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Complete mechanical model of a very large submerged membrane bioreactor
Get PDFMembrane bioreactors (MBRs) are successfully being adopted in super-large-scale (>100,000 m3 .d-1 ) applications due to several advantages, mainly superior and consistent effluent quality. Moreover, the significant reduction in the membrane and operating costs has contributed to its wider acceptance. Despite their considerable evolution in the recent past and large-scale applications in municipal wastewater treatment, fouling and the cost associated with its mitigation are still hot topics and need the attention of researchers and academia to optimize and reduce the expense of MBR in the range of the conventional activated sludge process (CASP). Mathematical modeling is a great tool to explore the model-based optimization of operating costs associated with fouling mitigation strategies. For this, a comprehensive and integrated process model must be adapted, calibrated, and validated at a super-large-scale facility. MBR involves complex interactions between biology and filtration, and its modeling is challenging without considering these interactions. In the recent past, integrated models have been developed and applied to MBRs, ranging from bench to pilot scales and rarely for full-scale facilities of capacity up to 15,000 m3 .d-1 . In this work, a superlarge-scale MBR plant with a design capacity of 348,000 m3 .d-1 is dynamically modeled to simulate the depollution and filtration-fouling processes. The integrated model combines biochemical (ASM3-SMP-EPS-Bio-P, aeration, chemical precipitation), resistance in series (RIS) fouling, and energy sub-models. The comprehensive, integrated model is capable of simulating a) biological processes to describe the stoichio-kinetic activity of the biomass for carbon oxidation and nutrient removal (i.e., Nitrogen and Phosphorus) coupled with EPS-SMP production and degradation processes; b) the role of biological process aeration in carbon oxidation and nitrification under the influence of MLSS; c) the numerical balance of the volumes of the influent, effluent, sludge and all internal and external recirculation; d) coagulant addition inducing chemically enhanced phosphorus removal (CEPR) in addition to enhanced biological phosphorus removal (EBPR); e) fouling dynamics associated with synchronized filtration-relaxation, intermittent air-scouring and backwashing under the influence of transmembrane pressure (TMP), temperature, MLSS, and bound EPSs concentration, and f) specific energy consumption. The model was calibrated using one-week data collected during the first experimental campaign and was validated against 92 days of data from the plant with and without the addition of FeCl3. The calibrated integrated model provided an acceptable correspondence for pollutants (COD, NOx, NH4, PO4 3- , MLSS, EPSs, and SMPs) removal and prediction of the TMP, a direct indicator for fouling development. The model also successfully produced acceptable datasets not available from routine measurements, e.g., the evolution of the biomass and transformation of the pollutants in each reactor in series. Moreover, the model can provide detailed insights into reversible and irreversible fouling dynamics under the synchronized influence of multiple fouling abatement controls, including filtration-relaxation, intermittent air-scouring, and backwashing. In order to be used to develop model-based controls and intelligent decision-making tools to optimize the functioning of the full-scale MBRs, particularly the air-scouring and activation and de-activation of the chemical washes to save energy and chemicals, this model would have to be validated in fouling conditions. Since it was not possible to test the limits of the model, the sensitivity analysis approach was investigated
A port-Hamiltonian formulation for the full von-Kármán plate model
Get PDFIn this contribution, a port-Hamiltonian reformulation of the full von-Kármán dynamical model for geometrically non-linear plates is detailed, including the collocated boundary control and observation. Starting from the canonical equations, a set of variables is chosen so as to make the total energy quadratic. The model, reformulated in these variables, highlights a port-Hamiltonian structure ruled by a state-modulated interconnection operator
Semantic coupling of path planning and a primitive action of a task plan for the simulation of manipulation tasks in a virtual 3D environment
