This PhD dissertation proposes innovative methodologies to support the designing and the mapping process of embedded systems. Due to the increasing requirements, embedded systems have become quite complex, as they consist of several partially dependent heterogeneous components. Systematic Design Space Exploration (DSE) methodologies are required to support the near-optimal design of embedded systems within the available short time-to-market. In this target domain, the existing DSE approaches either require too much exploration time to find near-optimal designs due to the high number of parameters and the correlations between the parameters of the target domain, or they end up with a less efficient trade-off result in order to find a design within acceptable time. In this dissertation we present an alternative DSE methodology, which is based on systematic creation of scalable and near-optimal DSE frameworks. The frameworks describe all the available options of the exploration space in a finite set of classes. A set of principles is presented which is used in the reusable DSE methodology to create a scalable and near-optimal framework and to efficiently use it to derive scalable and near-optimal design solutions within a Pareto trade-off space. The DSE reusable methodology is applied to several stages of the embedded system design flow to derive scalable and near-optimal methodologies. The first part of the dissertation is dedicated to the development of mapping methodologies for storing large embedded system data arrays in the lower layers of the on-chip background data memory hierarchy, and the second part to the DSE methodologies for the processing part of SW/HW architectures in embedded systems including the foreground memory systems. Existing mapping approaches for the background memory part are either enumerative, symbolic/polyhedral and worst case (heuristics) approximations. The enumerative approaches require too much exploration time, the worst case approximation lead to overestimation of the storage requirements, whereas the symbolic/polytope approaches are scalable and near-optimal for solid and regular iteration spaces. By applying the new reusable DSE methodology, we have developed an intra-signal in-place optimization methodology which is scalable and near-optimal for highly irregular access schemes. Scalable and near-optimal solutions for the different cases of the proposed methodology have been developed for the cases of non-overlapping and overlapping store and load access schemes. To support the proposed methodology, a new representation of the array access schemes, which is appropriate to express the irregular shapes in a scalable and near-optimal way, is presented. A general pattern formulation has been proposed which describes the access scheme in a compact and repetitive way. Pattern operations were developed to combine the patterns in a scalable and near-optimal way under all the potential pattern combination cases, which may exist in the application under study. In the processing oriented part of the dissertation, a DSE methodology is developed for mapping instance of a predefined target application domain onto a partially fixed architecture platform template, which consists of one processor core and several custom hardware accelerators. The DSE methodology consists of uni-directional steps, which are implemented through parametric templates and are applied without costly design iterations. The proposed DSE methodology explores the space by instantiating the steps and propagating design constraints which prune design options following the steps ordering. The result is a final Pareto trade-off curve with the most relevant near-optimal designs. As the scheduling and the assignment are the major tasks of both the foreground and the datapath, near-optimal and scalable techniques are required to support the parametric templates of the proposed DSE methodology. A framework which describes the scheduling and assignment of the scalars into the registers and the scheduling and assignment of the operation into the function units of the data path is developed. Based on the framework, a systematic methodology to arrive at parametric templates for scheduling and assignment techniques