In the present doctoral work we have developed and tested a model for dissolved oxygen (DO) transfer from water to underlying flat and cohesive sediment beds populated with DO-absorbing bacteria. The model couples Large-Eddy Simulation (LES) of turbulent transport in the water-column, a biogeochemical model for DO transport and consumption in the sediment, and Darcy’s Law for the pore water-driven solute dispersion and advection. The model’s predictions compare well against experimental data for low friction-Reynolds numbers (Re). The disagreement for higher Re is investigated by progressively increasing the complexity of the model. A sensitivity analysis shows that the sediment-oxygen uptake (or demand, SOD) is approximately proportional to the bacterial content of the sediment layer, and varies with respect to fluid dynamics conditions, in accordance to classic high-Schmidt-number mass-transfer laws. The non- linear transport dynamics responsible for sustaining a statistically steady SOD are investigated by temporal- and-spatial correlations and with the aid of instantaneous visualizations: the near-wall coherent structures modulate the diffusive sublayer, which exhibits complex spatial and temporal filtering behaviours; its slow and quasi-periodic regeneration cycle determines the streaky structure of the DO field at the sediment-water interface (SWI), retained in the deeper layers of the porous medium. Oxygen depletion dynamics are then simulated by preventing surface re-areation with turbulent mixing driven by an oscillating low-speed current — an idealization of hypolimnetic DO depletion in the presence of a non-equilibrium periodic forcing. The oxygen distribution exhibits a self-similar pattern of decay with, during the deceleration phase, oscillations modulated by the periodic ejection of peaks of high turbulent mass flux (pumping oxygen towards the SWI), generated at the edge of the diffusive sublayer at the end of the acceleration phase. These fronts of highly turbulent mixing propagate away from the SWI, at approximately constant speed, in layers of below-average oxygen concentration. Finally, the model has been tested in a real geophysical framework, reproducing published in-situ DO measurements of a transitional flow in the bottom boundary layer of lake Alpnach. A simple model for the SOD is then derived for eventual inclusion in RANSE biogeochemical management-type models for similar applications. / Thesis (Ph.D, Mechanical and Materials Engineering) -- Queen's University, 2012-07-04 11:13:24.936

Thesis (M. Eng.(Mechanical Engineering))--University of Pretoria, 2004. / Includes bibliographical references.

Thesis (MSc)--Stellenbosch University, 2015. / ENGLISH ABSTRACT: The design optimisation of a linear oscillatory electric generator for application in freepiston Stirling engines is described in this thesis. A basic overview of free-piston Stirling engine technology is given by firstly providing a brief description of the operation of the heat engine. The applications of free-piston Stirling engines in industry are given and the proposed future applications are described. Different types of electrical machine designs from industry and academia are evaluated in a literature study. A classification structure is also proposed based on the magnetic flux variation within the designs. Based on the literature study, a transverse flux, single-phase, moving magnet, tubular topology was chosen for investigation. Athree dimensional finite element simulation was chosen as the most appropriatemethod to model the linear electrical machine. A commercial simulation package was called from a simulation script and the outputs from the finite element simulation were again used to calculate the electrical machine performance parameters using the instantaneous voltageand current values. A sequential quadratic programming algorithm was used to perform optimisation of the machine topologies, with the optimisation variables being dimensional parameters that describe the machine geometry and the goal of the optimisation to minimise the active mass of the machine, while maintaining preset minima for the output power and the efficiency. The machine was optimised for a number of different translator configurations and the different configurations were analysed and compared. It was found that a quasi-Halbach arrangement of the permanent magnets yielded the lowest overall active mass. A comparative study is also presented, where this quasi-Halbach variant is compared to a commercial machine. It was found that the linear machine design with a quasi-Halbach arrangement compares well with the commercial machine. A prototype and test bed was designed and constructed. Due to manufacuring difficulties however, the machine could not be completed in time for testing. