We develop a composite multiphysics model of excitation-contraction coupling for a rat ventricular myocyte under voltage clamp (VC) conditions to: (1) probe mechanisms underlying the response to Ca2+-perturbation; (2) investigate the factors influencing its electromechanical response; and (3) examine its rate-dependent behavior (particularly the force-frequency response (FFR)). Motivation for the study was to pinpoint key control variables influencing calcium-induced calcium-release (CICR) and examine its role in the context of a physiological control system regulating cytosolic Ca2+ concentration and hence the cardiac contractile response. Our cell model consists of an electrical-equivalent model for the cell membrane and a fluid-compartment model describing the flux of ionic species between the extracellular and several intracellular compartments. The model incorporates frequency-dependent calmodulin (CaM) mediated spatially heterogenous interaction of calcineurin (CaN) and Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase-II (CaMKII) with their principal targets and accounts for rate-dependent, cyclic adenosine monophosphate (cAMP)-mediated up-regulation. We also incorporate a biophysical model for cardiac contractile mechanics to study the factors influencing force response. The model reproduces measured VC data published by several laboratories, and generates graded Ca2+-release with high Ca2+ gain by achieving negative feedback control and Ca2+-homeostasis. We examine the dependence of cellular contractile response on: (1) the amount of activator Ca2+ available; (2) the type of mechanical load applied; (3) temperature (22 to 38ºC); and (4) myofilament Ca2+ sensitivity. We demonstrate contraction-relaxation coupling over a wide range of physiological perturbations. Our model reproduces positive peak FFR observed in rat ventricular myocytes and provides quantitative insight into the underlying rate-dependence of CICR. The role of Ca2+ regulating mechanisms are examined in handling induced Ca2+-perturbations using a rigorous cellular Ca2+ balance. Extensive testing of the composite model elucidates the importance of various direct and indirect modulatory influences on the cellular twitch-response with wide agreement with measured data on all accounts. We identify cAMP-mediated stimulation, and rate-dependent CaMKII-mediated up-regulation of Ca2+-trigger current (ICaL) as the key mechanisms underlying the aforementioned positive FFR. Our model provides biophysically-based explanations of phenomena associated with CICR and provides mechanistic insights into whole-cell responses to a wide variety of testing approaches used in studies of cardiac myofilament contractility.

In this thesis, a Proton Exchange Membrane Fuel Cell is modeled with COMSOL Multiphysics software. A cross-section that is perpendicular to the flow direction is modeled in a 2-D, steady-state, one-phase and isothermal configuration. Anode, cathode and membrane are used as subdomains and serpentine flow channels define the flow field . The flow velocity is defined at the catalyst layers as boundary conditions with respect to the current density that is obtained by using an agglomerate approach at the catalyst layer with the help of fundamental electrochemical equations. Darcy&rsquo / s Law is used for modeling the porous media flow. To investigate the effects of species depletion along the flow channels, a different type of cross-section that is parallel to the flow direction is modeled by adding flow channels as a subdomain to the anode and cathode. Differently, Brinkman Equations are used to define flow in the porous electrodes and the free flow in the channels is modeled with Navier-Stokes equations. By running parallel-to-flow model, mass fractions of species at three different locations (the inlet, the center and the exit of the channel) are predicted for different cell po- tentials. These mass fractions are used as inputs to the perpendicular-to-flow model to obtain performance curves. Finally, by maintaining restricted amount of species by having a very low pressure difference along the channel to represent a single mid-cell of a fuel cell stack, a species depletion problem is detected. If the cell potential is decreased beyond a critical value, this phenomenon causes dead places at which the reaction does not take place. Therefore, at these dead places the current density goes to zero unexpectedly.

