No description available.

Thesis (MScEng (Process Engineering))--Stellenbosch University, 2008. / The general objective for this thesis is to assess the ability of cellular automata to model relatively complex processes or phenomena, in particular thermodynamic scenarios. The mass transfer in packing materials of distillation columns was selected as an example due to the sufficient level of complexity in the distillation process, and its importance in a wide range of applications. A literature survey on cellular automata that summarizes the information currently available in formal publications and the internet is included to provide a general overview on the basic theoretical principles and the application of cellular automata models in the process engineering industry. The literature study was also used to identify potential requirements for the new research project. The study objective includes the construction of a cellular automata model that is able to represent transition of solutes from the fluid on the micro-surfaces of packing materials to the by-passing vapour stream, as well as the steady-state equilibrium between evaporation and condensation. Iterated model parameters sufficient for the realistic modelling of mass transfer as a result of thermodynamic driving forces, are required to meet this objective. The model behaviour was compared and the parameters subsequently adjusted according to the behaviour that is theoretically expected from the system being simulated. Qualitative (although sometimes in a quantitative format) rather than quantitative observations and comparisons were made seeing that the model has not yet been calibrated. The model that has been developed to date is not able to simulate the individual effects of chemical and thermodynamic properties although a realistic simulation of the cumulative effect exerted by these factors, or change thereof, on a system has been achieved. The accuracy of the results that have been obtained by using iterated parameters cannot be guaranteed for scenarios that deviate too much from the systems that have already been modelled successfully. The trade-off between the ability of the model to incorporate the effect of polarization, its ability to represent separation, in particular the condensation of hydrophilic substances, for strong hydrophilic packing materials and its ability to incorporate a large number of species limits the range of scenarios that can be successfully modelled. The model is able to represent the effect of a declining driving force (difference between the component vapour pressure of the gas phase and that of the liquid phase) that is typical of a system which is allowed to reach equilibrium after an initial disturbance. The model is also able to represent an additional driving force for separation caused by the effect of intermolecular forces. The model also displays the potential ability to represent the effect of different surface structures of the packing material on the extent of separation achieved at steady state as well as the rate at which such steady state conditions have been achieved. The model must be correctly scaled to minimize inaccurate results. Although several adjustments are needed to eliminate some limitations, the model has proven itself worthy of further development due to its capability to represent the basic characteristics of mass transfer in packing materials.

Theses is devided into two parts, the first one is dealing with theory the other one with practical exercise. There is basic terminology set in the first part, focusing mainly on process management and methodologies leading the current evolution in that respect, Lean and Six Sigma. I also refer about tools for mapping the processes and devote a section to theory of queues which is a main subject for modelling in the practical part. I have not omitted to mention axioms for modeling itself. Practical part comes from job experience I had. Main goal is to set up a model simulation based on the main features of the process structure, involve main principles of mentioned methodologies and to discuss the results simulation brings.

Depuis 2007, la société Sol-Solution avec le partenariat du laboratoire LaMI de l’Université Blaise Pascal de Clermont-Ferrand a entrepris des recherches pour étudier le comportement mécanique d’un ouvrage en sol renforcé par une structure alvéolaire M3S® et soumis à une sollicitation dynamique. Dans le cadre de ce travail de recherche, les sollicitations de type choc ont plus particulièrement été étudiées. Ce mémoire est structuré en 3 parties : la première partie rappelle les caractéristiques principales du comportement mécanique ainsi que les principes généraux de conception d’un ouvrage en sol renforcé par géotextiles M3S®. Une étude bibliographique s’intéresse ensuite à la caractérisation des 3 sollicitations dynamiques retenues (séisme, explosion, choc) et aux méthodes existantes permettant leur prise en compte dans la conception d’ouvrage ; la seconde partie présente l’approche numérique préliminaire qui a conduit au développement de deux modèles numériques d’impacts sur des structures en sol renforcé par géocellulaires. Les résultats ont permis d’identifier les paramètres mécaniques les plus influents des différents matériaux constitutifs ; la dernière partie s’appuie sur les résultats précédents ainsi que sur les lois de similitudes pour concevoir une expérimentation d’un impact sur deux massifs alvéolaires à échelle géométrique 1/10e. L’influence sur la réponse de deux types de renforcement au comportement mécanique différent a été étudiée. Les résultats expérimentaux ont ensuite permis un développement des deux modèles numériques préliminaires. Enfin, les perspectives d’utilisation de cet outil numérique ainsi que les applications industrielles sont présentées. / Since 2007, Sol Solution company with the help of the Clermont-Ferrand Blaise Pascal University’s LaMI laboratory, performed a study on the mechanical behaviour under dynamic load of a structure reinforced by the M3S (c) geocell system. In the context of that PhD, impact solicitations have been studied. This memory is divided in three parts : First part focuses on the main mechanical behaviour characteristics and general rules of reinforced soil with M3S(c) geocells design. Then, the bibliographical approach focuses on the 3 dynamic loads chosen (seism, blast, impact) and on the way they are taking in account on work design ; Second part shows the preliminary numerical approach which lead to the development of two numerical impact model on soil reinforced geocell structure. Results allows us to identify the most influent mechanical parameters of the different materials ; Last part groups numerical and similitude laws that allow to design a 1/10th low-scale impact experiment on two structures. Two different reinforcement were tested, plastic and paper. Experimental results allowed to improve two preliminary numerical models. Finally, discussion about that numerical tool and engineering applications are performed.