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Die ontwerpsoptimering van ’n lineêre ossillerende elektriese generator vir toepassing in vrysuier Stirling enjins word beskryf in hierdie tesis. ’n Basiese oorsig van vrysuier Stirling enjin tegnologie word gegee deur eerstens ’n kort beskrywing te gee van die werking van die hitte-enjin. Die aanwending van vrysuier Stirling enjins in industrie word gegee en voorgestelde toekomstige toepassings word beskryf. Verskillende tipes elektriese masjien ontwerpe vanuit die industrie en die akademie word geëvalueer in ’n literatuurstudie. ’n Klassifiseringstruktuur, gebaseer op die magnetiese vloedverandering in die ontwerpe, word ook voorgestel. ’n Transverse vloed, enkelfase, bewegende magneet, tubulêre topologie is gekies vir die ondersoek, gebaseer op die onder andere die literatuurstudie. ’n Drie-dimensionele eindige element simulasie is gekies as die mees geskikte metode om die lineêre elektriese masjien te modelleer. ’n Kommersiële simulasie pakket is deur middel van ’n simulasie skrip geroep en die uitsette vanaf die eindige element simulasie is weer gebruik om die werksverrigtingsparameters van die elektriese masjien te bereken deur gebruik te maak van die oomblikswaardes van die spanning en stroom. ’n Sekwensiële kwadratiese programmering algoritme is gebruik om optimering van die masjien topologieë te doen, met die dimensionele parameters wat die masjien geometrie beskryf as die optimeringsveranderlikes en doel van die optimering om die aktiewe massa van die masjien te minimeer, terwyl die uitsetdrywing en die benuttingsgraad by voorafgestelde minima gehou word. Die masjien is geoptimeer vir verskeie translator konfigurasies en die verskillende konfigurasies is geanaliseer en vergelyk. Dit is bevind dat ’n kwasi-Halbach skikking van die permanente magnete die laagste totale aktiewe massa gelewer het. ’n Vergelykende studie is ook aangebied, waar die kwasi-Halbach variant vergelyk is met ’n kommersiële masjien. Dit is bevind dat die lineêre masjien met die kwasi-Halbach skikking baie goed vergelyk met die kommersiële masjien. ’n Prototiepe masjien en toetsopstelling is ontwerp en aan mekaar gesit. Maar as gevolg van vervaardigbaarheids tekortkominge kon toetse op die prototiepe nie betyds gedoen word nie.

De par la grande diversité de tissus existants, tous avec des caractéristiques mécaniques différentes, il n’y a que peu d’études portant sur la découpe de tissus textiles.Cette thèse s’intéresse à la découpe de textile en multi-plis par l’action d’une lame oscillante dans un contexte industriel.Dans cette étude, une machine de découpe industrielle est équipée de différents capteurs afin de pouvoir mesurer l’influence des efforts de coupe sur la qualité des pièces découpées. En utilisant cet équipement, il a été possible de contrôler les efforts de coupe pendant toute la durée d’une coupe rectiligne.Enfin, un modèle physique de ces efforts est proposé en prenant en compte différents paramètres comme la géométrie de la lame, les propriétés du matériau découpé et les différents paramètres de coupe. / Due to the wide variety of fabrics, all with different mechanical characteristics, there are few studies dealing with the question of cutting fabrics.In this thesis, we model the multi-ply cutting process using a reciprocating knife in an industrial context.In this study, a textile cutting machine is instrumented with different sensors, to measure the influence of cutting forces on the quality of the resulting profiles. Using this equipment, cutting forces can be analyzed experimentally while the fabric is being cut along a straight line.Next, a model of the physical phenomena of these forces is proposed, taking different parameters into account such as the geometry of the knife, the properties of the material being cut and the parameters of the cut.