which satisfy the target domain constraints is developed. In this way, a scalable parametric template for scheduling and assignment tasks is created, which guarantees near-optimality for the domain under study. The developed template can be used in the Foreground Memory Management step and Data-path mapping step of the overall design flow. For the DSE of the domain under study, near-optimal results are hence achieved through a truly scalable technique. / Η παρούσα διδακτορική διατριβή προτείνει καινοτόμες μεθοδολογίες για τον σχεδιασμό και τη διαδικασία απεικόνισης σε ενσωματωμένα συστημάτα. Λόγω των αυξανόμενων απαιτήσεων, τα ενσωματωμένα συστήματα είναι αρκετά περίπλοκα, καθώς αποτελούνται από πολλά και εν μέρει εξαρτώμενα ετερογενή στοιχεία. Συστηματικές μεθοδολογίες για την εξερεύνηση του χώρου λύσεων (Design Space Exploration – DSE) απαιτούνται σχεδόν βέλτιστες σχεδιάσεις ενσωματωμένων συστημάτων εντός του διαθέσιμου χρονου. Οι υπάρχουσες DSE μεθοδολογίες απαιτούν είτε πάρα πολύ χρόνο εξερεύνησης για να βρουν τους σχεδόν βέλτιστους σχεδιασμούς, λόγω του μεγάλου αριθμού των παραμέτρων και τις συσχετίσεις μεταξύ των παραμέτρων, ή καταλήγουν με ένα λιγότερο βέλτιστο σχέδιο, προκειμένου να βρειθεί ένας σχεδιασμός εντός του διαθέσιμου χρόνου. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζουμε μια εναλλακτική DSE μεθοδολογία, η οποία βασίζεται στη συστηματική δημιουργία επεκτάσιμων και σχεδόν βέλτιστων DSE πλαισίων. Τα πλαίσια περιγράφουν όλες τις διαθέσιμες επιλογές στο χώρο εξερεύνησης με ένα πεπερασμένο σύνολο κατηγοριών. Ένα σύνολο αρχών χρησιμοποιείται στην επαναχρησιμοποιήούμενη DSE μεθοδολογία για να δημιουργήσει ένα επεκτάσιμο και σχεδόν βέλτιστο DSE πλαίσιο και να χρησιμοποιήθεί αποτελεσματικά για να δημιουργήσει επεκτάσιμες και σχεδόν βέλτιστες σχεδιαστικές λύσεις σε ένα Pareto Trade-off χώρο λύσεων. Η DSE μεθοδολογία εφαρμόζεται διάφορα στάδια της σχεδιαστικής ροής για ενσωματωμένα συστήματα και να δημιουργήσει επεκτάσιμες και σχεδόν βέλτιστες μεθοδολογίες. Το πρώτο μέρος της διατριβής είναι αφιερωμένο στην ανάπτυξη των μεθόδων απεικόνισης για την αποθήκευση μεγάλων πινάκων που χρησιμοποιούνται στα ενσωματωμένα συστήματα και αποθηκεύονται στα χαμηλότερα στρώματα της on-chip Background ιεραρχία μνήμης. Το δεύτερο μέρος είναι αφιερωμένο σε DSE μεθοδολογίες για το τμήμα επεξεργασίας σε αρχιτεκτονικές λογισμικού/υλικού σε ενσωματωμένα συστήματα, συμπεριλαμβανομένων των συστημάτων της προσκήνιας (foreground) μνήμης. Υπάρχουσες μεθοδολογίες απεικόνισης για την Background μνήμης είτε εξονυχιστικές, συμβολικές/πολυεδρικές και προσεγγίσεις με βάση τη χειρότερη περίπτωση. Οι εξονυχιστικές απαιτούν πάρα πολύ μεγάλο χρόνο εξερεύνησης, οι προσεγγίσεις οδηγούν σε υπερεκτίμηση των απαιτήσεων αποθήκευσης, ενώ οι συμβολικές είναι επεκτάσιμη και σχεδόν βέλτιστές μονο για τακτικούς χώρους επαναλήψεων. Με την εφαρμογή της προτεινόμενης DSE μεθοδολογίας αναπτύχθηκε μια επεκτάσιμη και σχεδόν βέλτιστη μεθοδολγοία για την εύρεση του αποθηκευτικού μεγέθους για τα δεδομένα ενός πίνακα για άτακτους και για τακτικούς χώρους επαναλήψεων. Προτάθηκε μια νέα αναπαράσταση των προσπελάσεων στη μνήμη, η οποία εκφράζει τα ακανόνιστα σχήματα στο χώρο επεναλήψεων με επακτάσιμο και σχεδόν βέλτιστο τρόπο. Στο δεύτερο τμήμα της διατριβής, μια DSE μεθοδολογία αναπτύχθηκε για το σχεδιασμό ενός προκαθορισμένου τομέα από εφαρμογές σε μια μερικώς αποφασισμένη αρχιτεκτονική πλατφόρμα, η οποία αποτελείται από ένα πυρήνα επεξεργαστή και αρκετούς συνεπεξεργαστές. Η DSE μεθοδολογία αποτελείται από μονής κατεύθυνσης βήματα, τα οποία υλοποιούνται μέσω παραμετρικών πλαισίων και εφαρμόζονται αποφέυγοντας τις δαπανηρές επαναλήψεις κατά τον σχεδιασμό. Η προτεινόμενη DSE μεθοδολογία εξερευνά το χώρο βρίσκοντας στιγμιότυπα για καθε βήμα και διαδίδονατς τις αποφάσεις μεταξύ βημάτων. Με αυτό το τρόπο κλαδεύουν τις επιλογές σχεδιασμού στα επόμενα βήματα. Το αποτέλεσμα είναι μια Pareto καμπύλη. Ένα DSE πλαίσιο προτάθηκε που περιγράφει τις τεχνικές χρονοπρογραμματισμού και ανάθεσης πόρων των καταχωρητών και των μονάδων εκτέλεσης του συστήματος. Προτάθηκε μια μεθοδολογία για να δημιουργεί σχεδόν βέλτιστα και επεκτάσιμα παραμετρικά πρότυπα για τον χρονοπρογραμματισμό και την ανάθεση πόρων που ικανοποιεί τους περιορισμούς ενός τομέα εφαρμογών.

