitzen VOF (Volume Of Fluid), requereixen d'un esforç computacional tan elevat que no poden ser aplicats a sistemes complexos. En aquesta tesi, mitjançant l'ús de la llibreria OpenFOAM s'ha creat un marc de simulació de codi obert per a analitzar els escenaris des de nivells de resolució de microescala a macroescala, analitzant les diferents aproximacions, així com la informació que és necessària aportar en cadascuna d'elles, per a l'estudi del règim de bubbly flow. En la primera part s'estudia la dinàmica de bambolles individuals a un alt nivell de resolució mitjançant l'ús del mètode VOF. Aquesta tècnica ha permès obtenir resultats precisos com la formació de la bambolla, velocitat terminal, camí recorregut, estela produida per la bambolla i inestabilitats que produeix en el seu camí. Però aquesta aproximació resulta inviable per a entorns reals amb la participació de més d'unes poques desenes de bambolles. Com a alternativa en aqueix cas es proposa l'ús de tècniques CFD-DEM (Discrete Element Methods) en la qual es representa a les bambolles com a partícules discretes. En aquesta tesi s'ha desenvolupat un nou solver per a bubbly flow en el qual s'han afegit un gran nombre de nous models, com els necessaris per a contemplar els xocs entre bambolles o amb les parets, la turbulència, la velocitat vista per les bambolles, la distribució de l'intercanvi de moment i masses amb el fluid en les diferents cel·les per cadascuna de les bambolles o els models d'expansió de la fase gasosa entre uns altres. Però també s'ha hagut d'incloure nous algoritmes com el necessari per a injectar de forma adequada la fase gasosa en el sistema. Aquest nou solver ofereix resultats amb un nivell de resolució superior als desenvolupat fins la data. Seguint amb la reducció del nivell de resolució, i per tant els recursos computacionals necessaris, s'efectua el desenvolupament d'un solver tridimensional de TFM en el qual s'ha implementat el mètode QMOM (Quadrature Method Of Moments) per a resoldre l'equació de balanç poblacional. El solver es desenvolupa amb els mateixos models de tancament que el CFD-DEM per a analitzar els efectes relacionats amb la pèrdua d'informació a causa del promitjat de les equacions instantànies de Navier-Stokes. L'anàlisi de resultats de CFD-DEM permet determinar les discrepàncies ocasionades per considerar els valors promitjats i el flux homogeni dels models clàssics de TFM. Finalment, com a aproximació de nivell de resolució més baix, s'analitza l'ús de codis de sistema, utilitzant el codi RELAP5/MOD3 per a analitzar el modelatge del fluxos en règim de bubbly flow. El codi és modificat per a reproduir correctament les característiques del flux bifàsic en canonades verticals, comparant el comportament d'aproximacions per al càlcul del terme de drag basades en velocitat de drift flux model i de les basades en coe
Peña Monferrer, C. (2017). Computational fluid dynamics multiscale modelling of bubbly flow. A critical study and new developments on volume of fluid, discrete element and two-fluid methods [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90493
TESIS

Kovalente posttranslationale Modifikationen (PTMs) beeinflussen die Struktur und Funktion von Proteinen. Zu den bedeutendsten PTMs zählt die Proteinphosphorylierung. Labile Phosphorylierungen an Cystein- und Lysinresten, sowie Pyrophosphorylierungen an Serin- und Threoninbausteinen sind vermehrt in den Fokus der Wissenschaft gerückt. Trotz großer Fortschritte auf dem Gebiet der Massenspektrometrie (MS) bleibt die Analyse dieser empfindlichen Modifikationen mittels Tandem-MS eine große Herausforderung. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass Elektronentransferdissoziation (ETD) in Kombination mit zusätzlicher HCD Aktivierung (EThcD) in der Lage ist, Peptide mit labilen Phosphorylierungen in der Seitenkette unter Erhalt der Modifikation zu fragmentieren. In verschiedenen proteomischen Ansätzen wird demonstriert, dass EThcD eine zweifelsfreie Identifizierung natürlich vorkommender Cysteinphosphorylierungen ermöglicht. Darüber hinaus wurde unter dem Gesichtspunkt der Labilität von Lysinphosphorylierungen ein bottom-up-Phosphoproteomikansatz etabliert. Das MS-Verfahren beruht auf der Generierung eines diagnostischen Phospholysinimmoniumions, welches im zweiten Schritt die Erfassung eines zusätzlichen EThcD-Spektrums desselben Precursorions veranlässt (triggert). Darüber hinaus wird im Zuge dieser Arbeit gezeigt, dass sich pyrophosphorylierte Peptide unter CID-Bedingungen in ihrem Neutralverlustmuster von isobaren diphosphorylierten Peptiden unterscheiden. Dieses Verhalten stellt einen Schlüsselschritt in einer neutralverlustgetriggerten EThcD Methode dar, welche die zweifelsfreie Identifizierung von Pyrophosphorylierungen ermöglicht. Darauf basierend konnten in Hefezellen und humanen embryonalen Nierenzellen die ersten Proteinpyrophosphorylierungen, einer neuen endogenen posttranslationalen Modifikation, nachgewiesen werden.
