Mit Hilfe eines variabel einsetzbaren Reaktornetzwerkmodells (RNM) wird in der vorliegenden Dissertation der Prozess der Vergasung von Brennstoffmischungen in der Fließbildsimulation beschrieben. Neben der Untersuchung von gestuften Prozessketten zur Veredelung von kohlenstoffhaltigen Energieträgern ist damit auch die differenzierte Analyse von Effekten während der Vergasung von binären und ternären Brennstoffmischungen möglich. Die Erstellung sowie Validierung des RNM wird anhand des PEFR-Vergasers, des SFGT-Vergasers und des Hybridwandvergaser vorgenommen. Die anschließende Analyse der Vergasung von Brennstoffmischungen zeigt, dass in ihren Eigenschaften sehr heterogene Brenn¬stoffmischungen Synergieeffekte bei der Vergasung hervorrufen. Diese sind in der Literatur schon oft beschrieben worden, eine systematische Analyse wird jedoch erst in der vorliegenden Dissertation durchgeführt. / Within this document the modeling and simulation of fuel blend gasification is investigated based on a variably applicable Reduced Order Model (ROM) developed for the flowsheet simulation of entrained-flow gasification reactors and processes. On one hand this enables the investigation of cascaded solid fuel conversion technologies and on the other hand effects during gasification of binary and ternary fuel blends are describable. The development as well as the validation of the ROM has been carried out for the SFGT gasifier, the PEFR gasifier and the hybrid-wall gasifier. The subsequent analysis of binary and ternary fuel blend gasification shows that fuel blends with very heterogeneous component properties induce synergy effects which have been reported in various peer review publications.

Afin d’élaborer des stratégies de contrôle des écoulements en temps réel, il est nécessaire d’avoir recours à des modèles d’ordre réduit (ROMs), car la résolution des équations complètes est trop coûteuse en temps de calcul (des jours, des semaines) et en espace mémoire. Dans cette thèse, les modèles réduits ont été construits avec la méthode POD (Proper Orthogonal Decomposition). Une méthode de projection basée sur la minimisation des résidus, initiée par les travaux de Leblond et al. [134] a été proposée. Dans certaines configurations, la précision des résultats est significativement augmentée, par rapport à une projection de Galerkin classique. Dans un second temps, un algorithme d’optimisation non-linéaire, à direction de descente basée sur la méthode des équations adjointes, a été couplé avec des modèles réduits utilisant des bases POD. Deux méthodes de construction de base POD ont été employées : soit avec un paramètre (un nombre de Reynolds,. . . ), soit avec plusieurs paramètres (plusieurs nombres de Reynolds, . . . ). Les ROMs obtenus ont été utilisés pour contrôler la dispersion d’un polluant dans une cavité ventilée puis pour contrôler le champ de température dans une cavité entraînée différentiellement chauffée. Le contrôle est réalisé en temps quasi-réel et les résultats obtenus sont plutôt satisfaisants. Néanmoins, ces méthodes sont encore trop coûteuses en espace mémoire pour être aujourd’hui embarquées dans les boîtiers de contrôle utilisés dans le bâtiment. Une autre stratégie de contrôle, s’appuyant sur les contrôleurs actuels, a ainsi été développée. Celle-ci permet d’obtenir la température (ainsi que la vitesse) dans la zone d’occupation du bâtiment, en utilisant une décomposition des champs par POD et un algorithme d’optimisation de Levenberg-Marquardt. Elle a été validée sur une cavité différentiellement chauffée, puis appliquée sur une cavité ventilée 3D, proche d’un cas réel. / In order to control flows in real-time, it is necessary to resort to reduced-order models (ROMs) because the classical method of simulations is too expensive in CPU time (several days, weeks) and memory storage. In this thesis, the ROMs have been built with the POD (Proper Orthogonal Decomposition) technique. First, a projection method based on the minimization of the equations residuals and established starting from the works of Leblond et al. [134] have been developed. In some cases, the results accuracy is significantly increased. Secondly, a direct descent optimization algorithm based on adjoint-equations has been coupled with POD/ROMs. Two construction methods of POD bases has been employed: either with simulations for only one parameter (one Reynolds number, . . . ), or with simulations for several parameters (several Reynolds numbers,. . . ). The obtained ROMs have been applied in order to control the pollutant dispersion and then to control the temperature field in a lid-driven cavity heated by the left. The control is realized in quasi-real time and the results are rather satisfying. Nevertheless, these methods are still too expensive in memory storage to be embedded in the current controllers. Thus, another control strategy has been proposed, using POD and an optimization algorithm (Levenberg-Marquardt). This one enables to obtain the temperature (and the velocity) in the occupation zone of the building and has been validated on the lid-driven cavity heated by the left and applied on a 3D-ventilated cavity, similar to a real case.

