No description available.

Thesis submitted in fulfilment of the requirements for the degree Doctor technologiae (engineering: chemical) In the faculty of engineering at the cape peninsula university of technology / Since the first uses of hollow-fiber membrane bioreactors (MBR’s) to immobilize whole cells were reported in the early 1970’s, this technology has been used in as wide ranging applications as enzyme production to bone tissue engineering. The potential of these devices in industrial applications is often diminished by the large diffusional resistances of the membranes. Currently, there are no analytical studies on the performance of the MBR which account for both convective and diffusive transport. The purpose of this study was to quantify the efficiency of a biocatalytic membrane reactor used for the production of enzymes. This was done by developing exact solutions of the concentration and velocity profiles in the different regions of the membrane bioreactor (MBR). The emphasis of this study was on the influence of radial convective flows, which have generally been neglected in previous analytical studies. The efficiency of the MBR was measured by means of the effectiveness factor. An analytical model for substrate concentration profiles in the lumen of the MBR was developed. The model was based on the solution of the Navier-Stokes equations and Darcy’s law for velocity profiles, and the convective-diffusion equation for the solute concentration profiles. The model allowed for the evaluation of the influence of both hydrodynamic and mass transfer operating parameters on the performance of the MBR. These parameters include the fraction retentate, the transmembrane pressure, the membrane hydraulic permeability, the Reynolds number, the axial and radial Peclet numbers, and the dimensions of the MBR. The significant findings on the hydrodynamic studies were on the influence of the fraction retentate. In the dead-end mode it was found that there was increased radial convective flow, and hence more solute contact with the enzymes/biofilm immobilised on the surface of the membrane. The improved solute-biofilm contact however was only limited to the entrance half of the MBR. In the closed shell mode there was uniform distribution of solute, however, radial convective flows were significantly reduced. The developed model therefore allowed for the evaluation of an optimum fraction retentate value, where both the distribution of solutes and radial convective flows could be maximised.

Na presente tese é apresentada uma nova solução analítica para a equação de ad-vecção-difusão bidimensional transiente para simular a dispersão de poluentes na atmosfera. Para tanto, a equação de advecção-difusão é resolvida pela combinação da transformada de Laplace e da técnica GILTT (Generalized Integral Laplace Transform Technique). O fechamento da turbulência para os casos Fickiano e não-Fickiano é considerado. É investigado o problema de modelagem da dispersão de poluentes em condições de ventos fortes e fracos considerando, para o caso de ventos fracos, a difusão longitudinal na equação de advecção-difusão. Além disso, foi incluída no modelo a velocidade vertical e avaliada sua influência considerando-se o campo de velocidades constante e também geradas via LES (Large Eddy Simulation), para poder simular uma camada limite turbulenta mais realística. Os resultados obtidos por essa metodologia são validados com resultados experimentais disponíveis na literatura. / In the present thesis it is presented a new analytical solution for the transient two- dimensional advection-diffusion equation to simulate the pollutant dispersion in atmosphere. For that, the advection-diffusion equation is solved combining the Laplace transform and the GILTT (Generalized Integral Laplace Transform Technique) techniques. The turbulence closure for Fickian and non-Fickian cases is considered. It is investigated the problem of modeling the pollutant dispersion in strong and weak winds considering, for the case of low wind conditions, the longitudinal diffusion in the advection-diffusion equation. Moreover, it was considered in the model the vertical velocity and its influence was evaluated considering velocities field constant and also generated by means of LES (Large Eddy Simulation), to simulate a more realistic turbulent boundary layer. The results attained by this methodology are validated with experimental results available in literature.

De nos jours, la modélisation numérique constitue un outil indispensable pour le prototypage de convertisseurs électromagnétiques. Les matériaux magnétiques jouent un rôle essentiel dans la conversion de l’énergie, il est donc nécessaire de maîtriser leur comportement et leur représentation. L’objectif de ce travail s’inscrit dans ce cadre et s’attache à élaborer des lois réalistes de comportement de matériaux afin de les inclure dans des simulateurs de circuits. Concernant le comportement statique, le modèle de Jiles-Atherton a été implémenté puis adapté, simplifié et modifié afin d’en améliorer la précision et l’implémentation. La modélisation dynamique du matériau a été effectuée grâce au modèle DWM élaboré au laboratoire Ampère. Ce modèle intègre les effets dynamiques excédentaires grâce à une loi « dynamique de matériau » implémentée au sein de l’équation de diffusion magnétique. Ce modèle a été ensuite homogénéisé afin d’en améliorer son implémentation future dans un simulateur de circuit. Chacun des différents modèles a été testé et validé sur plusieurs échantillons. / Nowadays, numerical modeling is an indispensable tool for the prototyping of electromagnetic converters. Magnetic materials play an essential role into the energy conversion so it is necessary to control their behavior as well as their modeling. The objective of this work is to develop realistic laws of material behavior for circuit simulators use. Regarding the static behavior, the Jiles-Atherton model has been implemented and adapted, simplified and modified to improve accuracy and implementation. Dynamic modeling of the material was performed using the model DWM developed into the Ampere laboratory. This model incorporates the excedentary dynamic effects thanks to a "dynamical material law" implemented into the magnetic diffusion equation. Then this model was homogenized to improve its future implementation in a circuit simulator. Each of the different models has been tested and validated on several samples.