Στην εργασία αυτή μελετήθηκε o ρυθμός ροής υδατικών διαλυμάτων, σε διάφορα pH περιβάλλοντος, διαμέσου ενός νανοπορώδους υλικού τροποποιημένου με πολυμερικές ψήκτρες. Ειδικότερα, ερευνήθηκε το σύστημα του σύνθετου υλικού πορώδους ανοδικής αλουμίνας με πολυμερικές ψήκτρες του γραμμικού δισυσταδικού συμπολυμερούς πολύ(Ισοπρένιου)–b–πολυ(Ακρυλικού Οξέους) (ΙΑΟ). Η προσρόφηση καθώς και η κινητική προσρόφησης του IAO στο νανοπορώδες υλικό διερευνήθηκε κυρίως μέσω τεχνικών δονητικής φασματοσκοπίας. Πιο συγκεκριμένα με τεχνικές υπερύθρου μετασχηματισμού κατά Φουριέ (Fourier Transform Infrared Spectroscopy ή FT-IR), εγγύ υπερύθρου (N-IR) και Αποσβεννύμενη Ολική Ανάκλαση στο μέσο υπέρυθρο (ATR-IR). Ακόμη, με σκοπό την ποσοτικοποίηση της προσροφημένης ποσότητας του ΙΑΟ εφαρμόστηκε η τεχνική της θερμοσταθμικής ανάλυσης (TGA). Τέλος, για την απόκτηση μιας λεπτομερούς εικόνας σχετικά με τη δομή του σύνθετου νανο-πορώδους υλικού τα δείγματα χαρακτηρίστηκαν και με ηλεκτρονική μικροσκοπία (SEM/EDS). / In the present study the flow rate of aqueous solutions of different pH values through a nanoporous material functionalized with polymeric brushes was investigated using spectroscopic and thermogravimetric methods. In particular, the system under study was a composite material of porous anodic alumina with polymeric brushes of the diblock copolymer poly(Isoprene)–b–poly(Acrylic Acid) (IAO). The adsorption and adsorption kinetics of the IAO onto nanoporous alumina were explored mainly through techniques of vibrational spectroscopy. More specifically Fourier Transformed Infrared Spectroscopy (FT-IR), Near Infrared (N-IR) and Attenuated Total Reflectance (ATR-IR) were employed for this purpose. Moreover, for the quantification of the adsorbed amount of IAO, thermogravimetric analysis was applied (TGA). Finally, to obtain a comprehensive picture of the structure of the nanoporous composite materials used in this study, samples were additionally characterized by electron microscopy (SEM/EDS).