Mit Hilfe eines variabel einsetzbaren Reaktornetzwerkmodells (RNM) wird in der vorliegenden Dissertation der Prozess der Vergasung von Brennstoffmischungen in der Fließbildsimulation beschrieben. Neben der Untersuchung von gestuften Prozessketten zur Veredelung von kohlenstoffhaltigen Energieträgern ist damit auch die differenzierte Analyse von Effekten während der Vergasung von binären und ternären Brennstoffmischungen möglich. Die Erstellung sowie Validierung des RNM wird anhand des PEFR-Vergasers, des SFGT-Vergasers und des Hybridwandvergaser vorgenommen. Die anschließende Analyse der Vergasung von Brennstoffmischungen zeigt, dass in ihren Eigenschaften sehr heterogene Brenn¬stoffmischungen Synergieeffekte bei der Vergasung hervorrufen. Diese sind in der Literatur schon oft beschrieben worden, eine systematische Analyse wird jedoch erst in der vorliegenden Dissertation durchgeführt.:Nomenklatur XIV 1 Einleitung 1 2 Grundlagen 3 2.1 VERGASUNG 3 2.1.1 Vergasungsreaktionen 3 2.1.2 Vergasungskennzahlen 4 2.1.3 Modellierung der Vergasung 6 2.2 CO-VERGASUNG 8 2.2.1 Brennstoffe 8 2.2.2 Großtechnische Anwendung 8 2.2.3 Experimentelle Arbeiten 10 2.2.4 Modellierung und Simulation 13 2.2.5 Synergieeffekte 13 2.3 STOFFGEFÜHRTE PROZESSKETTE 15 2.4 BRENNSTOFFAUSWAHL UND BRENNSTOFFEIGENSCHAFTEN 16 2.5 ABLEITUNG DER AUFGABENSTELLUNG UND METHODIK 19 3 Entwicklung des Reaktornetzwerkmodells 22 3.1 MODELLIERUNGSUMGEBUNG 23 3.2 THERMODYNAMISCHE ZUSTANDSGLEICHUNG 23 3.3 STOFFDATENBANK 24 3.4 STRÖMUNGSBEDINGUNGEN IM FLUGSTROMREAKTOR 25 3.4.1 Zonenmodell 25 3.4.2 Verweilzeitverhalten 29 3.5 PARTIKELMODELL 31 3.6 MODELLIERUNG DER REAKTORZONEN 35 3.6.1 Nahbrennerzone (Zone I) 35 3.6.2 Jetzone (Zone II) 36 3.6.3 Rezirkulationszone (Zone III) 41 3.6.4 Auslaufzone (Zone IV) 41 3.6.5 Wasserquench (Zone V) 41 3.7 REGELMECHANISMEN 42 3.7.1 Regelung der Aschefließtemperatur 42 3.7.2 Regelung des Kohlenstoffumsatzgrades 46 3.7.3 Regelung der maximalen Reaktoraustrittstemperatur 47 3.7.4 Kombinierte Regelung 47 3.8 LÖSUNGSALGORITHMEN UND KONVERGENZVERHALTEN 48 4 Validierung des Reaktornetzwerkmodells 51 4.1 REAKTORNETZWERKMODELL PEFR-VERGASER 51 4.1.1 Aufbau des PEFR-RNM 51 4.1.2 Validierung des PEFR-RNM 54 4.2 REAKTORNETZWERKMODELL SFGT-VERGASER 61 4.2.1 Aufbau des SFGT-RNM 61 4.2.2 Validierung des SFGT-RNM 62 4.3 REAKTORNETZWERKMODELL HYBRIDWANDVERGASER 74 4.3.1 Beschreibung der Technologie Hybridwandvergaser 74 4.3.2 Aufbau des Hybridwandvergaser-RNM 75 4.3.3 Validierung des Hybridwandvergaser-RNM 78 5 RNM-Analyse der Vergasung von Brennstoffmischungen 85 5.1 VORÜBERLEGUNGEN 85 5.1.1 Festlegung der Randbedingungen 85 5.1.2 Thermische Vergaserleistung 86 5.1.3 Simulationsdauer und Automatisierung 87 5.2 AUSWERTUNG DER RNM-ANALYSE VON BRENNSTOFFMISCHUNGEN 89 5.2.1 RNM-Analyse BSM-BRP (binär) im SFGT-Vergaser 89 5.2.2 RNM-Analyse BSM-BRP (ternär) im SFGT-Vergaser 95 5.2.3 RNM-Analyse BSM-ibi (binär) im SFGT-Vergaser 100 5.2.4 RNM-Analyse BSM-ibi (ternär) im SFGT-Vergaser 102 5.3 DISKUSSION DER ERGEBNISSE AUS RNM-ANALYSE 106 5.4 BSM-DIAGRAMME FÜR VERGASERBETRIEB 109 5.4.1 BSM-Diagramme für SFGT-Vergaser 109 5.4.2 BSM-Diagramme für Hybridwandvergaser 