Covalent posttranslational modifications (PTMs) influence the structure and function of proteins. Protein phosphorylations belong to the most important PTMs. Rarely characterized labile phosphorylations, for instance phosphorylations of cysteine and lysine and pyrophosphorylations of serine and threonine residues got into the focus of science. However, the analysis of those delicate modifications via tandem mass spectrometry remains a challenge. In the present work, it is shown that electron-transfer dissociation (ETD) combined with HCD supplemental activation (EThcD) is able to fragment peptides with labile phosphorylations at the side chains without losing the modification. In several bottom-up proteomic approaches, EThcD allowed the reliable identification of a naturally occurring cysteine phosphorylation. Moreover, methods for identification of lysine phosphorylations were developed. For the proteome wide analysis of lysine phosphorylations, considering the lability, a bottom-up phosphoproteomic approach with a highly selective mass spectrometry method was established. The MS-method relies on the generation of diagnostic phospholysine immonium ions during HCD, which trigger in a second step an additional EThcD spectrum of the same precursor ion. This strategy ensures the confident identification of lysine phosphorylated peptides. Furthermore, the present work shows that isobaric pyro- and diphosphorylated peptides differ in their neutral loss pattern during CID. This behavior was a key step in a specific neutral loss triggered EThcD method, which enabled the reliable identification of pyrophosphorylations. This method allowed the identification of the first protein pyrophosphorylations, a new endogenous PTM, in yeast and human embryonic kidney cells.

L’émergence de bruits auparavant inaudibles dans les réservoirs à carburants automobiles requiert des constructeurs une meilleure compréhension des phénomènes physiques intervenants au sein de leurs produits. Dans cette thèse, différents travaux ont été conduits autour de l’étude du ballottement de fluide dans une cuve rigide rectangulaire partiellement remplie de fluide et soumise à une excitation extérieure. La première partie présente un état de l’art sur le sloshing suivant trois approches complémentaires - approche analytique, approche numérique et approche expérimentale - permettant d’orienter les travaux. Dans une deuxième partie, une étude préliminaire sur le sloshing dans une cuve rectangulaire soumise à une excitation harmonique forcée est réalisée. La confrontation des résultats numériques entre une approche linéaire - basée sur la théorie d’écoulement potentiel tenant compte de la viscosité du fluide [Schotté et Ohayon, 2013] - et une approche non linéaire commerciale – basée sur la résolution des équations de Navier-Stokes - permet de définir un paramètre de linéarité. Ce dernier permet de déterminer les cas de sloshing qui nécessitent une résolution non linéaire et ceux pour lesquels la théorie linéaire suffit pour prédire le phénomène. La troisième partie de ce document présente une étude expérimentale du ballottement de fluide dans une cuve rectangulaire rigide soumise à un freinage automobile. Deux niveaux de remplissage créant deux types d’impacts contre les parois (avec et sans enfermement de poche d’air) ont été analysés. Les essais menés ont permis de mesurer les forces engendrées par le mouvement du fluide, les pressions d’impact en paroi ainsi que le champ de vitesse par méthode Particle Image Velocimetry (PIV). Ce chapitre constitue une importante base de données expérimentales ayant permis d’étudier précisément le phénomène physique. L’étude est complétée par une confrontation des résultats expérimentaux avec des résultats Computational Fluid Dynamics (CFD). Enfin, pour conclure ce mémoire, une étude du sloshing dans un réservoir en tenant compte de la Fluid-Structure Interaction (FSI) est présentée. Le choix du couplage a été porté sur un schéma partitionné itératif faible avec, dans un premier temps, une approche potentielle instationnaire, puis avec une approche Volume Of Fluid (VOF) pour la physique fluide. Les limites d’un tel couplage dans le cas d’étude d’un réservoir partiellement rempli de fluide et attaché de manière flexible en fonction du rapport de masse fluide-réservoir ont été mises en évidence. La correction du schéma de couplage par l’effet de masse ajoutée présentée dans [Song et al., 2013] permet la résolution d’un système couplé quel que soit le rapport de masse en jeu et améliore de manière significative la convergence en réduisant également fortement le temps de calcul
The present thesis focuses on an investigation of the sloshing phenomenon in a partially filled fuel tank submitted to a harmonic excitation motion. In the first part, the confrontation of numerical results between a linear approach - taking into account viscosity - and a nonlinear approach based on a commercial code leads to define a parameter of linearity. This parameter allows determining cases of sloshing who require non-linear resolution and those who need a linear theory to predict the phenomenon. An experimental study of fluid sloshing in a rectangular tank submitted to an automotive braking is conducted. Tests leaded allow measuring global forces engendered by the motion of the fluid, pressure of fluid impact and velocity field by PIV. This chapter provides an important data base and helps to investigate on the physical phenomenon. This study is completed by CFD results. To conclude, a numerical model for fluid-structure interactions is presented. Limits of this segregated partitioned coupling in case of sloshing in tank flexibly attached are highlighted, depending mostly on the mass ratio between fluid and tank structure. An added-mass term is integrated to the corrected staggered scheme ensuring systematically the convergence of the coupled solution and reducing significantly the iterations required