Θεωρούμε μια ακολουθία από n δυαδικά πειράματα. Ροή επιτυχιών μήκους k είναι μια ακολουθία από k συνεχόμενες επιτυχίες οι οποίες έπονται και ακολουθούνται από αποτυχίες ή τίποτα. Στην εργασία αυτή αρχικά μελετάται η τυχαία μεταβλητή Ν(n,k) η οποία παριστάνει τον αριθμό των ροών επιτυχιών μήκους k σε n δυαδικά πειράματα. Προσδιορίζεται η ακριβής κατανομή μέσω συνδιαστικών μεθόδων, αναδρομικών σχέσεων και μέσω της μεθόδου εμβάπτισης τυχαίας μεταβλητής σε Μαρκοβιανή αλυσίδα. Η μελέτη γίνεται για ανεξάρτητες και ισόνομες και για ανεξάρτητες όχι κατ’ ανάγκην ισόνομες δυαδικές ακολουθίες. Μελετάται επίσης η τυχαία μεταβλητή M(n,k)η οποία παριστάνει τον αριθμό των ροών επιτυχιών τουλάχιστον k σε n δυαδικά πειράματα. Ένα συνεχόμενο-k -από-τα-n:F σύστημα αποτυχίας είναι ένα σύστημα n συνιστωσών το οποίο αποτυγχάνει αν και μόνο αν αποτύχουν τουλάχιστον k συνεχόμενες συνιστώσες του. Τα συνεχόμενα-k-από-τα-n:F συστήματα αποτυχίας έχουν προταθεί ως κατάλληλα πρότυπα για συστήματα μεταφοράς πετρελαίου, τηλεπικοινωνιακά συστήματα κ.α. Ένα m-συνεχόμενο-k-από-τα-n:F σύστημα αποτυχίας είναι ένα σύστημα n συνιστωσών το οποίο αποτυγχάνει αν και μόνο αν υπάρχουν τουλάχιστον m ροές από k συνεχόμενες αποτυχημένες συνιστώσες του. Μελετάται η σχέση της αξιοπιστίας των ανωτέρω συστημάτων με τη συνάρτηση πιθανότητας και τη συνάρτηση κατανομής της τυχαίας μεταβλητής N(n,k). Αναπτύσσονται οι μέθοδοι που έχουν δοθεί για τον προσδιορισμό της αξιοπιστίας τους και δίνονται ακριβείς εκφράσεις της μέσω πολυωνυμικών συντελεστών, διωνυμικών συντελεστών, αναδρομικών σχέσεων και της μεθόδου εμβάπτισης σε Μαρκοβιανή αλυσίδα. Η μελέτη γίνεται για συστήματα με ανεξάρτητες συνιστώσες, γαι συστήματα με ομογενή Μαρκοβιανή εξάρτηση ενός βήματος και για συστήματα με Μαρκοβιανά εξαρτημένες συνιστώσες (k-1) βημάτων. Τέλος παρουσιάζονται αριθμητικά παραδείγματα για περαιτέρω διευκρίνηση και σύγκριση των μεθόδων υπολογισμού της κατανομής της N(n,k) και της αξιοπιστίας των ανωτέρω συστημάτων αποτυχιών. / Consider a sequence of n two state (success-failure) trials. A success run of length k is a sequence of k consecutive successes proceeded and succeeded by failures or nothing. In this thesis the random variable N(n,k) denoting the number of success runs of length k in n binary trials is studied. The exact distribution of N(n,k) is given, via combinatorial analysis, recursive relations and using the Markov chain imbedding technique. The study is carried out for independent but not identically distributed binary sequences. Further, the random variable M(n,k)denoting the number of success runs of length at least k in n binary trials is also studied. A consecutive-k-out-of-n : F system is a system which consists of n components ordered on a line, which fails if and only if at least k consecutive components fail. Such systems have been used to model telecommunication, oil pipeline systems e.t.c. An m-consecutive-k -out-of-n : F system consists of n components ordered on a line, which fails if and only if there are at least m non-overlapping runs of k consecutive failed components. The reliability of the above mentioned systems is related to the cumulative distribution function of the random variable N(n,k) . Exact formulae for the reliability is given by means of binomial and multinomial coefficients, via recursive relations and using the Markov chain imbedding technique. The study is accomplished for systems with independent and Markov dependent components. Finally, numerical examples are given for comparison of the various used methods and to illustrate the theoretical results.