112 6 Zusammenfassung und Ausblick 117 Literatur 121 Abbildungsverzeichnis 133 Tabellenverzeichnis 141 Anhang 145 / Within this document the modeling and simulation of fuel blend gasification is investigated based on a variably applicable Reduced Order Model (ROM) developed for the flowsheet simulation of entrained-flow gasification reactors and processes. On one hand this enables the investigation of cascaded solid fuel conversion technologies and on the other hand effects during gasification of binary and ternary fuel blends are describable. The development as well as the validation of the ROM has been carried out for the SFGT gasifier, the PEFR gasifier and the hybrid-wall gasifier. The subsequent analysis of binary and ternary fuel blend gasification shows that fuel blends with very heterogeneous component properties induce synergy effects which have been reported in various peer review publications.:Nomenklatur XIV 1 Einleitung 1 2 Grundlagen 3 2.1 VERGASUNG 3 2.1.1 Vergasungsreaktionen 3 2.1.2 Vergasungskennzahlen 4 2.1.3 Modellierung der Vergasung 6 2.2 CO-VERGASUNG 8 2.2.1 Brennstoffe 8 2.2.2 Großtechnische Anwendung 8 2.2.3 Experimentelle Arbeiten 10 2.2.4 Modellierung und Simulation 13 2.2.5 Synergieeffekte 13 2.3 STOFFGEFÜHRTE PROZESSKETTE 15 2.4 BRENNSTOFFAUSWAHL UND BRENNSTOFFEIGENSCHAFTEN 16 2.5 ABLEITUNG DER AUFGABENSTELLUNG UND METHODIK 19 3 Entwicklung des Reaktornetzwerkmodells 22 3.1 MODELLIERUNGSUMGEBUNG 23 3.2 THERMODYNAMISCHE ZUSTANDSGLEICHUNG 23 3.3 STOFFDATENBANK 24 3.4 STRÖMUNGSBEDINGUNGEN IM FLUGSTROMREAKTOR 25 3.4.1 Zonenmodell 25 3.4.2 Verweilzeitverhalten 29 3.5 PARTIKELMODELL 31 3.6 MODELLIERUNG DER REAKTORZONEN 35 3.6.1 Nahbrennerzone (Zone I) 35 3.6.2 Jetzone (Zone II) 36 3.6.3 Rezirkulationszone (Zone III) 41 3.6.4 Auslaufzone (Zone IV) 41 3.6.5 Wasserquench (Zone V) 41 3.7 REGELMECHANISMEN 42 3.7.1 Regelung der Aschefließtemperatur 42 3.7.2 Regelung des Kohlenstoffumsatzgrades 46 3.7.3 Regelung der maximalen Reaktoraustrittstemperatur 47 3.7.4 Kombinierte Regelung 47 3.8 LÖSUNGSALGORITHMEN UND KONVERGENZVERHALTEN 48 4 Validierung des Reaktornetzwerkmodells 51 4.1 REAKTORNETZWERKMODELL PEFR-VERGASER 51 4.1.1 Aufbau des PEFR-RNM 51 4.1.2 Validierung des PEFR-RNM 54 4.2 REAKTORNETZWERKMODELL SFGT-VERGASER 61 4.2.1 Aufbau des SFGT-RNM 61 4.2.2 Validierung des SFGT-RNM 62 4.3 REAKTORNETZWERKMODELL HYBRIDWANDVERGASER 74 4.3.1 Beschreibung der Technologie Hybridwandvergaser 74 4.3.2 Aufbau des Hybridwandvergaser-RNM 75 4.3.3 Validierung des Hybridwandvergaser-RNM 78 5 RNM-Analyse der Vergasung von Brennstoffmischungen 85 5.1 VORÜBERLEGUNGEN 85 5.1.1 Festlegung der Randbedingungen 85 5.1.2 Thermische Vergaserleistung 86 5.1.3 Simulationsdauer und Automatisierung 87 5.2 AUSWERTUNG DER RNM-ANALYSE VON BRENNSTOFFMISCHUNGEN 89 5.2.1 RNM-Analyse BSM-BRP (binär) im SFGT-Vergaser 89 5.2.2 RNM-Analyse BSM-BRP (ternär) im SFGT-Vergaser 95 5.2.3 RNM-Analyse BSM-ibi (binär) im SFGT-Vergaser 100 5.2.4 RNM-Analyse BSM-ibi (ternär) im SFGT-Vergaser 102 5.3 DISKUSSION DER ERGEBNISSE AUS RNM-ANALYSE 106 5.4 BSM-DIAGRAMME FÜR VERGASERBETRIEB 109 5.4.1 BSM-Diagramme für SFGT-Vergaser 109 5.4.2 BSM-Diagramme für Hybridwandvergaser 112 6 Zusammenfassung und Ausblick 117 Literatur 121 Abbildungsverzeichnis 133 Tabellenverzeichnis 141 Anhang 145