Get PDFThis work deals with the simulation of complex manipulation tasks in virtual environments. Validating such complex tasks, possibly to be performed under strong geometric constraints, requires considering task and path planning jointly. The contribution of this work focuses on using task-related information at the path planning level. We propose an ontology-based approach to a) model the 3D environment where the simulated task is executed, based on an original multi-level environment model involving higher abstraction level data than the purely geometric models traditionally used, and b) automatically define path planning queries for the primitive ctions of a task plan, together with task-related geometric constraints on these queries. This approach allows the improvement of the state of the art from two points of view. First, our joint task and path planning approach allows the improvement of path planning through better semantic control of the path planning process. Second, if compared to hard-coded geometric constraints, the proposed ontology-based approach introduces a more flexible ay of defining geometric constraints through an inference process, and can be adapted to different applications of manipulation tasks
SysML Models Verification Relying on Dependency Graphs
Get PDFFormal verification of SysML models contributes to detect design errors early in the life cycle of systems. Incremental modeling of systems leads to repeat verification of systems models parts that were already verified in previous versions of the SysML model. This paper proposes to optimize the verification process by generating first a dependency graph of the SysML model. The dependency generation algorithm is implemented by free SysML tool TTool. An Avionics Full DupleX network serves as case study
Large Eddy Simulation of the steam cracking process in refinery furnaces
Get PDFThere has been a tremendous increase in the production of ethylene over the last few decades, which has put tremendous focus on steam cracking processes and with an objective of improving its efficiency. This study, performed as a part of IMPROOF (Integrated guided Model PROcess Optimization of steam cracking Furnaces) project, is intended towards attaining that goal. Large Eddy Simulation (LES)- is at a stage of being mature enough to be used in design and optimization of processes in industrial equipments. However, the application of LES to study large flow equipments is still a technical challenge due to the high computational cost arising from numerical stiffness. In this study, a novel, chimera-based, local time stepping scheme is developed to speed up explicit time integration based LES solvers and applied (for the first time) to study the reactive flow inside a steam cracking furnace. This new numerical technique is studied for its numerical properties using Global Spectral Analysis (GSA) and the impact of local time stepping on the accuracy and resolution of the baseline numerical scheme is analyzed. The speed up obtained using this method is also ascertained with the help of canonical 2D and 3D nonreactive as well as reactive flow simulations. Numerical prediction of combustion inside a steam cracker comes with its own challenges. While detailed chemical mechanisms are ruled out from being used in simulations due to its high cost, simple global chemical mechanisms are not accurate enough to predict the flame structure and flame properties accurately. In this study, species transport equations are used with an analytically reduced chemical (ARC) mechanism. These chemical mechanisms are reduced from an up-to-date detailed mechanism using Directed Relational Graph with Error Propagation (DRGEP) technique and quasi-steady state (QSS) assumptions. The reduced mechanism is validated with respect to the detailed mechanism and experimental measurements is found to be in excellent agreement for all the flame properties of interest in this study. Radiative heat transfer is the predominant mode of heat transfer in steam cracking furnaces and hence cannot be avoided in realistic furnace simulations. In this study, the LES solver (along with the newly developed acceleration technique) is coupled with a radiative transfer equation (RTE) solver to carry out a coupled LES-RTE simulation. The approach is validated with experimental data from an axisymmetric jet diffusion flame and the experimental and numerical data is observed to be in good agreement with each other. Finally, all these methodologies are simultaneously applied to study the reactive flow occurring in the fire side of a steam cracking furnace. The LES acceleration technique speeds up the computations while ARC mechanism assists in predicting combustion reactions in an accurate manner. The radiative heat transfer effects are included by coupling the LES solver with the RTE solver as mentioned previously. Unsteady LES simulations of the combustion occurring inside the firebox is carried out. The computed and measured data for temperature and heat flux is found to be in close agreement with each other. LES of such a furnace demonstrates revealing information on the flame stabilization mechanism and the mean flame properties such as its shape and length and are discussed in this thesis. This study is intended to be a technology demonstrator by addressing three of the core challenges in the numerical modeling of steam cracking furnaces. By addressing these challenges, it is hoped that the petrochemical community is taking one step closer to using LES for their design and analysis processes in the near future