Předkládaná práce se zabývá matematickým modelováním chování betonu. K numerické analýze je použit diskrétní částicový model. Tento model zjednodušuje meso-strukturu materiálu na systém propojených diskrétních částic -- konvexních mnohostěnů. Tyto částice jsou uvažovány ideálně tuhé a jejich vzájemná interakce je předepsána na kontaktech sousedních částic. Při hledání nespojitého pole posunů a rotací jsou zjednodušeně předpokládány malé deformace. Práce popisuje dvě rozšíření implementovaná do stávající verze modelu, konkrétně (i) přidání reprezentace krátké rozptýlené výztuže a (ii) implicitní dynamický řešič. První z hlavních částí práce se zabývá modelováním kompozitů s krátkou rozptýlenou výztuží. Krátká vlákna rozptýlená v materiálu přispívají k zlepšení jinak nepříznivé tahové pevnosti betonu. Vlákna jsou v částicovém modelu reprezentována nepřímo, zohledněním tření mezi vláknem a cementovou matricí silami, které působí proti otevírání trhlin. S pomocí tohoto rozšíření model dokáže předpovídat chování vláknobetonu zahrnující tahové zpevnění i navýšení počtu trhlin. Druhá z hlavních částí se zabývá odezvou materiálu na dynamické zatížení. Beton vykazuje rozdílné chování pro různé rychlosti zatěžování. V případě pomalého, kvazi-statického, zatěžování se počáteční mikro-trhliny lokalizují v makro-trhlinu. Dochází-li k rychlému zatěžování, energie nahromaděná v tělese není spotřebována pouze jednou trhlinou, ale dochází k jejímu větvení. V případě rychlých procesů je hlavním faktorem setrvačnost hmoty, která je zatížením urychlována. Struktura materiálu a setrvačnost částic je v mezo-úrovňovém diskrétním modelu zahrnuta. Přesto ale další jevy probíhající pod rozlišovací úrovní modelu ovlivňují výsledné chování materiálu. Proto je do modelu přidána fenomenologická závislost konstitutivního zákona na rychlosti přetváření. Numerické simulace těles rozličných tvarů zatěžovaných různou rychlostí deformace jsou porovnány s experimenty z literatury.

In this Doktorarbeit the Lattice Boltzmann scheme, a heuristic method for the simulation of flows in complicated boundaries, is investigated. Its theory is renewed by emphasizing the entropy maximization principle, and new means for the modelling of geometries (including moving boundaries) and the visual representation of evoluting flows are presented. An object oriented implemen- tation is given with communication between objects realized by an interpreter object and communication from outside realized via interprocess communica- tion. Within the new theoretical apprach the applicability of existing Lattice Boltzmann schemes to model thermal flows for arbitrary temperatures is reex- amined. / In dieser Doktorarbeit wird das Gitter-Boltzmann-Schema, eine heuristische Methode fuer die Simulation von Stroemungen innerhalb komplexer Raender, untersucht. Die zugrundeliegende Theorie wird unter neuen Gesichtspunkten, insbesondere dem Prinzip der Entropiemaximierung, betrachtet. Des weiteren werden neuartige Methoden fuer die Modellierung der Geometrie (einschl. beweglicher Raender) und der visuellen Darstellung aufgezeigt. Eine objektorientierte Implementierung wird vorgestellt, wobei die Kommunikation zwischen den Objekten über Interpreter-Objekte und die Kommunikation mit der Aussenwelt ueber Interprozess-Kommunikation gehandhabt wird. Mit dem neuen theoretischen Ansatz wird die Gueltigkeit bestehender Gitter-Boltzmann-Schemata fuer die Anwendung auf Stroemungen mit nicht konstanter Temperatur untersucht.

