Two aspects of solving the incompressible Navier-Stokes equations are described in the thesis. The preconditioning of the algebraic systems arising from the Finite Element Method discretization of the Navier-Stokes equations is complex due to the saddle point structure of the resulting algebraic problems. The Pressure Convection Diffusion Reaction and the Least Squares Commutator preconditioners constitute two possible choices studied in the thesis. Solving the flow problems in time-dependent domains requires special numerical methods, such as the Fictitious Boundary method and the Arbitrary Lagrangian Eulerian formulation of Navier-Stokes equations which are used in the thesis. The problems examined in the thesis are simulations of experiments conducted in liquid Helium at low temperatures. These simulations can be used to establish a relationship between vorticity and new quantity pseudovorticity in an experiment-like setting.

The thesis is focused on comparison of several ways of the calculation of thermal and moisture fields in wood containing bound water during drying and their comparison with commonly used standards for wood drying processes. Each of the four models presents different way of the unsteady-state calculation of the coupled thermal and moisture field in wood. The first model describes linear simulation, other three models present nonlinear simulation using material coefficients dependent on temperature and moisture content, differing in the method of the thermodiffusion (Soret effect) coefficient settings. The aim of the thesis is to establish the influence of Soret effect on the wood drying process and to describe the difference between commonly used presumption of this process and its presumption given by the unsteady-state computation of the coupled thermal and moisture fields in wood.

This Ph.D. thesis was written under the supervision of Assoc. prof. Pavel Hutař, Ph.D., and Assoc. prof. Luboš Náhlík, Ph.D. The thesis is focused on the effect of plasticity induced crack closure, its characteristic and ways of numerical modelling. Premature fatigue crack closure has a significant effect on the fatigue crack propagation rate and therefore on the residual lifetime of a structure. A three-dimensional numerical model allows a detailed look at the stress and strain distribution along the crack front, and particularly it allows a local description of parameters along the crack front which governs the fatigue crack propagation rate. In the first part of the thesis, the study is focused on the influence of a singular stress field at the vicinity of the free surface on the crack front curvature without crack closure being involved. In the second part, a numerical model in 2D of plasticity induced crack closure was created and verified by experimental results. In the final part, a 3D numerical model is used to describe the influence of the crack closure on its fatigue propagation rate and explains typical crack front curvature. The suggested technique allows quantitative accuracy improvement of numerical simulation of the fatigue crack propagation and therefore, more reliable estimation of the residual lifetime of the cracked structure.

The presented doctoral thesis deals with the characterization of elements in two size fractions of urban aerosol, which was sampled in all seasons on the terrace of the Institute of Analytical Chemistry of the CAS in Brno in 2018. The theoretical part of the thesis summarizes the basic information about the analysis and health risks of atmospheric aerosol and metals bound to aerosol. Furthermore, the work describes methods for determining the inhalation bioaccessibility of aerosol particles and methods used for the determination of oxidative potential. The first part of the thesis describes in detail the sampling and analysis of urban aerosol particles. The mass concentration of both aerosol size fractions and the total concentration of 21 elements were determined. The probable sources of the analysed elements were calculated using the enrichment factor and positive matrix factorization. The second part of the thesis deals with the determination of the oxidative potential of the aerosol and bioaccessible concentration of the analysed elements in three simulated lung fluids (deionized water, simulated alveoli fluid, Gamble solution). In addition to determining the oxidative potential of real samples, the oxidative potential of individual elements was also analysed. From the obtained results was calculated the probable contribution of the elements to the measured oxidative potential.

The presented dissertation thesis deals with a simulation of the human phonation in terms of latest theories. Phonation is considered here as a bi-directional fluid-structure-acoustic interaction, where the interaction between all three physical domains occurs due to the unsteady viscous compressible Navier-Stokes equations. There is a solid knowledge background in the first part of the thesis. It concerns the latest concepts in computational modeling of the human phonation, the most important and recent theories about the human voice production and some key aspects of the human anatomy, physiology and pathology. Also voice assessment is discussed. The second part of the thesis describes an in-depth analysis of a phonation simulation in a planar computational model. The basic concepts proceed from algorithms developed in the Institute of Solid Mechanics, Mechatronics and Biomechanics. Created models are able to reproduce sounds of all Czech vowels and the most common evaluated parameters very close to physiological ranges. The simulated pathology, Reinke's edema, is demonstrated in order to explore its influence on the vowel sound. The third part focuses on modeling of phonation in a spatial computational model. All Czech vowels are simulated also here and compared to the planar model and to actual measurement. The spatial model serves as the starting point to modeling of a longitudinal pretension incorporated in the vocal folds. In the last part of the thesis, a modeling of the phonation with vocal folds pretension is investigated. Although the models are tuned to a rather soft phonation, the results are in agreement with the relevant physiologic phenomena. While the spatial model is highly computationally expensive, a hybrid planar model with pretension is proposed. A special attention is paid to the analysis of self-sustained oscillation of the vocal folds. It is shown, the planar model cannot reproduce such kind of oscillation in the actual version, albeit time of oscillation was considerably extended. On the other hand, oscillation of the spatial vocal folds are stabilized without effects accompanying subduing of oscillation. It can be supposed that the spatial model is able to reproduce self-sustained oscillation as a basic principle present during the human phonation.