Improving recursive dynamic parameters estimation of manipulators by knowing robot's model integrated in the controller
Get PDFThis work deals with recursive dynamic parameter identification in robotics and presents a new method applied to industrial manipulators based on the recursive instrumental variable. We construct the instrumental matrix by filtering the reference trajectory and its derivatives with the position closed-loop transfer function previously identified with standard today’s toolboxes, such as CAPTAIN. This implies that we no longer need to simulate the direct dynamic model and, therefore, to know the controller, and that we can build the instrumental matrix beforehand. Besides the closed-loop transfer function acting as a unitary gain at low frequencies, we can use the references directly if only low frequencies are excited. This approach, called Inverse Dynamic Identification Model Recursive Instrumental Variable (IDIM-RIV), is evaluated offline on the 7 degrees of freedom KUKA LBR iiwa R820 manipulator. The experimental validation suggests that IDIM-RIV is computationally cheaper than its en-bloc version, can identify 64 dynamic parameters, and presents good robustness against noise and algorithm initialization
Interactions between respiratory coinfecting pathogens in cattle : impact on pathogens evolution and respiratory disease complex severity
Get PDFBovine respiratory disease (BRD) represents a major economic obstacle for cattle farming. BRD has multifactorial etiology, involving pathogens but also environmental and zootechnical factors. While some pathogens such as bovine respiratory syncytial virus and Mannheimia haemolytica induce severe respiratory pathology, others are more moderate such as bovine coronavirus or Pasteurella multocida. Influenza D virus (IDV) was discovered in the United States in 2011, then in France in 2014. Our work shows that its pathology is moderate under experimental conditions, while its prevalence of detection in the field is higher in sick animals. This thesis project proposes to develop ex vivo models to assess the role of viral and bacterial co-infections on the pathology induced by IDV. This project could open up innovative methods for the control of respiratory diseases
Mécanismes moléculaires sous-jacents à la transition vers la maturation des fruits chez la tomate
Get PDFLa maturation des fruits charnus est la dernière étape de leur développement, durant laquelle ils acquièrent leurs qualités organoleptiques et deviennent comestibles. Chez les fruits climactériques tels que la tomate, la maturation est caractérisée par une production autocatalytique d'éthylène et une augmentation de la respiration. Bien que l'éthylène ait été considéré comme l'hormone clé de la maturation des fruits climactériques, les mécanismes moléculaires expliquant la transition vers la maturation restent mal compris. De plus, alors que la plupart des études se sont concentrées sur le péricarpe les études portant sur le tissu loculaire restent rares. La première partie de cette thèse porte sur l’étude des changements transcriptionnel qui surviennent au cours du stade qui précède l’entrée en maturation appelé Mature Green (MG). Nous avons analysé l’évolution du profil transcriptomique global entre les stades MG précoce (Early MG ; EMG) et MG tardif (Late MG ; LMG), dans le gel et le péricarpe, séparément. L’étude montre que la transition du stade EMG au stade LMG s’accompagne d’une reprogrammation transcriptomique massive qui a lieu d'abord dans les tissus loculaires et qui s'étend ensuite au péricarpe. Ce changement est particulièrement remarquable pour 48 familles de facteurs de transcription sur 54 dans la tomate, soulignant l'ampleur des changements transcriptomiques précoces dans le gel. La combinaison des données transcriptomiques et métabolomiques suggèrent un changement de l’homéostasie hormonale entre les stades EMG et LMG, mettant en évidence le contrôle multi-hormonal de l'initiation de la maturation. De plus, l’étude met en évidence les rôles antagonistes de l'éthylène et de l'auxine lors de l’initiation de la maturation et montre que le traitement du fruit par l’auxine exogène induit la répression de la production d’éthylène en régulant négativement les gènes impliqués