Made available in DSpace on 2015-05-08T14:59:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 1244428 bytes, checksum: d2b67119c59bcbd8e0b0f7c1bdf6fe9f (MD5) Previous issue date: 2012-04-30 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The thermal properties of materials are vital to the integrity of mechanical designs, mainly of thermal systems and their components. The simulation and determination of temperature field brings the representation of the thermal behavior, i.e., provides previous information on how the temperature varies with position and time in a given solid, subject to certain conditions, characterizing thermically the material, implying what are applications most appropriate for that object under study. For the solution of partial differential equations governing heat diffusion problems in the present study, we used the generalized integral transform technique (GITT), both for the one-dimensional model as the two-dimensional with harmonic oscillating temperature as a boundary condition, providing the temperature profile of the models under study. These were simulated by a computer code developed in Mathematica 8.0, and with the results obtained, an analysis of convergence with respect to temperature observing the number of eigenvalues was done. The one-dimensional model was reproduced by two-dimensional model, assuming the Biot number equal zero of the condition of the third kind of cylinder lateral surface in twodimensional model, for validation of both; and comparing the results of de model with the experimental results. / As propriedades térmicas dos materiais são de vital importância para integridade de projetos mecânicos, principalmente de sistemas térmicos e os seus componentes. A simulação e determinação do campo de temperatura nos trazem a representação do comportamento térmico, isto é, fornece informações prévias de como a temperatura varia com a posição e o tempo em um determinado sólido, submetido a certas condições, caracterizando o material termicamente, implicando quais são as aplicações mais apropriadas para aquele objeto em estudo. Para a solução das equações diferenciais parciais que governam os problemas de difusão de calor no presente trabalho, foi empregada a técnica da transformada integral generalizada (GITT), tanto para o modelo unidimensional quanto o bidimensional, com oscilação de temperatura harmônica como condição de contorno, fornecendo o perfil de temperatura dos modelos em estudos. Estes foram simulados por um código computacional desenvolvido no Mathematica 8.0, e com os resultados obtidos foi feita uma análise de convergência com relação a temperatura observando o número de autovalores. Além da reprodução do modelo unidimensional pelo bidimensional, para validação de ambos, em que o número de Biot da condição de terceiro tipo da superfície lateral do cilindro do modelo bidimensional foi assumido zero; e comparação dos resultados obtidos pelo modelo com resultados experimentais.

Este trabalho apresenta a calibração e o desenvolvimento de um tanque de reaeração, equipamento que gera turbulência com intensidade controlável por meio de grade oscilante. Foram realizadas adequações ao projeto inicial de construção do tanque, idealizado por ROMA, onde se buscou o equilíbrio e as limitações de funcionamento para que, em futuros trabalhos, o tanque possa ser utilizado sob condições adequadas sem a presença de \"ruídos\" que venham a interferir nos resultados. A calibração do tanque foi realizada levantando-se o coeficiente de reaeração \'K IND.2\' para dois tipos de grades, 256 malhas/\'M POT.2\' e 1024 malhas/\'M POT.2\' constituídas por barras de seção medindo 10 x 10 mm, em diversas freqüências de oscilações sob condições controladas de temperatura e umidade relativa do ar. Com auxílio de um medidor eletroquímico de oxigênio dissolvido e de um contador de rotação, pôde-se acompanhar a reoxigenação da água e avaliar a freqüência de oscilação das grades. A desaeração da massa de água, necessária para a calibração do tanque, foi promovida por Stripping provocado por cavitação forçada à temperatura ambiente com injeção de nitrogênio. A taxa de reaeração \'K IND.2\' foi calculada por medidas da variação do oxigênio dissolvido em função do tempo provocada por agitação mecânica para determinada freqüência de oscilação da grade. Os resultados obtidos forneceram as curvas de reaeração em função da freqüência de oscilação e do tipo de grade utilizada em cada ensaio que, através do uso de planilha eletrônica, determinaram-se os valores de concentração de saturação (Cs) e coeficiente de reoxigenação (\'K IND.2\') com o uso de regressão não linear. / This work presents a reaeration tank development and its calibration, equipment that generates controlled intensity turbulence produced by oscillating grid. An adaptation on the original design idealized by Roma was made improving the equilibrium of the oscillating grid mechanism and defining the limits of functionality of the device. These are important aspects for future research on experimental turbulence generation since that the use of equipment free of undesirable disturbing noise are of fundamental importance. Tank calibration was obtained through the evaluation of the reaeration coefficient \'K IND.2\' using two types of oscillating grids, 256 and 1024 meshes/\'M POT.2\', constructed with 10 x 10 \'MM POT.2\' square section bars. Experimental runs were conducted under controlled conditions of air temperature and humidity, for several oscillating frequencies for each grid. The necessary water mass desaeration was obtained by ambient temperature stripping, induced by forced cavitation and nitrogen injection. Reaeration coefficients were calculated from data obtained from dissolved oxygen concentration measurements as function of time for each grid size and oscillating frequency combination. As results, reaeration curves with reaeration coefficients as function of oscillating frequency and grid type are presented.