Τα ολοκληρωμένα ηλιακά συστήματα συλλέκτη αποθήκης αποτελούνται από μία δεξαμενή αποθήκευσης, της οποίας τμήμα της επιφάνειας της χρησιμοποιείται σαν ηλιακός συλλέκτης. Συνήθως το ρευστό της αποθήκης είναι το νερό χρήσης. Στο υπό εξέταση σύστημα το νερό χρήσης θερμαίνεται έμμεσα, διερχόμενο μέσα από σωληνώσεις εναλλάκτη θερμότητας που τοποθετείται στο εσωτερικό της παραλληλεπίπεδης δεξαμενής. Για την εντατικοποίηση της μετάδοσης θερμότητας προς το νερό χρήσης, δημιουργείται ανάδευση του ρευστού του δοχείου μέσω κυκλοφορητή, ο οποίος τίθεται σε λειτουργία μόνο όταν υπάρχει ζήτηση ζεστού νερού. Προς αποφυγή παραμορφώσεων τοποθετούνται πτερύγια συγκράτησης που ενώνουν τις δύο μεγάλες επιφάνειες της δεξαμενής. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνήθηκαν τα ροϊκά φαινόμενα στο εσωτερικό του ICS που έχει περιγραφεί προηγουμένως, με στόχο τη μεγιστοποίηση της θερμανταλλαγής μεταξύ των δύο κυκλωμάτων νερού. Για την παρατήρηση του ροϊκού πεδίου καθώς και την λήψη μετρήσεων ταχυτήτων κατασκευάστηκε πειραματική συσκευή με διαφανή τοιχώματα από Plexiglas. Ελήφθησαν μετρήσεις ταχυτήτων και διακυμάνσεων με χρήση συστήματος Laser Doppler διπλής ακτίνας. Για την οπτικοποίηση του ροϊκού πεδίου τοποθετήθηκαν σωματίδια πολυστερίνης στο εσωτερικό της συσκευής. Ελήφθησαν ψηφιακές φωτογραφίες και βιντεοσκοπήσεις του ροϊκού πεδίου. Για την υπολογιστική προσομοίωση χρησιμοποιήθηκε το εμπορικό λογισμικό FLUENT. Αναπτύχθηκε υπολογιστικό μοντέλο και επιλύθηκε με όλα τα διαθέσιμα μοντέλα τύρβης. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε σειρά υπολογιστικών προσομοιώσεων, στις οποίες διερευνήθηκε η βέλτιστη θέση και το μέγεθος των στομίων ανακυκλοφορίας, η βέλτιστη διάταξη των πτερυγίων συγκράτησης και η βέλτιστη θέση του εναλλάκτη. Επιπλέον προσδιορίστηκε υπολογιστικά και πειραματικά ο χρόνος αποκατάστασης του ροϊκού πεδίου. Τέλος, τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν και με πειραματικά αποτελέσματα άλλων εργασιών. Τα συμπεράσματα που εξάγονται έχουν ως ακολούθως: Το μοντέλο τύρβης standard k-ω δίνει τα πιο αξιόπιστα αποτελέσματα. Το υπολογιστικό μοντέλο θεωρείται πιστοποιημένο μετά από πειραματική επιβεβαίωση ταχυτήτων και θερμοκρασιών. Το στόμιο ανακυκλοφορίας δεν πρέπει να τοποθετείται κάθετα στις μεγάλες επιφάνειες της δεξαμενής, ενώ η διάμετρος του πρέπει να είναι 1/2" ή και μικρότερη. Ο χρόνος αποκατάστασης του ροϊκού πεδίου είναι περίπου 35 s. Τα πτερύγια συγκράτησης πρέπει να ακολουθούν τις ροικές γραμμές. Ως βέλτιστη θέση του εναλλάκτη θεωρείται όταν τοποθετείται σε επαφή με το τοίχωμα. / Integrated Collector Storage (ICS) solar systems use part of the hot water storage as collector, i.e. half of the storage surface is used as absorber. Usually, the storage medium serves also as the energy transfer medium (service hot water). In the examined ICS, the service water is heated indirectly, passing through a serpentine heat exchanger placed inside the tank. The heat transfer from the stored water to the service water is intensified by the agitation of the stored water. A simple solution is the recirculation of the stored water by a small pump, which is functioning whenever a request for hot water exists. Fins in suitable positions, connect the front and back surface of the ICS, to withstand the deformation due to pressures by the tank water. In the present PhD thesis, the flow phenomena inside the ICS previous mentioned, are investigated. The aim is the maximization of the heat transfer between the two water circuits. An experimental device was constructed by transparent Plexiglas, for flow visualization and velocity measurements. A dual beam Laser Doppler Velocimetry (LDV) system was used to measure velocities. Polystyrene particles were added in the comprised water, for the visualization of the path lines. Photographs and video films were also taken. The commercial code FLUENT is used for the Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations. A CFD model is developed and solutions are obtained using all the available turbulence models. Three main factors that influence the performance are optimized: the position and size of the recirculation ports, the arrangement and size of the interconnecting fins and the heat exchanger placement. The settling time, i.e., the time required for the flow field to be fully developed, is computed both numerically and experimentally. The previous analysis leads to the following conclusions: The standard k–ω model is selected as the most appropriate. The model is validated, with good agreement, against experimental measurements of velocities and temperatures. The placement of the inlet recirculation port perpendicular to the main surfaces of the ICS should be avoided, while its diameter should be 1/2" or less. The settling time is computed about 35s. The interconnecting fins, of the two main ICS surfaces should follow the flow filed path lines. The optimal placement of the tube heat exchanger is in contact with the two major surfaces of the storage tank.