dans la biosynthèse autocatalytique d'éthylène. La deuxième partie de la thèse porte sur le rôle des facteurs de transcription appartenant à la famille des Ethylene Response Factors (ERF) dans l'initiation de la maturation. Les ERF sont les derniers acteurs de la voie de signalisation de l'éthylène et les membres de la sous-classe ERF.E présentent une expression associée à la maturation. Les ERF.E sont caractérisées par un domaine N-terminal conservé, qui est substrat de la dégradation par la voie de la "N-end rule" en conditions normales d'oxygène. Des mesures d’oxygène au cours de la maturation dans différents tissus du fruit ont montré que contrairement au péricarpe qui se maintient en état de normoxie (concentration normale d’oxygène), le gel loculaire subit une baisse de la concentration d’oxygène pour se retrouver en condition d’hypoxie suggérant que la physiologie du gel diffère significativement entre le stade EMG (normoxie), et le stade LMG (hypoxie). L'ensemble de ces données suggère qu'au cours du stade MG, les fruits subissent des changements physiologiques et transcriptomiques importants qui pourraient être à l’origine de l’acquisition de la compétence à mûrir. Afin de déterminer le rôle des SlERF.E au cours de cette étape, leur régulation post-traductionnelle a été étudiée en réponse à l’hypoxie. Les études d’expression transitoire ont démontré qu’en condition d’hypoxie les ERF.E s’accumulent préférentiellement dans le noyau. De plus, la dégradation des protéines SlERF.E est favorisée en condition normoxique, tandis que l'hypoxie conduit à leur stabilisation, confirmant le rôle de l’oxygène dans la régulation des protéines SlERF.E. Enfin, pour mieux comprendre le rôle des ERF.E dans la maturation, des tomates transgéniques surexprimant SlERF.E2 ou SlERF.E4 ainsi que des lignées knock-out pour ces gènes ont été générées. Les lignées de surexpression montrent une maturation retardée, une production réduite d'éthylène et un retard de la déplétion en oxygène, suggérant que ces ERF codent pour des régulateurs négatifs de la maturation
Evaluation des services et dis-services écosystémiques rendus par les cultures intermédiaires multi-services et par la biofumigation pour améliorer la productivité du tournesol
Get PDFLe tournesol présente des atouts agro-écologiques (économe en intrants, tolérant à la sécheresse) et occupe une place importante parmi les cultures oléagineuses. La culture est semée après une interculture pendant laquelle le sol reste sans couverture, ce qui peut l’exposer à une lixiviation de nutriments. Aussi, deux bioagresseurs telluriques de la culture (Verticillium dahliae et Orobanche cumana) sont en expansion. L’interculture pourrait être valorisée par l’implantation de cultures intermédiaires multi-services (CIMS), telles que des Brassicacées pour leurs effets pièges à nitrates et leurs propriétés allélopathiques, qui permettent une production de molécules au potentiel biocide, notamment lors de son broyage et de son enfouissement (biofumigation). De plus, des Fabacées peuvent enrichir le sol en nitrates. Leur association pourrait induire une mutualisation de ces effets.
L’objectif de la thèse était d’évaluer des services écosystémiques fournis par l’introduction de Brassicacées ou une Fabacée, seules ou associées, et de la biofumigation sur le tournesol. De potentiels dis-services sur des communautés microbiennes d’intérêt agronomique ont aussi été étudiés.
Les CIMS choisies étaient la moutarde brune, le radis fourrager, la navette fourragère et la vesce du Bengale. Les expérimentations menées au laboratoire qui visaient à exposer V. dahliae et O. cumana à des broyats ont mis en évidence des régulations du développement du V. dahliae sur milieu de culture grâce aux Brassicacées et de la germination d’O. cumana (effet prédominant de la moutarde brune) et des effets plus variables des broyats sur le nombre de fixations ou d’émergences d’Orobanche.
Au champ, la régulation de la Verticilliose est plus variable. Le radis fourrager semble être la CIMS la plus prometteuse pour lutter contre cette maladie, avec une réduction des dégâts ayant atteint 40% en 2016. Cependant, cette régulation pourrait dépendre de différents facteurs (météorologiques et techniques). Les effets des CIMS sur les quantités d’azote dans le sol et des rendements, en comparaison au sol nu, sont également variables en fonction des années et des CIMS. Une augmentation de l’azote (+50 kg.N.ha-1) a été observée en 2019, suite à de la vesce du Bengale. Une augmentation du rendement du tournesol a été observée (+0.7 t.ha-1) suite à la vesce du Bengale en 2020, mais des réductions (-0.5 à -0.6 t.ha-1) sont également à noter suite à un mélange. Aucun dis-service à l’égard de communautés microbiennes n’a été identifié durant ce travail de thèse.