In this dissertation, we are interested in the dynamics of spatially distributed populations. In particular, we focus on persistence conditions and minimal traveling periodic wave speeds for stage-structured populations in heterogeneous landscapes. The model includes structured populations of two age groups, juveniles and adults, in patchy landscapes. First, we present a stage-structured population model, where we divide the population into pre-reproductive and reproductive stages. We assume that all parameters of the two age groups are piecewise constant functions in space. We derive explicit formulas for population persistence in a single-patch landscape and in heterogeneous habitats. We find the critical size of a single patch surrounded by a non-lethal matrix habitat. We derive the dispersion relation for the juveniles-adults model in homogeneous and heterogeneous landscapes. We illustrate our results by comparing the structured population model with an appropriately scaled unstructured model. We find that a long pre-reproductive state typically increases habitat requirements for persistence and decreases spatial spread rates, but we also identify scenarios in which a population with intermediate maturation rate spreads fastest. We apply sensitivity and elasticity formulas to the critical size of a single-patch landscape and to the minimal traveling wave speed in a homogeneous landscape. Secondly, we use asymptotic techniques to find an explicit formula for the traveling periodic wave speed and to calculate the spread rates for structured populations in heterogeneous landscapes. We illustrate the power of the homogenization method by comparing the dispersion relation and the resulting minimal wave speeds for the approximation and the exact expression. We find an excellent agreement between the fully heterogeneous speed and the homogenized speed, even though the landscape period is on the same order as the diffusion coefficients and not as small as the formal derivation requires. We also generalize this work to the case of structured populations of n age groups. Lastly, we use a finite difference method to explore the numerical solutions for the juveniles-adults model. We compare numerical solutions to analytic solutions and explore population dynamics in non-linear models, where the numerical solution for the time-dependent problem converges to a steady state. We apply our theory to study various aspects of marine protected areas (MPAs). We develop a model of two age groups, juveniles and adults, in which only adults can be harvested and only outside MPAs, and recruitment is density dependent and local inside MPAs and fishing grounds. We include diffusion coefficients in density matching conditions at interfaces between MPAs and fishing grounds, and examine the effect of fish mobility and bias movement on yield and fish abundance. We find that when the bias towards MPAs is strong or the difference in diffusion coefficients is large enough, the relative density of adults inside versus outside MPAs increases with adult mobility. This observation agrees with findings from empirical studies.

La ecuación de la difusión neutrónica describe la población de neutrones de un reactor nuclear. Este trabajo trata con este modelo para reactores nucleares con geometría hexagonal. En primer lugar se estudia la ecuación de la difusión neutrónica. Este es un problema diferencial de valores propios, llamado problema de los modos Lambda. Para resolver el problema de los modos Lambda se han comparado diferentes métodos en geometrías unidimensionales, resultando como el mejor el método de elementos espectrales. Usando este método discretizamos los operadores en geometrías bidimensiones y tridimensionales, resolviendo el problema algebraica de valores propios resultante con el método de Arnoldi. La distribución de neutrones estado estacionario se utiliza como condición inicial para la integración de la ecuación de la difusión neutrónica dependiente del tiempo. Se utiliza un método de Euler implícito para integrar en el tiempo. Cuando un nodo está parcialmente insertado aparece un comportamiento no físico de la solución, el efecto ``rod cusping'', que se corrige mediante la ponderación de las secciones eficaces con el flujo del paso de tiempo anterior. Cuando la solución de los sistemas algebraicos que surgen en el método hacia atrás, un método de Krylov se utiliza para resolver los sistemas resultantes, y diferentes estrategias de precondicionamiento se evalúan se. La primera consiste en el uso de la estructura de bloque obtenido por los grupos de energía para resolver el sistema por bloques, y diferentes técnicas de aceleración para el esquema iterativo de bloques y un precondicionador utilizando esta estructura de bloque se proponen. Además se estudia un precondicionador espectral, que hace uso de la información en un subespacio de Krylov para precondicionar el siguiente sistema. También se proponen métodos exponenciales de segundo y cuarto orden integrar la ecuación de difusión neutrónica dependiente del tiempo, donde la exponencial de la matriz del sistema tiene qu / González Pintor, S. (2012). Approximation of the Neutron Diffusion Equation on Hexagonal Geometries [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/17829 / Palancia