This thesis investigates the possibility of using an unglazed flat-plate solar collector as a cooling radiator. The solar collector will be connected to the condenser of a heat pump and used as cooler during nighttime. Daytime the solar collector will be connected to the evaporator of the heat pump and used as heat source. The two widely differing fields of application make special demands on the solar collector. The task is given by the heat pump manufacturer Thermia and the main objective is to find out whether a solar collector should be used as a cooler or not. The performance of the solar collector under varying environmental conditions is investigated using COMSOL Multiphysics 3.3. Only the cooling properties are investigated here. The performance of the solar collector as a heat exchanger is estimated using the effectiveness-NTU method, and the solar collector is found to be a good heat exchanger at low wind speeds. The heat transfer coefficients of the convection and radiation are determined for varying temperature and wind speeds. The convective heat transfer coefficient is lowered by tubes above the absorber plate and for a high convective heat transfer rate the solar collector surface should be smooth. For a high radiative heat transfer rate the surface needs to have a high emissivity. The cooling rate is higher from a warm surface than from a cold and since no temperature change of the heat carrier is necessary the solar collector should be kept at a high temperature. To increase the cooling rate alterations need to be made to the solar collector that makes its heating performance deteriorate. A solar collector that can be used for cooling is not an efficient solar collector.

De nombreuses études récentes ont montré la présence de quantités élevées de polluants à l'intérieur de l'habitacle automobile. La solution proposée pour pallier ce problème est l'élaboration d'un capteur de gaz capable de détecter les polluants pénétrant à l'intérieur du véhicule, engendrant la fermeture des volets d'aération lors de l'observation d'un pic de pollution. Les micro-capteurs chimiques à oxydes métalliques sont les meilleurs candidats pour résoudre cette problématique : ils présentent une grande sensibilité à de nombreux gaz, des temps de réponse rapides, et leur coût de production est faible. Leur principal défaut est un manque de sélectivité. Les travaux de recherches effectués ont consisté à mettre au point un micro-dispositif intégrant un réseau multicapteur de gaz à détection conductimétrique : sur une même puce micro-usinée en silicium sont intégrées plusieurs couches sensibles différentes, visant à détecter sélectivement plusieurs gaz : le monoxyde de carbone (CO), le dioxyde d'azote (NO2), l'ammoniac (NH3), l'acétaldéhyde (C2H4O) et le sulfure d'hydrogène (H2S). Pour se faire, trois axes d'études principaux se sont dégagés. La première partie de cette étude s'est portée sur la conception des micro-plateformes chauffantes à l'aide d'un outil de simulations numériques multiphysiques, pour optimiser, d'une part leur structure et leur géométrie afin d'atteindre les performances thermiques escomptées (optimisation du rendement thermoélectrique et minimisation d'interaction d'une cellule à l'autre), et d'autre part les performances thermomécaniques compte tenu de la possibilité d'utiliser un mode de fonctionnement des capteurs en transitoires thermiques rapides. Le modèle obtenu a été validé par comparaison à des mesures physiques. Celui-ci nous a permis d'améliorer le comportement thermique à la surface de la membrane et de réduire les coûts de fabrication en simplifiant le design. La fabrication en centrale technologique de la plateforme multicapteurs a ensuite été réalisée en tenant compte des améliorations proposées par la modélisation. Une étude spécifique sur l'intégration dans le procédé d'une technique industrielle des dépôts des matériaux sensibles par jet d'encre a été menée. Nous avons ainsi mis au point une méthode permettant de déposer rapidement et à bas coûts plusieurs couches sensibles (ZnO, CuO et SnO2) sur une même structure de détection. Enfin, nous avons procédé à l'élaboration d'un système décisionnel, comprenant deux éléments : la mise au point d'un profil optimisé de contrôle des résistances chauffantes et sensibles permettant d'améliorer la sensibilité, la sélectivité et la stabilité, et une analyse multivariée des données. Il a de ce fait été possible de détecter sélectivement la plupart des gaz ciblés (seuls et mélangés) à de faibles concentrations (0,2 ppm de NO2, 2 ppm de C2H4O, 5 ppm de NH3 et 100 ppm de CO).