Φαινόμενα άντλησης με ή χωρίς βαλβίδες εξετάζονται πειραματικά και θεωρητικά μέσω κυλινδρικών εύκαμπτων αγωγών. Το φαινόμενο της άντλησης ρευστού χωρίς βαλβίδες μελετάται πειραματικά σε κλειστό βρόχο αποτελούμενο από δύο αγωγούς, έναν εύκαμπτο και έναν άκαμπτο. Αναπτύσσεται μη μηδενική μέση χρονικά παροχή ρευστού όταν διεγείρεται τμήμα του εύκαμπτου αγωγού σε συγκεκριμένες συχνότητες και πλάτη διέγερσης. Η διέγερση επιτυγχάνεται μέσω συμπίεσης και αποσυμπίεσης του εύκαμπτου αγωγού από έναν κατάλληλο παλινδρομικό μηχανισμό. Εξετάζονται τέσσερις παράμετροι επιρροής του φαινομένου, η συχνότητα, το μήκος, το πλάτος και η θέση της διέγερσης. Καταγράφονται τα σήματα μέτρησης της παροχής στο μέσον του άκαμπτου αγωγού, οι τιμές της στατικής πίεσης στα άκρα του άκαμπτου αγωγού και η κατακόρυφη μετατόπιση της πλάκας συμπίεσης. Επιπλέον, προσδιορίζεται η παραμόρφωση της εγκάρσιας διατομής του ελαστικού αγωγού στην περιοχή της διέγερσης, κατά τη συμπίεση και αποσυμπίεσή του για διάφορα πλάτη διέγερσης. Τα αποτελέσματα φανερώνουν την ανάπτυξη ροής προς μία κατεύθυνση με την αύξηση της συχνότητας διέγερσης. Η ροή αυτή μεγιστοποιείται όταν η συχνότητα διέγερσης ταυτίζεται με την ιδιοσυχνότητα του υδραυλικού κυκλώματος. Η μέση χρονικά παροχή αυξάνει καθώς το σημείο διέγερσης απομακρύνεται από το μέσον του εύκαμπτου αγωγού και επίσης με την αύξηση του πλάτους ή του μήκους διέγερσης. Θεωρητικά το φαινόμενο της άντλησης χωρίς βαλβίδες μελετάται μέσω της ανάπτυξης ενός κατάλληλου ψευδο-μονοδιάστατου μοντέλου που επιλύεται αριθμητικά, θεωρώντας ξανά κλειστό βρόχο ενός εύκαμπτου και ενός άκαμπτου αγωγού. Οι εξισώσεις του μοντέλου διαμορφώνονται με την ολοκλήρωση των εξισώσεων ροής (συνέχειας και ορμής) επί της εγκάρσιας διατομής του κλειστού βρόχου, θεωρώντας αξονοσυμμετρική ροή ασυμπίεστου ρευστού με σταθερό ιξώδες. Χρησιμοποιείται επίσης μία καταστατική εξίσωση που σχετίζει την αναπτυσσόμενη πίεση με την μεταβαλλόμενη εγκάρσια διατομή του βρόχου, έχοντας υποθέσει λεπτά ελαστικά τοιχώματα αγωγών με γραμμικές παραμορφώσεις. Επιλύεται αριθμητικά μη γραμμικό σύστημα μερικών διαφορικών εξισώσεων υπερβολικού τύπου, μέσω τριών αριθμητικών σχημάτων: Lax-Wendroff, MacCormack, και Dispersion Relation Preserving (DRP), το οποίο παρουσιάζει και την υψηλότερη ακρίβεια. Οι τρεις άγνωστες συναρτήσεις που υπολογίζονται στο χώρο και το χρόνο είναι η εγκάρσια διατομή του κλειστού κυκλώματος, η αναπτυσσόμενη εσωτερική πίεση του ρευστού και η ταχύτητά του. Σε κάποιο σημείο του εύκαμπτου αγωγού η περιοδική διέγερση προκαλεί κατευθυνόμενη ροή του ρευστού υπό συγκεκριμένες συνθήκες. Όταν η διέγερση απομακρύνεται από το μέσον του εύκαμπτου αγωγού, αναπτύσσεται διαφορά φάσης μεταξύ των κυματομορφών της πίεσης στα σημεία σύνδεσης των δύο αγωγών. Η κυματομορφή της πίεσης που προηγείται είναι αυτή που διαμορφώνεται στο σημείο σύνδεσης των δύο αγωγών που είναι πιο κοντά στη διέγερση. Με αύξηση του πλάτους ή του μήκους του διεγειρόμενου τμήματος του κλειστού κυκλώματος, η μέση χρονικά παροχή αυξάνει και μεγιστοποιείται στην ιδιοσυχνότητα του συστήματος. Μεταβάλλοντας τη συχνότητα διέγερσης στο πεδίο μακριά της συχνότητας συντονισμού, εμφανίζονται τοπικά ακρότατα της συνάρτησης της μέσης χρονικά παροχής με τη συχνότητα, τα οποία αναδεικνύουν τον περίπλοκο χαρακτήρα του φαινομένου της άντλησης χωρίς βαλβίδες. Τα αποτελέσματα του μοντέλου παρουσιάζουν την ίδια συστηματικότητα με τα αντίστοιχα του πειράματος, διατηρώντας τα περισσότερα χαρακτηριστικά και τάσεις στις μεταβολές. Κατά το πρώιμο στάδιο κύησης του εμβρύου το αίμα κυκλοφορεί προς μία κατεύθυνση στο πρωταρχικό κυκλοφορικό