In this Doktorarbeit the Lattice Boltzmann scheme, a heuristic method for the simulation of flows in complicated boundaries, is investigated. Its theory is renewed by emphasizing the entropy maximization principle, and new means for the modelling of geometries (including moving boundaries) and the visual representation of evoluting flows are presented. An object oriented implemen- tation is given with communication between objects realized by an interpreter object and communication from outside realized via interprocess communica- tion. Within the new theoretical apprach the applicability of existing Lattice Boltzmann schemes to model thermal flows for arbitrary temperatures is reex- amined. / In dieser Doktorarbeit wird das Gitter-Boltzmann-Schema, eine heuristische Methode fuer die Simulation von Stroemungen innerhalb komplexer Raender, untersucht. Die zugrundeliegende Theorie wird unter neuen Gesichtspunkten, insbesondere dem Prinzip der Entropiemaximierung, betrachtet. Des weiteren werden neuartige Methoden fuer die Modellierung der Geometrie (einschl. beweglicher Raender) und der visuellen Darstellung aufgezeigt. Eine objektorientierte Implementierung wird vorgestellt, wobei die Kommunikation zwischen den Objekten über Interpreter-Objekte und die Kommunikation mit der Aussenwelt ueber Interprozess-Kommunikation gehandhabt wird. Mit dem neuen theoretischen Ansatz wird die Gueltigkeit bestehender Gitter-Boltzmann-Schemata fuer die Anwendung auf Stroemungen mit nicht konstanter Temperatur untersucht.

Dans ce mémoire, nous présentons l’utilisation de techniques de model-checking pour l’inférence de paramètres de réseaux de régulation génétique (GRN) et l’analyse formelle d’une voie de signalisation. Le coeur du mémoire est décrit dans la première partie, dans laquelle nous proposons une approche pour inférer les paramètres biologiques régissant les dynamiques de modèles discrets de GRN. Les GRN sont encodés sous la forme d’un méta-modèle, appelé GRN paramétré, de telle façon qu’une instance de paramètres définit un modèle discret du GRN initial. Sous réserve que les propriétés biologiques d’intérêt s’expriment sous la forme de formules LTL, les techniques de model-checking LTL sont combinées à celles d’exécution symbolique et de résolution de contraintes afin de sélectionner les modèles satisfaisant ces propriétés. L’enjeu est de contourner l’explosion combinatoire en terme de taille et de nombre de modèles discrets. Nous avons implémenté notre méthode en Java, dans un outil appelé SPuTNIk. La seconde partie décrit une collaboration avec des neuropédiatres, qui ont pour objectif de comprendre l’apparition du phénotype protecteur ou toxique des microglies (un type de macrophage du cerveau) chez les prématurés. Cette partie exploite un autre versant du model-checking, celui du modelchecking statistique, afin d’étudier un type de réseau biologique particulier : la voie de signalisation Wnt/β-caténine, qui permet la transmission d’un signal de l’extérieur à l’intérieur des cellules via une cascade de réactions biochimiques. Nous présentons ici l’apport du model-checker stochastique COSMOS, utilisant la logique stochastique à automate hybride (HASL), un formalisme très expressif nous permettant une analyse formelle sophistiquée des dynamiques de la voie Wnt/β-caténine, modélisée sous la forme d’un processus stochastique à événements discrets. / In this thesis, we present the use of model checking techniques for inference of parameters of Gene Regulatory Networks (GRNs) and formal analysis of a signalling pathway. In the first and main part, we provide an approach to infer biological parameters governing the dynamics of discrete models of GRNs. GRNs are encoded in the form of a meta-model, called Parametric GRN, such that a parameter instance defines a discrete model of the original GRN. Provided that targeted biological properties are expressed in the form of LTL formulas, LTL model-checking techniques are combined with symbolic execution and constraint solving techniques to select discrete models satisfying these properties. The challenge is to prevent combinatorial explosion in terms of size and number of discrete models. Our method is implemented in Java, in a tool called SPuTNIk. The second part describes a work performed in collaboration with child neurologists, who aim to understand the occurrence of toxic or protective phenotype of microglia (a type of macrophage in the brain) in the case of preemies. We use an other type of model-checking, the statistical model-checking, to study a particular type of biological network: the Wnt/β- catenin pathway that transmits an external signal into the cells via a cascade of biochemical reactions. Here we present the benefit of the stochastic model checker COSMOS, using the Hybrid Automata Stochastic Logic (HASL), that is an very expressive formalism allowing a sophisticated formal analysis of the dynamics of the Wnt/β-catenin pathway, modelled as a discrete event stochastic process.