[EN] The neutron diffusion equation is an approximation of the neutron transport equation that describes the neutron population in a nuclear reactor core. In particular, we will consider here VVER-type reactors which use the neutron diffusion equation discretized on hexagonal meshes. Most of the simulation codes of a nuclear power reactor use the multigroup neutron diffusion equation to describe the neutron distribution inside the reactor core.To study the stationary state of a reactor, the reactor criticality is forced in artificial way leading to a generalized differential eigenvalue problem, known as the Lambda modes equation, which is solved to obtain the dominant eigenvalues of the reactor and their corresponding eigenfunctions. To discretize this model a finite element method with h-p adaptivity is used. This method allows to use heterogeneous meshes, and allows different refinements such as the use of h-adaptive meshes, reducing the size of specific cells, and p-refinement, increasing the polynomial degree of the basic functions used in the expansions of the solution in the different cells. Once the solution for the steady state neutron distribution is obtained, it is used as initial condition for the time integration of the neutron diffusion equation. To simulate the behaviour of a nuclear power reactor it is necessary to be able to integrate the time-dependent neutron diffusion equation inside the reactor core. The spatial discretization of this equation is done using a finite element method that permits h-p refinements for different geometries. Transients involving the movement of the control rod banks have the problem known as the rod-cusping effect. Previous studies have usually approached the problem using a fixed mesh scheme defining averaged material properties and many techniques exist for the treatment of the rod cusping problem. The present work proposes the use of a moving mesh scheme that uses spatial meshes that change with the movement of the control rods avoiding the necessity of using equivalent material cross sections for the partially inserted cells. The performance of the moving mesh scheme is tested studying different benchmark problems. For reactor calculations, the accuracy of a diffusion theory solution is limited for for complex fuel assemblies or fine mesh calculations. To improve these results a method that incorporates higher-order approximations for the angular dependence, as the simplified spherical harmonics (SPN ) method must be employed. In this work an h-p Finite Element Method (FEM) is used to obtain the dominant Lambda mode associated with a configuration of a reactor core using the SPN approximation. The performance of the SPN (N= 1, 3, 5) approximations has been tested for different reactor benchmarks. / [ES] La ecuación de la difusión neutrónica es una aproximación de la ecuación del transporte de neutrones que describe la población de neutrones en el núcleo de un reactor nuclear. En particular, consideraremos reactores de tipo VVER y para simular su comportamiento se utilizará la ecuación de la difusión neutrónica para cuya discretización se hace uso de mallas hexagonales. La mayoría de los códigos de simulación de reactores nucleares utilizan aproximación multigrupo de energía de la ecuación de la difusión neutrónica para describir la distribución de neutrones en el interior del núcleo del reactor. Para estudiar el estado estacionario del reactor, es posible forzar la criticidad del reactor de forma artificial modificando las secciones eficaces de forma que se obtiene un problema de valores propios diferencial, conocido como el problema de los Modos Lambda, que se resuelve para obtener los valores propios dominantes del reactor y sus correspondientes funciones propias. Para discretizar este modelo se ha hecho uso de un método de elementos finitos con adaptabilidad h-p. Este método permite el uso de mallas heterogéneas, y de diferentes refinamientos como el uso mallas h-adaptativas, reduciendo el tamaño de los distintos nodos, y el p-refinado, aumentando el grado del polinomio de las funciones básicas utilizado en los desarrollos de la solución en los diferentes nodos. Se ha desarrollado un código basado en un método de elementos finitos de alto orden para resolver el problema de los Modos Lambda en un reactor con geometría hexagonal y se han obtenido los Modos dominantes para distintos problemas de referencia. Una vez que se ha obtenido la solución para la distribución de neutrones en estado estacionario, ésta se utiliza como condición inicial para la integración de la ecuación de difusión neutrónica dependiente del tiempo. Para simular el comportamiento de un reactor nuclear para un determinado transitorio, es necesario ser capaz de integrar la ecuación de la difusión neutrónica dependiente del tiempo en el interior del núcleo del reactor. La discretización espacial de esta ecuación se hace usando un método de elementos finitos de alto orden que permite refinados de tipo h-p para distintas geometrías. Los transitorios que implican el movimiento de los bancos de las barras de control tienen el problema conocido como el efecto 