σύστημα του εμβρύου, παρότι οι βαλβίδες απουσιάζουν. Το παραπάνω θεωρητικό μοντέλο επιλύεται με αριθμητικά δεδομένα από τη φυσιολογία του εμβρύου, γι’ αυτό το πρώιμο στάδιο κύησης, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο DRP 4ης τάξης ακρίβειας στο χώρο και το χρόνο. Το μέγεθος της μέσης παροχής του αίματος εξαρτάται από τους εμβρυϊκούς καρδιακούς παλμούς και το βαθμό συστολής του αρχέγονου καρδιακού σωλήνα. Η αντλητική ικανότητα του κυκλοφορικού συστήματος του εμβρύου εκφράζεται με τη μέση παροχή αίματος ως συνάρτηση των καρδιακών παλμών και του βαθμού συστολής του αρχέγονου καρδιακού σωλήνα. Το φαινόμενο της άντλησης με βαλβίδες μελετάται πειραματικά μέσω ενός ανατάξιμου εύκαμπτου αγωγού, ο οποίος συμπιέζεται από ένα μηχανισμό δίχρονης περισταλτικής αντλίας. Μία πρότυπη συσκευή έχει σχεδιαστεί και κατασκευαστεί, ώστε να αναλυθεί η συμπεριφορά και να εξαχθούν οι χαρακτηριστικές καμπύλες της δίχρονης περισταλτικής αντλίας. Περισταλτικές αντλίες αυτού του τύπου χρησιμοποιούνται στην ιατρική σε εφαρμογές παρεντερικής διατροφής, άντλησης του αίματος και ειδικότερα σε έγχυση φαρμάκων. Για την κατασκευή της πρότυπης αντλίας, σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε ένας καινοτομικός μηχανισμός εκκεντροφόρου άξονα, ο οποίος επιτυγχάνει σταθερό ρυθμό έγχυσης. Η πειραματική διάταξη αποτελείται από δύο δεξαμενές υπερχείλισης που συνδέονται μέσω ενός σωλήνα ελαστικού σιλικόνης. Το όλο σύστημα πληρώνεται με αποσταγμένο νερό και η άντληση επιτυγχάνεται από τη μία δεξαμενή στην άλλη με κατάλληλη προοδευτική συμπίεση ενός τμήματος του ελαστικού αγωγού μέσω του μηχανισμού της αντλίας. Η παροχή μετράται ζυγίζοντας τη δεξαμενή κατάθλιψης, η οποία είναι τοποθετημένη σε δυναμοκυψέλη γι’ αυτό το σκοπό. Για χαμηλές συχνότητες λειτουργίας η έγχυση είναι σχεδόν ομαλή χωρίς πάλμωση. Επίσης, η παροχή εξαρτάται κυρίως από τη συχνότητα περιστροφής του άξονα της αντλίας και μεγιστοποιείται γύρω από την ιδιοσυχνότητα της συσκευής. / Valveless and valvate pumping phenomena are investigated experimentally and theoretically through cylindrical distensible tubes. The phenomenon of valveless pumping is studied experimentally in a loop consisting of two tubes, a soft and a hard one filled with salted water. A non zero mean flow-rate is established via a reciprocating flat plate mechanism compressing and decompressing a portion of the flexible tube with a controllable frequency and depth of compression. Four parameters of the problem were examined, namely the frequency of the oscillating plate, its length, the depth of compression and the location where the tube is compressed. Four signals were simultaneously recorded, namely the flow-rate at the mid length of the hard tube, the static pressure at the tube’s ends and the displacement of the oscillating plate. Also, the tube cross-sectional area was measured versus the displacement of the oscillating plate for various values of the maximum depth of compression. Analysis of the obtained data showed that a unidirectional flow is established increasing the frequency of compression and it maximizes when the compression frequency coincides with the natural frequency of the hydraulic loop. The mean value of the flow-rate increases when the point of compression moves far from the mid length of the flexible tube, when the length of the reciprocating plate increases and when the depth of compression increases. Additionally, the development of a theoretical model of valveless pumping and its numerical solution is presented, applied for the case of the closed hydraulic loop, consisting of a flexible and