Das Innenohr des Säugetieres ist ein hochspezialisiertes sensorisches System, das durch ein komplexes mechanisches Verhalten gekennzeichnet ist. Neben der komplizierten Morphometrie und Geometrie kommen auch dem richtungsabhängigen Materialverhalten eine wesentliche Bedeutung zu. Es zeigt sich, daß im Cortischen Organ mit der äußeren Haarsinneszelle ein Zelltyp vorliegt, der durch seine physikalischen Eigenschaften das Gesamtverhalten des Innenohres maßgeblich beeinflußt. Wie jede tierische Zelle weist die äußere Haarsinneszelle als biomechanisches System eine heterogene Mikrostruktur auf. Vom mechanischen Standpunkt aus gesehen, ist neben der mehrschichtigen basolateralen Zellwand jede Einzelzelle durch ein viskoses inneres Fluid (Zellplasma) und einen Zellkern (Nukleus) gekennzeichnet. Die resultierenden mechanischen Eigenschaften des Gesamtsystems ”äußere Haarsinneszelle” können durch Experimente und eine geeignete Modellierung determiniert werden. In dieser Arbeit wird ein neuer Ansatz zur Bestimmung der viskoelastischen Materialeigenschaften der basolateralen Wand vorgestellt. Durch Anwendung einer effektiven Fluid-Struktur-Interaktion wird das Gesamtsystem geschlossen untersucht und eine umfangreiche Materialparameterstudie durchgeführt. Dabei werden im Rahmen der Kontinuumsmechanik gültige Materialgesetze angewendet. Das durch partielle Differentialgleichungen formulierte mechanische Feldproblem wird im Rahmen der Finiten-Elemente-Methode approximiert, was zu einem linearen Gleichungssystem führt. Auf dieser Grundlage wird ein Finite-Elemente-Modell der äußeren Haarsinneszelle entwickelt. Die zur Beschreibung notwendigen Systemmatrizen – insbesondere die Dämpfungsmatrix – basieren dabei vollständig auf einem viskoelastischen Materialgesetz. Die benutzte Methodik läßt weiterhin eine effiziente Berechnung im Frequenzbereich zu. Es zeigt sich, daß eine spezielle Dämpfungsformulierung die experimentell bestimmten dynamischen Eigenschaften der Zelle adäquat widerspiegelt. Eine Analyse auf Materialgesetzebene zeigt, daß dafür reine Schubdämpfung und damit eine spezielle Anisotropie im Viskositätstensor verantwortlich ist. Diese Eigenschaft bestimmt das dynamische Verhalten der äußeren Haarsinneszelle bis mindestens 10 kHz und liegt damit im Hörbereich. Der Modellierung der Zelle geht eine angepaßte Auswertung der experimentell ermittelten Daten voraus. Die mechanisch geeignete Auswertung der zugrundeliegenden Experimente weist dabei auf mögliche Fehlerquellen bei der Analyse der Rohdaten hin. Das hat zur Konsequenz, daß der experimentellen Umgebung die gleiche Aufmerksamkeit geschenkt werden muß wie dem Meßobjekt selbst. Nur so kann eine geeignete Extraktion der für das Meßobjekt spezifischen Eigenschaften erfolgen.

Advances in molecular methods for analyzing DNA, RNA and proteins in humans as well as in other animals, plants, fungi, bacteria or viruses have greatly increased the resolution with which we can study life’s complexity and dynamics on earth. While genomic, transcriptomic and proteomic laboratory tools for molecular diagnosis of disease are rapidly becoming more comprehensive, the access to such advanced yet often expensive and centralized procedures is limited. There is a great need for rapid and comprehensive diagnostic methods in low-resource settings or contexts where a person can not or will not go to a hospital or medical laboratory, yet where a clinical analysis is urgent. In this thesis, results from development and characterization of novel technologies for DNA and protein microarray analysis are presented. Emphasis is on methods that could provide rapid, cost-effective and portable analysis with convenient readout and retained diagnostic accuracy. The first study presents a magnetic bead-based approach for DNA microarray analysis for a rapid visual detection of single nucleotide polymorphisms. In the second work, magnetic beads were used as detection reagents for rapid differential detection of presence of pestiviral family members using a DNA oligonucleotide microarray with read-out by means of a tabletop scanner or a digital camera. In paper three, autoimmune responses from human sera were detected on a protein autoantigen microarray, again by means of magnetic bead analysis. Here, special emphasis was made in comprehensively comparing the performance of the magnetic bead detection to common fluorescence-based detection. In the fourth study, an immunochromatographic lateral flow protein microarray assay is presented for application in the classification of contagious pleuropneumonia from bovine serum samples. The analysis could be performed within 10 minutes using a table top scanner, and the performance of the assay was shown to be comparable to that of a cocktail ELISA. In the fifth paper, the lateral flow microarray framework is investigated in further detail by means of experiments and numerical simulation. It was found that downstream effects play an important role, and the results further suggest that the downstream binding profiles may find use in simple affinity evaluation. / QC 20100713