O estudo e observação de Sistemas Químicos Oscilantes vêm se destacando como importante campo de pesquisa da ciência química contemporânea. Tais sistemas têm como comportamento notório principal a variação periódica da concentração de um intermediário de reação química. Sua compreensão vem estimulando debates que transcendem o escopo químico e estabelecem relações com outras disciplinas científicas, e mais marcadamente, o estudo de sistemas complexos em geral. O ensino de sistemas químicos oscilantes, em específico, e de sistemas complexos, em geral, se apresenta na atualidade como desafio necessário e estimulante. Neste trabalho optou-se por tentar contribuir neste esforço, utilizando-se da noção de obstáculos epistemológicos inicialmente estabelecida pelo filósofo francês Gastón Bachelard. O conceito de obstáculos epistemológicos apresentou-se nas últimas décadas como importante ferramenta na abordagem das relações de ensino-aprendizagem de conceitos das ciências contemporâneas. Existem diferentes tipos de obstáculos epistemológicos, entre eles: experiência primeira, conhecimento geral, obstáculo verbal, conhecimento unitário e pragmático e obstáculo animista. Neste trabalho surge a proposta de utilizar a noção de obstáculo epistemológico voltada ao ensino de conceitos da complexidade pertinentes aos Sistemas Químicos Oscilantes. Foram analisadas as presenças de obstáculos epistemológicos em textos didáticos de ensino de sistemas químicos oscilantes. Os textos didáticos escolhidos foram artigos científicos da área de ensino de química voltados ao ensino de sistemas químicos oscilantes, livros didáticos usados em cursos de graduação e livros de divulgação científica. Foram analisados os conteúdos integrais de sete artigos científicos da área de ensino de química voltados ao tema reações químicas oscilantes. Foram também analisadas as seções referentes a reações químicas oscilantes de quatro livros didáticos utilizados em cursos de graduação da USP devotadas ao ensino de sistemas caóticos. Foram também analisadas as seções referentes a reações químicas oscilantes de quatro livros de divulgação científica que abordaram o tema sistemas químicos oscilantes. Foram encontrados grande número de obstáculos da experiência primeira e obstáculos animistas em livros didáticos e um grande número de obstáculos verbais em livros de divulgação científica. Todos os tipos de obstáculos epistemológicos listados foram identificados ao menos uma vez em algum dos textos. Demonstrou-se a viabilidade de aplicação do conceito de obstáculos epistemológicos em textos didáticos de ensino de sistemas químicos oscilantes. / The study and observation of Oscillating Chemical Systems have been highlighted as an important research field of chemical science contemporary. Such systems are notorious behavior as the main periodic variation of the concentration of an intermediate chemical reaction. Your understanding is stimulating debates that transcend the scope of chemical and establish relationships with other scientific disciplines, and most notably, the study of complex systems in general. The teaching of chemical oscillating systems, in particular, and complex systems in general, is presented nowadays as necessary and stimulating challenge. In this work it was decided to try to contribute in this effort, using the notion of epistemological obstacles initially established by the philosopher Gaston Bachelard. The concept of epistemological obstacle presented itself in recent decades as an important tool in addressing the relationships of teaching and learning of contemporary science concepts. There are different kinds of epistemological obstacles, among them: first experience, geral knowledge, verbal