a rigid tube. The integration of the governing flow equations (continuity and momentum), over the tube cross-sectional area results in a quasi-one-dimensional unsteady model, considering axisymmetric flow of incompressible fluid with constant viscosity. There was also used a constitutive state equation, relating pressure and cross-sectional area, and assuming that the deformations of the thin-walled tubes are purely elastic. A system of nonlinear partial differential equations of the hyperbolic type is solved numerically, employing three finite difference schemes: Lax-Wendroff, MacCormack, and Dispersion Relation Preserving (DRP), the last being the most accurate one. Three functions in time and space are calculated, the cross-sectional area of the closed loop, the building up internal pressure and the velocity of the fluid inside the loop. A periodic compression and decompression of the flexible tube causes a unidirectional flow, under certain conditions. When the excitation takes place far from the midlength of the flexible tube, a phase difference between the pressures at the two edges of each tube is developed, being in advance the one that is closer to the excitation area. Increasing the tube occlusion or the length of the excited part of the loop the mean flow rate increases and maximizes at the natural frequency of the loop. Varying the excitation frequency both above and below the resonance frequency, local flow rate extremes appear, manifesting the complex character of the valveless pumping phenomenon. The simulated results maintain most of the characteristics found in the experiment. During early embryonic life, blood circulates in one direction through the primitive circulatory system, in spite of the complete lack of valves. The above mathematical model described the coordinated fashion of the blood circulation in the circulatory system of the embryo. The one-dimensional model is analysed numerically and solved with the DRP scheme, which is of fourth order accurate in time and space. The mean blood flow-rate depends on the embryonic heart rate and the contraction grade of the primordial heart tube. The pumping activity of the embryo circulatory system is shown by presenting the mean blood flow-rate as a function of embryonic heart rate for several contraction grades of the primordial heart tube. Furthermore, the phenomenon of valvate pumping is studied experimentally through a resilient tube, compressed by a two-cycle peristaltic pump mechanism. A prototype device was designed and manufactured in order to analyze the behaviour and reveal the characteristic curves of such a pump. This kind of pump can be used in medicine for nutrition, pumping blood and especially for drug infusion therapies. Concerning the manufacturing of this prototype device, an innovative mechanism was applied, regarding the camshaft of the pump, in order to achieve constant infusion flow-rate in time. The experimental set-up consists of two rigid overflow vessels filled with distilled water, communicating via a silicone rubber tube. Pumping is achieved from one vessel to the other by inducing a progressive deformation (shrinkage) on a segment of the silicone rubber tube through the pump. The flow-rate is measured by weighing the fluid-receiver vessel, which is placed on a single point load-cell platform. At low pumping frequencies the flow-rate is almost steady. Also it is shown that the flow-rate is mainly dependent on the rotating frequency of the pump and maximizes when the excitation frequency coincides with the natural frequency of the device.