'rod-cusping'. Estudios anteriores, por lo general, han abordado este problema utilizando una malla fija y definiendo propiedades promedio para los materiales correspondientes a las celdas donde se tiene la barra de control parcialmente insertada. En el presente trabajo se propone el uso de un esquema de malla móvil, de forma que en mallado espacial va cambiando con el movimiento de la barra de control, evitando la necesidad de utilizar secciones eficaces equivalentes para las celdas parcialmente insertadas. El funcionamiento de este esquema de malla móvil propuesto se estudia resolviendo distintos problemas tipo. La precisión obtenida mediante de la teoría de la difusión en los cálculos de reactores es limitada cuando se tienen elementos de combustible complejos o se pretenden realizar cálculos en malla fina. Para mejorar estos resultados, es necesario disponer de un método que incorpore aproximaciones de orden superior de la ecuación del transporte de neutrones. Una posibilidad es hacer uso de las ecuaciones PN simplificadas (SPN ). En este trabajo se utiliza un método de elementos finitos h-p para obtener los modos dominantes asociados con una configuración dada del núcleo de un reactor nuclear con geometría hexagonal usando la aproximación SPN . El funcionamiento de las aproximaciones SPN (N = 1, 3, 5) se ha estudiado para distintos problemas de referencia. / [CAT] L'equació de la difusió neutrònica és una aproximació de l'equació del transport de neutrons que descriu la població de neutrons en el nucli de un reactor nuclear. En particular, considerarem reactors de tipus VVER i per a simular el seu comportament s'utilitzarà l'equació de la difusió neutrónica que es discretitza fent ús de malles hexagonals. La majoria dels codis de simulació de reactors nuclears utilitzen l'aproximació multigrup d'energia de l'equació de la difusió neutrónica per a descriure la distribució de neutrons a l'interior del nucli del reactor. Per a estudiar l'estat estacionari del reactor, és possible forçar la seua criticitat de forma artificial modificant les seccions eficaces de manera que s'obté un problema de valors propis diferencial, conegut com el problema dels Modes Lambda, que es resol per a obtenir els valors propis dominants del reactor i les seues corresponents funcions pròpies. Per a discretitzar aquest model s'ha fet ús d'un mètode d'elements finits amb adaptabilitat h-p. Aquest mètode permet l'ús de malles heterogènies, i de diferents refinaments com l'ús malles h-adaptatives, reduint la grandària dels diferents nodes, i el p-refinat, augmentant el grau del polinomi de les funcions bàsiques utilitzat en els desenvolupaments de la solució en els diferents nodes. S'ha desenvolupat un codi basat en un mètode d'elements finits d'alt ordre per a resoldre el problema dels Modes Lambda en un reactor amb geometria hexagonal i s'han obtingut els Modes dominants per a diferents problemes de referència. Una vegada que s'ha obtingut la solució per a la distribució de neutrons en estat estacionari, aquesta s'utilitza com a condició inicial per a la integració de l'equació de difusió neutrònica depenent del temps. Per a simular el comportament d'un reactor nuclear per a un determinat transitori, és necessari ser capaç d'integrar l'equació de la difusió neutrónica depenent del temps a l'interior del nucli del reactor. La discretitzación espacial d'aquesta equació es fa usant un mètode d'elements finits d'alt ordre que permet refinats de tipus h-p per a diferents geometries. Els transitoris que impliquen el moviment dels bancs de les barres de control tenen el problema conegut com l'efecte 'rod-cusping'. Estudis anteriors, en general, han abordat aquest problema utilitzant una malla fixa i definint propietats equivalents per als materials corresponents a les cel·les on es té la barra de control parcialment inserida. En el present treball es proposa l'ús d'un esquema de malla mòbil, de manera que en mallat espacial va canviant amb el moviment de la barra de control, evitant la necessitat d'utilitzar seccions eficaces equivalents per a les cel·les parcialment inserides. El funcionament de aquest esquema de malla mòbil s'estudia resolent diferents problemes tipus. La precisió obtinguda mitjançant de la teoria de la difusió en els càlculs de reactors és limitada quan es tenen elements de combustible complexos o es pretenen realitzar càlculs en malla fina. Per a millorar aquests resultats, és necessari disposar d'un mètode que incorpore aproximacions d'ordre superior de l'equació del transport de neutrons. Una possibilitat és fer ús de les equacions PN simplificades (SPN ). En aquest treball s'utilitza un mètode d'elements finits h- p per a obtenir els modes dominants associats amb una configuració donada del nucli de un reactor amb geometria hexagonal usant l'aproximació SPN . El funcionament de les aproximacions SPN (N = 1, 3, 5) s'ha estudiat per a diferents problemes de referència. / Fayez Moustafa Moawad, R. (2016). Approximation of The Neutron Diffusion Equation on Hexagonal Geometries Using a h-p finite element method [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/65353 / TESIS