Cette thèse explore le vieillissement des modules photovoltaïques (PV) à base de silicium cristallin via une approche multi-matériaux. L’objectif premier est de déterminer les mécanismes de dégradation mis en jeu durant l’exploitation des modules PV et ainsi d’être à même de proposer des solutions technologiques améliorant leur durabilité. Pour cela, des tests de vieillissement accéléré ont été réalisés sur le verre, la cellule PV au silicium cristallin et le mini-module PV composé du verre, d’un polymère encapsulant et de la cellule silicium.Leurs propriétés fonctionnelles sont systématiquement évaluées et le suivi dans le temps de ces indicateurs permet de définir des lois de vieillissement. En parallèle, des caractérisations physico-chimiques sont réalisées pour définir les mécanismes de dégradations des différents constituants du module. L‘étude de la chaleur humide sur le verre a permis de mettre en évidence une dégradation de surface via un processus d’hydratation du réseau vitreux et un phénomène de lixiviation du sodium qui engendre une augmentation de la transmittance du verre. La cellule PV présente des performances électriques et une réflectance dégradées suite à l’exposition aux radiations UV dues à un processus de photo-oxydation de la couche antireflet SiNx. Il a également été établit qu’une puissance UV élevée peut aussi favoriser un phénomène de régénération des performances électriques. Le vieillissement du mini-module sous UV a montré du phénomène de dégradation photo-induite (LID) engendrant une légère diminution des performances électriques dès la première exposition alors que l’impact de la chaleur humide sur les performances électriques est nul après 2000 heures d’exposition / This thesis investigates the aging of photovoltaic (PV) modules based on crystalline silicon technology via a multi-material approach. The first objective is to determine the degradation mechanisms involved during the operation of the PV modules and thus to be able to propose technological solutions improving their durability. For this purpose, accelerated aging tests were carried out on the glass, the crystalline silicon PV cell and the PV mini-module composed of glass, a polymeric encapsulant and the silicon cell.Their functional properties are systematically evaluated and the follow-up of these indicators allows to define aging laws. In parallel, physicochemical characterizations are carried out to determine the degradation mechanisms of the different components of the module. The study of damp heat on glass throws into evidence a surface degradation with a hydration process of the silica network and a leaching phenomenon of the sodium which involves an increase of the glass transmittance. The PV cell exhibits a deterioration of the electrical performance and reflectance after UV radiation exposure due to a photo-oxidation process of the SiNx antireflection layer. It has also been established that high UV power can also promote a regeneration phenomenon of electrical performances. The aging of the mini-module under UV shows the phenomenon of photo-induced degradation (LID) generating a slight decrease in the electrical performance from the first exposure whereas the impact of damp heat on the electrical performance is null after 2000 hours

Cette thèse porte sur l'utilisation de champs électriques pour faciliter l'élimination de l'eau coproduite avec le pétrole brut, sous la forme d'émulsions stables, lors des étapes d'extraction et de dessalement. Ce procédé, connu sous le nom d'électrocoalescence, s'appuie sur la capacité qu'ont les forces électrostatiques à promouvoir l'attraction et la coalescence de gouttelettes d'eau proches afin d'en augmenter la taille et ainsi d'en accélérer la sédimentation par gravité. Bien que les premières observations expérimentales datent déjà d'un siècle, de nombreuses zones d'ombres subsistent, notamment en ce qui concerne l'optimisation de l'efficacité des électrocoalesceurs de dernière génération. Dans ce contexte, une démarche, combinant simulation numérique multi-physique et expérimentation, a été mise en place pour étudier les phénomènes de mouvement, de déformation et d'instabilité d'interfaces eau-huile induit par la présence d'un champ électrique. La contribution la plus marquante concerne la modélisation et l'analyse de l'effet des forces électrostatiques sur le mécanisme d'amincissement du film d'huile séparant les gouttes. Les résultats numériques mettent en évidence la singularité du problème et l'inadaptabilité des modèles théoriques de lubrification classiquement adoptés pour représenter la coalescence dans les écoulements diphasiques. Une nouvelle expression asymptotique pour le calcul du temps de drainage