<p dir="ltr">The dissolution profile is one of the most important critical quality attributes (CQAs) for pharmaceutical solid oral dosage forms, as failure to meet the dissolution specification can impact bioavailability. Dissolution tests are essential to assess lot-to-lot product quality and guide the development of new formulations. Therefore, predictive dissolution reduced-order models (ROM) are crucial for the successful implementation of any real-time release testing (RTRT) strategy. Mechanistic and semi-mechanistic ROMs of tablet dissolution for realizing quality by control (QbC) and RTRT frameworks in continuous manufacturing are still scarce or nonexistent. Moreover, realizing the underlying coupled mechanics of wetting, swelling, disintegration, and dissolution is still an open question. This dissertation contributes to developing a mechanistic ROM of pharmaceutical tablet dissolution for the design, optimization, and control of manufacturing processes. We follow several steps towards the progression of the mechanistic model development. First, we develop a semi-mechanistic ROM to capture the relationship between critical process parameters (CPPs), critical material attributes (CMAs), and dissolution profiles. We demonstrate the versatility and the capability of the semi-mechanistic ROM to estimate changes in dissolution due to process disturbances in tablet porosity, lubrication conditions, and moisture content in the powder blend. Next, to understand the underlying coupled mechanism of wetting, swelling, disintegration, and dissolution, we use dynamic micro-computed tomography (micro-CT) with a high temporal resolution to visualize water penetration through the porous network of immediate-release tablets. We couple liquid penetration due to capillary pressure described by the Lucas-Washburn theory with the first-order swelling kinetics of the excipients to provide a physical interpretation of the experimental observations. From the mechanistic understanding of the water penetration kinetics using the micro-CT tests, we propose a two-stage mechanistic ROM, which is comprised of (i) a mechanistic dissolution model of the active pharmaceutical ingredient (API) that solves a population balance model (PBM) for a given API crystal size distribution and dissolution rate coefficient, and (ii) a tablet wetting function that estimates the rate at which the API is exposed to the buffer solution. These two sub-models are coupled by means of convolution in time to capture the start time of the API dissolution process as water uptake, swelling, and disintegration take place. Finally, we demonstrate the versatility and the capability of the mechanistic API dissolution model and the two-stage tablet dissolution ROM to represent the dissolution profile of different pharmaceutical formulations and its connection with CMAs, CPPs, and other CQAs, namely initial API crystal size distribution, porosity, composition, and dimensions of the tablet. In all of the cases considered in this work, the estimations of the model are in good agreement with experimental data. </p>