obstacle, pragmatic and unitary knowledge and animist obstacle . This work comes propose to use the notion of epistemological obstacle to teach the complexity of concepts relevant to oscillating chemical system .We analyzed the presence of epistemological obstacles in textbooks that have teaching oscillating chemical systems. The selected texts were scientific articles in the area of chemical education aimed at teaching oscillating chemical systems, books used in undergraduate and some popular science books. We analyzed the entire contents of seven papers in the area of chemical education geared to the theme oscillating chemical reactions. We also analyzed the sections pertaining to oscillating chemical reactions of four textbooks used in undergraduate courses devoted to teaching the chaotic systems at USP . We also analyzed the sections pertaining to oscillating chemical reactions of four popular science books that addressed the issue of oscillating chemical systems. We found many first experiences and animists obstacles in textbooks and a large number of verbal obstacles in popular science books. All kinds of epistemological obstacles identified were listed at least once at some of the texts. The results confirm the feasibility of applying the concept of epistemological obstacles in textbooks teaching oscillating chemical systems.

A transferência de gases através da interface ar-água em escoamentos turbulentos é um processo importante para diferentes sistemas ambientais. Para avançar no entendimento dos princípios básicos envolvidos no fenômeno é necessária a utilização de técnicas e aparatos experimentais adequados. Neste estudo, foi realizada simulação numérica e experimentos em tanque de uma e duas grades oscilantes. Para a configuração de duas grades, dados experimentais foram comparados com soluções analíticas, obtendo-se boa concordância. Quatro quantidades foram analisadas: energia cinética turbulenta, taxa de dissipação de energia, viscosidade turbulenta e escala de comprimento. Na configuração de uma grade oscilante, foram realizadas medidas de concentração através da utilização de micro sonda de oxigênio. Adicionalmente, foram realizadas medidas concomitantes de velocidade e concentração, próximas à interface, utilizando, respectivamente, as técnicas particle image velocimetry (PIV) e laser induced fluorescence (LIF). O uso combinado das técnicas PIV e LIF permite a obtenção direta do fluxo de massa através da interface ar-água. Os resultados qualitativos e quantitativos devem servir de auxílio para direcionar futuros desenvolvimentos na área. / Gas transfer across the air-water interface in turbulent flows is an important process for many environmental systems. To improve the understanding of the basic principles involved in this phenomenon it is necessary to use suitable apparatus and experimental techniques. In this study, experiments and numerical simulation were conducted in a tank with one and two oscillating grids. In the two-grids configuration, experimental data were compared with analytical solutions, obtaining good agreement. Four quantities have been evaluated: turbulent kinetic energy, dissipation rate, eddy viscosity, and length scale. In the one-grid configuration, a microprobe has been used for measurements of oxygen concentration. In addition, the velocity and concentration fields near the interface were measured simultaneously using the combined particle image velocimetry (PIV) - laser induced fluorescence (LIF) technique. With the combined PIV-LIF technique, the total mass flux across the air-water interface could be obtained directly. The qualitative and quantitative results should help guide future work at the subject.