entre les gouttelettes de l'émulsion est proposée et utilisée pour déduire un critère prédisant la probabilité d'électrocoalescence lors d'une collision dans un écoulement cisaillé. En parallèle, un dispositif sophistiqué, permettant de reproduire expérimentalement le phénomène et d'améliorer la représentativité du critère, a été construit. Enfin, en réponse à un point bloquant décelé lors de la phase de conception de ce dernier, une technique innovante d'injection à la demande de gouttes conductrices non chargées dans un liquide visqueux isolant, utilisant des impulsions électrostatiques, a été développé. / The present thesis deals with the electrostatically assisted removal of water coproduced with crude oil in the form of stable emulsions during recovery and desalting operations. This process, referred to as electrocoalescence, exploits the ability of electric forces to promote attraction and merging of adjacent water droplets to increase their size and related natural rate of sedimentation under gravity. Still, even one century after the first experimental observations, a lot of gray areas remain, particularly on the optimization of efficiency in state-of-the-art separators. To address this question, an approach combining multi-physics simulation and experiments has been used to investigate the phenomena of motion, deformation and instability of electrically influenced water-oil (droplets) interfaces. The main contribution concerns the modeling and analysis of the mechanism of oil film thinning between droplets approaching under the effect of electrostatic forces. Results from simulations highlight the strong singularity of the present problem and the inadequacy of existing theoretical lubrication models usually employed to represent coalescence events in two phase flows. For the small emulsified droplets, a new asymptotic expression for the drainage time is obtained and allows to deduce a criterion predicting the probability of electrocoalescence resulting from a shear flow induced collision. In parallel, a sophisticated setup, enabling to experimentally investigate the phenomenon and to improve the criterion relevance with regards to the actual processing conditions, has been assembled. At last and as an answer to an otherwise unfulfilled requirement defined in the design of the latter, an innovative actuation technique for the synchronous on-demand injection of two charge free conductive droplets in an insulating viscous liquid, relying on the application of a high electric field pulse, has been implemented.

Le principal défi auquel sont confrontés aujourd'hui les équipementiers aéronautiques est d'augmenter l'utilisation des systèmes électriques à bord de l'avion. De nos jours, le remplacement des systèmes hydrauliques par des actionneurs électriques conduit à placer les systèmes électriques dans un environnement hostile, par exemple dans la nacelle du moteur. L'équipement est soumis à des contraintes sévères telles que des températures élevées et basses, un cycle thermique étendu, une humidité élevée et une basse pression. En conséquence, des efforts doivent être faits pour réduire le poids et le volume du convertisseur de puissance sans perdre ses performances. Pour atteindre cet objectif, la conception de modules de puissance doit permettre un haut niveau d'intégration, d'efficacité et de fiabilité. On s’intéresse en particulier aux dommages causés par la fatigue qui ont une influence significative sur les performances électriques de ces modules. Les tests de performance liés à la fatigue restent des efforts coûteux pour l'équipement aéronautique. Un nombre fini de tests destructifs, par vieillissement accéléré, peut être effectué pour un nombre assez faible de configurations. Le but de ces tests est d'étudier les modes de défaillance apparaissant lors du vieillissement accéléré. Par conséquent, des simulations numériques ont été envisagées, facilement évolutives et utilisables pour un grand nombre de configurations, mais nécessitant des données d'essais expérimentaux. Dans ce manuscrit, quelques modes de défaillances sont étudiés. On propose une méthode numérique intégrant les contraintes principales dans les équipements, à savoir la simulation électrique, thermique et mécanique. Ces trois problèmes physiques ont des temps caractéristiques différents et sont fortement couplés avec un comportement non trivial. Pour optimiser l'utilisation des ressources et avoir une représentation pertinente du problème, un procédé couplé électrique 1D / thermique 3D / mécanique 3D a été implémenté sur un bus de cosimulation. Différents pas de temps, différents niveaux d'abstraction et différentes compétences sont utilisés pour fournir un modèle multiphysique de modules de puissance. / Today’s main challenge for aeronautical equipment manufacturers is to respond to the more electrical aircraft regulations. Moreover, there are many applications