Cette thèse de doctorat porte sur le calcul par la méthode des éléments finis du comportement dynamique de réservoirs élastiques précontraints contenant un liquide interne à surface libre. Nous considérons que la pression hydrostatique exercée par le fluide interne incompressible sur les parois flexibles du réservoir est à l’origine de grands déplacements, conduisant ainsi à un état d’équilibre non-linéaire géométrique. Le changement de raideur lié à cet état précontraint induit un décalage des fréquences de résonances du problème de vibrations linéaires couplées.L’objectif principal du travail est donc d’estimer, par des approches numériques précises et efficaces, l’influence des non-linéarités géométriques sur le comportement hydroélastique du système réservoir/liquide interne autour de différentes configurations d’équilibre. La méthodologie développée s’effectue en deux étapes. La première consiste à calculer l’état statique non-linéaire par une approche éléments finis lagrangienne totale. L’action du fluide sur la structure est ici modélisée par des forces suiveuses hydrostatiques. La deuxième étape porte sur le calcul des vibrations couplées linéarisées. Un modèle d’ordre réduit original est notamment proposé pour limiter les coûts de calcul associés à l’estimation de l’effet de masse ajoutée. Enfin, divers exemples sont proposés et comparés à des résultats de la littérature (issus de simulations numériques ou d’essais expérimentaux) pour montrer l’efficacité et la validité des différentes approches numériques développées dans ce travail. / This doctoral thesis focuses on the calculation by the finite element method of the dynamic behavior of prestressed elastic tanks containing an internal liquid with a free surface. We consider that the hydrostatic pressure exerted by the incompressible internal fluid on the flexible walls of the tank causes large displacements, thus leading to a geometric non-linear equilibrium state. The change of stiffness related to this prestressed state induces a shift in the resonance frequencies of the coupled linear vibration problem. The main objective of the work is therefore to estimate, through precise and efficient numerical approaches, the influence of geometric nonlinearities on the hydroelastic behavior of the reservoir/internal liquid system around different equilibrium configurations. The methodology developed is carried out in two stages. The first one consists in calculating the non-linear static state by a total Lagrangian finite element approach.The action of the fluid on the structure is modelled here by hydrostatic following forces. The second step is the calculation of linearized coupled vibrations. In particular, an original reduced order model is proposed to limit the calculation costs associated with the estimation of the added mass effect. Finally, various examples are proposed and compared with results from the literature (from numerical simulations or experimental tests) to show the effectiveness and validity of the different numerical approaches developed in this work.