Cette thèse est consacrée à l’étude de phénomènes de propagation et de concentration dans des modèles d’équations intégro-différentielles venant de la écologie. On étudie certaines équations de réaction-diffusion non locales apparaissant en dynamique de populations, ainsi que des modèles représentant l’évolution Darwinienne avec un mode de reproduction sexué.Dans une première partie, nous étudions la propagation spatiale pour une équation de réaction-diffusion ou la dispersion opère via un noyau de convolution à queue lourde. Nous mesurons de manière précise l’accélération du front de propagation de la solution. Nous proposons également une échelle adaptée pour mesurer les «petites» mutations. Dans les deux cas nous utilisons le formalisme des équations de Hamilton-Jacobi.Dans un second temps nous étudions un modèle de génétique quantitative, avec un mode de reproduction sexuée. Un petit paramètre mesure la déviation entre le trait des descendants est la moyenne des traits des parents. Dans le régime où ce paramètre est petit nous étudions l’existence de solutions stationnaires, puis le problème de Cauchy lié à ce modèle. Les solutions se concentrent autour des optima de sélection, sous la forme de perturbations de distributions Gaussiennes avec petite variance fixée par le paramètre. Notre analyse généralise le cas linéaire de la reproduction asexuée en utilisant des outils d’analyse perturbative. Enfin dans une dernière partie nous fournissons des simulations numériques et des méthodes mathématiques pour étudier la dynamique interne des équilibres dans le régime de petite variance, pour les deux modes de reproduction : asexué et sexué. / This manuscript tackles propagation and concentration phenomena in different integro-differential equations with a background in ecology. We study non local reaction-diffusion equations from population dynamics, and models for Darwinian evolution with a sexual or asexual mode of reproduction, with a preference for the former.In a first part, we study spatial propagation for a reaction diffusion equation where dispersion acts through a fat tailed kernel. We measure accurately the acceleration of the propagation front of the population. We propose as well a scaling well adapted to “small mutations” when we consider the model in the context of adaptative dynamics. This scaling is very natural following the previous spatial investigation. In both cases we look at the long time behavior and we use the Hamilton-Jacobi framework. Then we turn our attention towards a quantitative genetics model, with a sexual mode of reproduction, imposed by the “infinitesimal operator”. In this non-linear setting, a small parameter tunes the deviation between the phenotypic trait of the offspring and the mean of the traits of the parents. In the regime where this parameter is small, we prove existence of stationary solutions, and their local uniqueness. We also provide an example of non-uniqueness in the case where the selection function admits several extrema. We prove that the solution concentrates around the points of minimum of the selection function. The analysis is carried by the small perturbations of special profiles : Gaussian distributions with small variance fixed by the parameter.We then study the stability of the Cauchy problem associated to the previous model. This time we prove that at all times, for a well prepared initial data, the solutions is arbitrary close to a Gaussian distribution with small variance. The proof follows the framework of the previous : we use perturbative analysis tools, but this time an even more precise description of the correctors is needed and we linearize the equation to obtain it. In a final part we show numerical simulations and different mathematical approaches to study inside dynamics of phenotypic lineages in the regime of small variance, with a moving environement.

Non disponible / Non disponible

We consider a singularly perturbed reaction-diffusion problem and derive and rigorously analyse an a posteriori residual error estimator that can be applied to anisotropic finite element meshes. The quotient of the upper and lower error bounds is the so-called matching function which depends on the anisotropy (of the mesh and the solution) but not on the small perturbation parameter. This matching function measures how well the anisotropic finite element mesh corresponds to the anisotropic problem. Provided this correspondence is sufficiently good, the matching function is O(1). Hence one obtains tight error bounds, i.e. the error estimator is reliable and efficient as well as robust with respect to the small perturbation parameter. A numerical example supports the anisotropic error analysis.