in aircraft area where high temperature technologies are needed. Nowadays, the replacement of hydraulic systems for electric ones leads to place the power inverters in a harsh environment, for example in the engine nacelle. The equipment is under high constraints such as high and low temperatures, wide temperature cycling, high humidity and low pressure. Combined to these environmental constraints, the new aircraft system is submitted to weight and operating cost reduction. As a consequence, efforts shall be done to reduce weight and volume of the power converter without losing its performance. To reach such a goal, the design of the converter must enable a high level of integration, efficiency and reliability. In particular, fatigue damage has a significant influence on such modules electrical power performance. And fatigue-related performance testing remains a costly endeavor for aeronautical equipment. A finite number of destructive tests can be carried out in specific facilities for a fairly low number of configurations. The purpose of these destructive tests is to investigate the failure modes appearing regarding this accelerated ageing. Therefore numerical simulations have been envisaged since non-destructive, easily evolving and usable for a high number of configurations, though needing data from experimental assays. In this study, we propose a method dealing with the main constraints for such equipment, i.e. electrical, thermal and mechanical simulation. Those three physical problems have different characteristic time and are strongly coupled with a non-trivial behavior. To optimize the resources usage and have a relevant representation of the problem, a 1D electrical / 3D thermal / 3D mechanical coupled method has been implemented over a co-simulation bus. Different time steps, different abstraction levels and different skills are used to provide predictions of the multiphysical fatigue behavior of power modules.

L’objectif de cette étude est de développer une alimentation multisources exploitant la complémentarité batterie/supercondensateurs pour gagner en masse sur le stockage de l’énergie électrique embarquée à bord des aéronefs et des véhicules spatiaux. L’étude se déroule en trois parties :Dans la première partie, un outil d’aide à la décision permettant développer une alimentation hybride pour une application donnée est présenté. Cet outil a pour but d’estimer la masse optimale d’une alimentation hybride à partir des seules informations d’énergies spécifiques et puissances spécifiques des sources candidatesLa deuxième partie de l’étude s’appuie sur la complémentarité d’une étude bibliographique sur le comportement interne des supercondensateurs, couplée avec une campagne expérimentale de caractérisation et de vieillissement des supercondensateurs, pour construire et identifier les modèles multiphysiques de références commerciales de supercondensateurs nécessaires à l’optimisation fine du dimensionnement de l’alimentation hybride.À partir du modèle des sources, la troisième et dernière partie de cette étude a pour objectif de présenter la conception d’une architecture électrique répondant au besoin. En particulier, l’alimentation hybride proposée dans cette partie exploite dynamiquement et au maximum de leur capacité chacune des deux sources, tout en prenant soin de ne pas les contraindre excessivement. De par cette manière de faire, on se prémunit contre d’éventuelles défaillances des sources liées à leur utilisation abusive / The aim of this study is to develop an hybrid power supply using the complementarities between batteries and supercapacitors in order to improve the mass of electrical storage systems on aircrafts and spacecrafts.The study is divided into three parts: In the first part, a decision-making tool to develop a hybrid power supply given a mission profile is presented. Thanks to this tool, an estimation of the optimal mass of the hybrid power supply is done based only on the specific energy and the specific power of the sources.The second part is firstly composed of a synthesis of bibliography results on the internal behavior of supercapacitors; secondly an experimental test campaign is described. Its aim is characterizing, modeling and identifying the multiphysics behavior and ageing of supercapacitors on several commercial references. Those models are required for the fine sizing optimization of the hybrid power supply. Basing on the internal model of the sources, the aim of the third part of this study is to present the development of an hybrid architecture battery/supercapacitors which fulfills the electrical need for a specific application. This hybrid power supply takes dynamically advantage of the electrical sources at the maximum of their possibilities, but without overstressing them at the same time. Thanks to that, the aging rate of the sources and the failure rate of the system are limited