Cette thèse concerne le développement, l'extension et l'application d'une formulation stochastique des équations de la mécanique des fluides introduite par Mémin (2014). La vitesse petite échelle, non-résolue, est modélisée au moyen d'un champ aléatoire décorrélé en temps. Cela modifie l'expression de la dérivée particulaire et donc les équations de la mécanique des fluides. Les modèles qui en découlent sont dénommés modèles sous incertitude de position. La thèse s'articulent autour de l'étude successive de modèles réduits, de versions stochastiques du transport et de l'advection à temps long d'un champ de traceur par une vitesse mal résolue. La POD est une méthode de réduction de dimension, pour EDP, rendue possible par l'utilisation d'observations. L'EDP régissant l'évolution de la vitesse du fluide est remplacée par un nombre fini d'EDOs couplées. Grâce à la modélisation sous incertitude de position et à de nouveaux estimateurs statistiques, nous avons dérivé et simulé des versions réduites, déterministe et aléatoire, de l'équation de Navier-Stokes. Après avoir obtenu des versions aléatoires de plusieurs modèles océaniques, nous avons montré numériquement que ces modèles permettaient de mieux prendre en compte les petites échelles des écoulements, tout en donnant accès à des estimés de bonne qualité des erreurs du modèle. Ils permettent par ailleurs de mieux rendre compte des évènements extrêmes, des bifurcations ainsi que des phénomènes physiques réalistes absents de certains modèles déterministes équivalents. Nous avons expliqué, démontré et quantifié mathématiquement l'apparition de petites échelles de traceur, lors de l'advection par une vitesse mal résolu. Cette quantification permet de fixer proprement des paramètres de la méthode d'advection Lagrangienne, de mieux le comprendre le phénomène de mélange et d'aider au paramétrage des simulations grande échelle en mécanique des fluides. / This thesis develops, analyzes and demonstrates several valuable applications of randomized fluid dynamics models referred to as under location uncertainty. The velocity is decomposed between large-scale components and random time-uncorrelated small-scale components. This assumption leads to a modification of the material derivative and hence of every fluid dynamics models. Through the thesis, the mixing induced by deterministic low-resolution flows is also investigated. We first applied that decomposition to reduced order models (ROM). The fluid velocity is expressed on a finite-dimensional basis and its evolution law is projected onto each of these modes. We derive two types of ROMs of Navier-Stokes equations. A deterministic LES-like model is able to stabilize ROMs and to better analyze the influence of the residual velocity on the resolved component. The random one additionally maintains the variability of stable modes and quantifies the model errors. We derive random versions of several geophysical models. We numerically study the transport under location uncertainty through a simplified one. A single realization of our model better retrieves the small-scale tracer structures than a deterministic simulation. Furthermore, a small ensemble of simulations accurately predicts and describes the extreme events, the bifurcations as well as the amplitude and the position of the ensemble errors. Another of our derived simplified model quantifies the frontolysis and the frontogenesis in the upper ocean. This thesis also studied the mixing of tracers generated by smooth fluid flows, after a finite time. We propose a simple model to describe the stretching as well as the spatial and spectral structures of advected tracers. With a toy flow but also with satellite images, we apply our model to locally and globally describe the mixing, specify the advection time and the filter width of the Lagrangian advection method, as well as the turbulent diffusivity in numerical simulations.

<h4>A generalized physics-based modeling framework is presented to analyze: (a) the effects of temperature on identified degradation mechanisms, (b) interfacial debonding processes, including deterministic and stochastic mechanisms, and (c) establishing model performance benchmarks of electrochemical porous electrode theory models, as a necessary stepping stone to perform valid battery degradation analyses and designs. Specifically, the effects of temperature were incorporated into a physics-based, reduced-order model and extended for a LiCoO₂ -graphite 18650 cell. Three dimensionless driving forces were identified, controlling the temperature-dependent reversible charge capacity. The identified temperature-dependent irreversible mechanisms include homogeneous SEI, at moderate to high temperatures, and the chemomechanical degradation of the cathode at low temperatures. Also, debonding of a statistically representative electrochemically active particle from the surrounding binder-electrolyte matrix in a porous electrode was modeled analytically, for the first time. The proposed framework enables to determine the space of C-Rates and electrode particle radii that suppresses or enhances debonding and is graphically summarized into performance–microstructure maps where four debonding mechanisms were identified, and condensed into power-law relations with respect to the particle radius. Finally, in order to incorporate existing or emerging degradation models into porous electrode theory (PET) implementations, a set of benchmarks were proposed to establish a common basis to assess their physical reaches, limitations, and accuracy. Three open source models: dualfoil, MPET, and LIONSIMBA were compared, exhibiting significant qualitative differences, despite showing the same macroscopic voltage response, leading the user to different conclusions regarding the battery performance and possible degradation mechanisms of the analyzed system.</h4>