The purpose of this thesis is to overview the basic design solutions of full aluminum radiators. By finite element method to check the first generation of full aluminum low temperature radiator bracket and based on this calculation to modify the design to reduce tension in the critical areas. At the end of this thesis to evaluate the new design.

This thesis was written under the supervision of Assoc. Prof. Luboš Náhlík, Ph.D. and Assoc. Prof. Pavel Hutař, Ph.D. The topic of this thesis is the study of a free surface effect and gradient change of material properties on a crack behavior. The common theme of the work is a fracture mechanics description of a crack behavior near a material nonhomogeneity. Here, the material nonhomogeneity can be understood either as a boundary of a body (interface between body and surrounding) or as a continuous change of material properties. The thesis is introduced by a review part where the state-of-the-art of the concerned topic is described. This part presents several stress state descriptions in the vicinity of some general singular stress concentrators, particularly a crack and a V-notch. The influence of the free surface on a fatigue crack front shape is discussed here. The review part follows with the fracture mechanics description of the graded materials. The problem formulation and the main aims of the thesis are stated in the following chapter. The core of this work is the fracture mechanical description of a crack propagating near the material nonhomogeneity. The thesis focuses on a stress field description near the free surface of the body where a change in a type of the singular stress field occurs. Methods used in generalized fracture mechanics are applied here to describe the stress field near the free surface. The difference between crack behavior in thin-walled and thick-walled structures is shown and supplied by relevant examples. Methods and procedures used are later utilized for estimation of a crack behavior in graded structures. The thesis is concluded by the discussion of obtained results in appropriate context.

Tato práce se zabývá problematikou aneurysmat břišní aorty a možností využít konečnoprvkovou deformačně-napěťovou analýzu těchto aneurysmat ke stanovení rizika ruptury. První část práce je věnována úvodu do problematiky, popisu kardiovaskulární soustavy člověka s důrazem na abdominální aortu, anatomii, fyziologii a patologii stěny tepny s důrazem na procesy vedoucí ke vzniku aneurysmatu. Dále se práce věnuje rizikovým faktorům přispívajících ke vzniku aneurysmat spolu s analýzou současných klinických postupů ke stanovení rizika ruptury spolu se srovnáním navrhovaného kritéria maximálního napětí. Dominantní část této disertace je věnována identifikaci faktorů ovlivňujících napjatost a deformaci stěny aneurysmatu spolu s návrhem nových postupů, prezentací vlastních poznatků vedoucích ke zpřesnění určení rizika ruptury pomocí deformačně- napěťové analýzy a metody konečných prvků. Nejprve je analyzován vliv geometrie, vedoucí k závěru, že je nezbytné používání individuálních geometrií pacienta. Dále je pozornost zaměřena na odbočující tepny, které ve stěně působí jako koncentrátor napětí a mohou tedy ovlivňovat napjatost v ní. Jako další podstatný faktor byl identifikován vliv nezatížené geometrie a bylo napsáno makro pro její nalezení, které bylo opět zahrnuto jako standardní součást do výpočtového modelu. Mechanické vlastnosti jak stěny aneurysmatu, tak intraluminálního trombu jsou experimentálně testovány pomocí dvouosých zkoušek. Také je zde analyzován vliv modelu materiálu, kde je ukázáno, že srovnávání maximálních napětí u jednotlivých modelů materiálu není vhodné díky zcela rozdílným gradientům napětí ve stěně aneurysmatu. Dále je zdůrazněna potřeba znalosti distribuce kolagenních vláken ve stěně a navržen program k jejímu získání. Intraluminální trombus je analyzován ve dvou souvislostech. Jednak je ukázán vliv jeho ruptury na napětí ve stěně a jednak je analyzován vliv jeho poroelastické struktury na totéž. Posledním identifikovaným podstatným faktorem je zbytková napjatost ve stěně. Její významnost je demonstrována na několika aneurysmatech a i tato je zahrnuta jako integrální součást do našeho výpočtového modelu.Na závěr jsou pak navrženy další možné směry výzkumu.