Um regime ou fluxo turbulento pode ser definido simplificadamente como uma forma de escoamento no qual o movimento de um fluido ocorre de forma aparentemente aleatória. A natureza caótica desse tipo de regime não possibilita que o problema seja abordado de modo determinístico, consequentemente, não pode ser descrito através de expressões analíticas para descrever seu campo de velocidades. Apesar de ser impossível estudar o movimento de cada partícula, pode-se visualizar o problema de forma macroscópica. Utilizando-se de simplificações e generalizações pode-se fazer uso de estudos numéricos em uma tentativa de encontrar uma face determinística do fenômeno, como por exemplo, verificação da isotropia e homogeneidade. A turbulência com estas características é um regime em que as componentes da velocidade no espaço e as velocidades em diferentes pontos do escoamento apresentam parâmetros estatísticos semelhantes. Tais condições não existem na prática, mas pode-se construir equipamentos que produzem escoamentos que se aproximam desta condição. Este trabalho consistiu na verificação das condições de turbulência isotrópica e homogênea em um tanque de grade oscilante. Foi utilizado o método de trilhagem de partículas por fotografia estereoscópica, PIV (particle imaging velocimeter), para observar e quantificar a turbulência gerada. Observou-se a turbulência gerada por 8 velocidades diferentes de oscilação da grade. Os resultados mostraram que o tanque em estudo aproximou-se de condições homogêneas, porém sua isotropia não pôde ser afirmada. O tanque com grade oscilante foi eficiente na geração de turbulência, reproduzindo o fenômeno real e colaborando para o seu estudo. Também foi realizado uma análise sobre a eficácia do método de velocimetria com o uso de PIV, que mostrou ser adequado para a observação de campos de velocidades de um escoamento, com limitações quanto à região periférica da área alvo. / Turbulence or turbulent flow can be defined in a simplified way as a flow with random moviment. The chaotic behavior of this regime does not allow a deterministic approach, therefore, it can not be described by analytical formulas for the velocity field. Although it is impossible to study the movement of each particle, the problem can be studied in a macroscopic way. Simplifications and generalizations can be used in numerical studies in an attempt to find a deterministic view of the phenomenon, for example, checking the isotropy and homogeneity. The turbulence with these characteristics is a regime in which the components of velocity in space and velocity at different points of the flow have similar statistical parameters. Such conditions do not exist in practice, but equipment can be built in order to produces flow approaching the condition. This work consisted of verify the conditions of homogeneous isotropic turbulence in a tank with oscillating grid. It was used the method of particule tracking by stereoscopic photography, PIV (particle imaging velocimetry), to observe and quantifying the generated turbulence. It was observed turbulence generated by 8 different speeds of oscillation of the grid. The results showed that the tank approached homogeneous conditions, but its isotropy can not be affirmed. The tank with an oscillating grid was efficient in the generation of turbulence, reproducing a real phenomenon and contribute to its study. Analysis was also conducted on the effectiveness of velocimetry method using PIV, shown to be suitable for observation of a flow velocity field with limitations on the peripheral region of the target area.

A turbulência gerada em equipamentos de grade oscilante presta-se a uma série grande de comprovações experimentais de proposições teóricas. Isto ocorre tanto para a turbulência propriamente dita, como para os fenômenos de transporte a ela associados. Usualmente não se considera a presença de correntes preferenciais nas constatações experimentais conduzidas nesses equipamentos. Entretanto, para que as previsões teóricas possam ser definitivamente corroboradas, é preciso quantificar as correntes preferenciais e a sua forma, de modo que se possa inferir a sua influência nos fenômenos medidos. No presente estudo apresentam-se resultados da quantificação das correntes preferenciais em escoamentos gerados por grades oscilantes. / Turbulence generated by oscillating grids is used in a series of experimental procedures to support or to test theoretical proposals. This way to conduct the studies is usual for turbulence itself and also for associated transport phenomena. Usually the preferential currents are not taken into account during the experiments conducted in oscillating grids equipments. However, to definitively corroborate theoretical predictions, it is necessary to quantify the preferential currents and to determine the shape of the flow, in a way that permits to infer the effects on the measured phenomena. In the present study, results related to preferential currents generated in a stirred grid equipment are presented.