Les CIMS et la biofumigation, en particulier le radis fourrager ou la vesce du Bengale, auraient le potentiel de fournir des services écosystémiques, mais leur expression dépend des conditions météorologiques et de l’itinéraire cultural mis en place. Des travaux sont nécessaires afin de confirmer les effets observés, et pourraient s’appuyer sur une plus large diversité d’espèces et de variétés de radis, de vesces ainsi que de tournesols à évaluer. Des validations au sein de réseaux d’expérimentation chez des agriculteurs pourraient aussi être envisagées
Ecoulement des polymères à travers des milieux poreux : impact des effets viscoélastiques à l'échelle des pores sur les propriétés effectives à l'échelle de Darcy
Get PDFL'écoulement de solutions de polymères à travers des milieux poreux est un problème riche en mécanique des fluides qui combine la complexité des écoulements à travers des structures poreuses à celle de la rhéologie non linéaire du fluide. De tels écoulements peuvent présenter des comportements particuliers sur une large gamme d'échelles. Malgré des efforts continus, une compréhension claire des mécanismes à petite échelle impliqués et de leur lien avec les phénomènes à plus grande échelle fait toujours défaut. Dans ce travail, notre objectif est d'étudier certains des phénomènes physiques à l'échelle des pores et de les relier aux propriétés à l'échelle de Darcy. Pour ce faire, nous avons simulé l'écoulement de fluides viscoélastiques à travers des milieux poreux modèles, tels que des réseaux de cylindres en 2D ou des empilements de sphères en 3D, en résolvant, par des méthodes haute performance les modèles Oldroyd-B, FENE-P et FENE-CR. Dans la première partie, nous présentons donc un nouveau schéma de projection à grille décalée pour les écoulements viscoélastiques, ainsi que sa validation dans les cas de la cavité entraînée et de l'écoulement autour d'un cylindre confiné. Nous montrons ainsi que ce schéma possède une semi-différenciation spatiale cohérente avec une estimation de l'énergie libre, maintient la positivité du tenseur de conformation, est bien adapté au calcul haute performance (HPC), montre une bonne précision et peut être facilement utilisé pour une variété de lois constitutives viscoélastiques. Dans la deuxième partie, nous utilisons cette approche numérique pour montrer que les zones localisées de grande contrainte polymérique, appelées brins biréfringents, pilotent l'écoulement d'un fluide Oldroyd-B à travers des réseaux de cylindres en 2D. Nous constatons que ces brins génèrent en effet une réorganisation complète de l'écoulement avec une augmentation des zones de stagnation, un renforcement des chemins préférentiels et une division des canaux d'écoulement. De plus, nous montrons que cette réorganisation génère une augmentation de la dissipation visqueuse du solvant et que l'étirement des molécules de polymère dans les brins est associé à une production d'entropie. Ces deux phénomènes conduisent ainsi à une augmentation globale de la dissipation qui peut être directement liée à l'augmentation de la résistance à l'écoulement. Dans la troisième partie, nous étudions l'écoulement à travers un réseau hexagonal 2D de cylindres pour large une gamme de nombres de Weissenberg et différentes orientations du terme de forçage qui génère l'écoulement. Nous montrons que les brins biréfringents contrôlent la direction de l'écoulement moyen. Ces brins ont également tendance à adhérer aux cylindres voisins, ce qui conduit à des directions d'écoulement privilégiées et à une succession de bifurcations lorsque l'on fait varier l'angle du terme de forçage. L'effet le plus marquant est la présence d'une tristabilité associée à une hystérésis sur l'angle. Nous démontrons en outre que l'apparition d'un écoulement instationnaire est associée au mouvement des différents brins du réseau qui ouvrent et referment successivement les canaux d'écoulement. Ceci fournit une nouvelle perspective sur les écoulements viscoélastiques instationnaires à travers les milieux poreux et peut aider à comprendre la transition vers le chaos. Dans la quatrième partie, nous dérivons une forme moyennée du modèle Oldroyd-B à l'échelle de Darcy. Pour ce faire, nous utilisons une forme de linéarisation du problème, en considérant une limite très diluée, et nous décomposons le problème initial en une séquence de problèmes à différents ordres. Cette limite est très différente de la limite du faible nombre de Weissenberg car elle peut capturer la formation de brins biréfringents. Nous procédons à la moyenne spatiale de chaque problème et dérivons le modèle moyen correspondant pour obtenir une forme modifiée de la loi de Darcy