Tato práce se zabývá výpočtovými simulacemi zkoušek jednoosým tahem a tříbodovým ohybem kompozitního vzorku složeného z elastomerové matrice a ocelových výztužných vláken orientovaných pod různými úhly, jakož i jejich experimentální verifikací. Simulace byly provedeny pomocí dvou různých modelů - bimateriálového a unimateriálového výpočtového modelu. Při použití bimateriálového modelu, který detailně zohledňuje strukturu kompozitu, tzn. pracuje s matricí a jednotlivými vlákny, je zapotřebí vytvořit model každého vlákna obsaženého v kompozitu, což přináší řadu nevýhod (pracná tvorba výpočtového modelu, řádově větší množství elementů potřebných k diskretizaci v MKP systémech a delší výpočetní časy). Na druhé straně v unimateriálovém modelu se nerozlišují jednotlivá vlákna, pracuje se pouze s kompozitem jako celkem tvořeným homogenním materiálem a výztužný účinek vláken je zahrnut v měrné deformační energii. Porovnání experimentů se simulacemi ukázalo, že bimateriálový model je v dobré shodě s experimenty, na rozdíl od unimateriálového modelu, který je schopen poskytnou odpovídající výsledky pouze v případě tahového namáhání. Z tohoto důvodu byl hledán způsob, který by umožnil rozšířit unimateriálový model o ohybovou tuhost výztužných vláken. V roce 2007 Spencer a Soldatos publikovali rozšířený unimateriálový model, který je schopen pracovat nejen s tahovou, ale i ohybovou tuhostí vlákna. Představený obecný model je však založen na Cosseratově teorii kontinua a jeho praktické využití je pro jeho složitost nemožné. Proto byl vytvořen zjednodušený model (částečně podle Spencera a Soldatose) s vlastní navrženou formou měrné deformační energie. Za účelem ověření nového unimateriálového modelu s ohybovou tuhostí vláken byly odvozeny všechny potřebné rovnice a byl napsán vlastní konečno-prvkový řešič. Tento řešič je založen na Cosseratově teorii kontinua a obsahuje zmíněný anizotropní hyperelastický unimateriálový model zahrnující ohybovou tuhost vláken. Vzhledem k tomu, že v případě Cosseratovy teorie jsou při výpočtu potřebné i druhé derivace posuvů, bylo nutné použít tzv. C1 prvky, které mají spojité jak pole posuvů, tak jejich prvních derivací. Nakonec byly provedeny nové simulace s využitím vlastního řešiče, které ukazují, že tuhost vláken lze u nového unimateriálového modelu řídit odpovídající materiálovou konstantou. V závěru práce je pak diskutováno, zda je nový unimateriálový model s ohybovou tuhostí schopen poskytnout stejné výsledky jako model bimateriálový, a to jak při tahovém tak i ohybovém namáhání kompozitního vzorku.

This doctoral thesis is focused on comparative stress strain analysis of a spinal segment with a malleable fixation device and a physiologic spinal segment. In its opening a research study from available sources is carried out. It covers the contemporary state of scientific studies in the given area, anatomy of individual components of the spine, material properties, ways and magnitudes of loadings and also the most common FE model used in similar problems solved. To create a model of geometry of a spinal segment CT scans of a spinal segment of a 38-year-old woman are used. Then they are subsequently used in the modeling software SolidWorks to create the model of geometry of two lumbar vertebras L4 - L5 and a malleable fixation device. Using the computational system ANSYS Workbench, the complete computational model of the spinal motional segment with a malleable fixation device is compiled, covering models of material, loading and bonds. On the basis of the computational solution of FEM models for different ways of loading, a stress-strain analysis is performed. To compare obtained results a detailed comparative analysis with the physiological spinal segment, the segment with the degenerated disc and the segment with applied "rigid" fixation device is carried out. Within the stress strain analysis of the spinal segment with malleable fixation device, an analysis of the magnitude of the strain intensity of spongious bone tissue around the implanted transpedicular screw, depending on the cord pretension of the malleable fixation device, is performed.