Search the digital library catalog

Abstract: Tehnologije z uporabo anaerobne razgradnje imajo pomembno vlogo pri zmanjševanju odpadkov in izpustov toplogrednih plinov v ozračje ter pri proizvodnji energije iz obnovljivih virov. Gre za kompleksno in večplastno temo, ki jo obravnava doktorska disertacija. V tej disertaciji je predstavljen razvoj novega fizikalno matematičnega BioModela za simulacijo in optimizacijo procesa anaerobne razgradnje organskih odpadkov. Prav tako je pozornost namenjena določanju neznanih ali težko določljivih parametrov BioModela. Posebej so izpostavljene vpeljane novosti na področju modeliranja in optimizacije tako parametrov BioModela kot tudi procesa anaerobne razgradnje, ki predstavljajo izviren prispevek doktorske disertacije k znanosti. Novosti se nanašajo na (i) upoštevanje dnevno spremenljive sestave vhodnega kompleksnega substrata in dnevno spremenljivih procesnih pogojev v bioreaktorju, (ii) modeliranje razgradnje ogljikovih hidratov, lipidov in proteinov ob delovanju 3 vrst hidrolitičnih encimov in 13 različnih vrst acetogenih, acidogenih in metanogenih bakterij, pri čemer imajo pomembno vlogo različni inhibitorji, ki zavirajo rast in delovanje posameznih vrst bakterij, (iii) modeliranje procesov disociacije-asociacije, precipitacije in prenosa mase iz tekoče v plinasto fazo, (iv) upoštevanje sestave bioplina iz CO2, CH4, H2, H2S, NH3 in vodne pare, (v) določanje trenutnega pH brez dolgotrajnih iteracij, (vi) vpeljavo temperaturno in pH odvisnih parametrov, (vii) modeliranje aktivnosti bioloških in anorganskih aditivov, (viii) razvoj novega optimizacijskega postopka z naborom aktivnih spremenljivk za kalibracijo prametrov BioModela in (ix) vpeljavo aproksimacijskega gradientnega algoritma v postopek optimizacije. Celotna programska koda za modeliranje in optimiranje procesa anaerobne razgradnje je razvita v objektnem programskem jeziku C#. Za nadaljnjo uporabo CO2 iz bioplina in še iz nekaterih drugih točkovnih virov je s pristopom mešanega celoštevilskega nelinearnega programiranja razvit konceptualni model za optimizacijo celotnega oskrbovalnega omrežja CO2, od zajemanja, skladiščenja do uporabe CO2 za proizvodnjo metanola. Za nadaljnjo uporabo CH4 iz bioplina kot goriva v dvogorivnih dizelskih motorjih je narejena kritična analiza vpliva uporabe nanodelcev kot aditivov h gorivu. Prav tako je predstavljena analiza uporabe nanodelcev kot adsorbentov za odstranjevanje kovin iz odpadnih voda z namenom odstranjevanja težkih kovin in nutrientov iz tekočega digestata. Rezultati numeričnih simulacij procesa anaerobne razgradnje potrjujejo zanesljivost novo razvitega BioModela in učinkovitost tako novo razvitega postopka za kalibracijo parametrov kot tudi optimizacijskega gradientnega algoritma z aproksimacijsko metodo. Na osnovi opravljenih raziskav na področju nadaljnje obdelave produktov procesa anaerobne razgradnje pa lahko zaključimo, da z ustrezno kombinacijo tehnologije anaerobne razgradnje, tehnologije zajemanja, skladiščenja in uporabe CO2 ter nanotehnologije lahko prispevamo k zmanjšanju onesnaževanja okolja.
Keywords: anaerobna razgradnja, fizikalno-matematični model, gradientni optimizacijski algoritem, kalibracija modelnih parametrov, oskrbovalno omrežje CO2, nanotehnologija
Published in DKUM: 05.10.2022; Views: 1295; Downloads: 978
Full text (39,79 MB)

Abstract: Pneumocystis jirovecii ali krajše pnevmocista je mikroorganizem, uvrščen v kraljestvo gliv, ki pri imunokompromitiranih bolnikih ob oportunistični okužbi povzroči pnevmocistično pljučnico (PJP). Imunski odziv gostitelja ima ključno vlogo pri razvoju poteka bolezni. V magistrskem delu preučujemo imunski odziv na okužbo z organizmom Pneumocystis jirovecii in razvijemo fizikalno-matematični model, s katerim opišemo imunski odziv na okužbo pri imunokompetentnem in imunokompromitiranem gostitelju, okuženim s HIV. Pri razvoju modela upoštevamo naslednje celične populacije: okužene in neokužene celice pljučnega epitelija, alveolarne makrofage, limfocite B in CD4+T ter rekrutirane makrofage, ki se preobrazijo iz monocitov. Kot posrednike informacij med celicami in regulatorje celičnih interakcij upoštevamo dve vrsti citokinov. V modelu definiramo modelno stanje imunokompetentnega in tri različna modelna stanja imunokompromitiranega gostitelja. Model imunskega odziva sklopimo s standardnim dvoshrambnim farmakokinetičnim modelom peroralnega doziranja antibiotika sulfametoksazol/trimetoprim (SMX/TMP). Simuliramo različne klinično relevantne sheme doziranja SMX/TMP, s katerimi v klinični praksi preprečujejo ali zdravijo PJP. Osredotočimo se na simulacije časovnih potekov koncentracije pnevmociste v vseh definiranih modelnih stanjih z učinkovanjem ali brez učinkovanja antibiotika SMX/TMP. Rezultati modelnih simulacij kažejo, da v vseh modelnih stanjih koncentracija pnevmociste ob okužbi strmo naraste do maksimalne vrednosti in se nato ustali na nižji stacionarni vrednosti, ki se bistveno razlikuje med modelnimi stanji imunokompetentnega in imunokompromitiranega gostitelja. Na podlagi modelnih simulacij, v katere vključimo učinkovanje antibiotika, sklepamo, da s preventivnim načinom zdravljenja učinkovito preprečimo okužbo s pnevmocisto. Modelne simulacije zdravljenja PJP s pogostejšim doziranjem antibiotika kažejo, da pri zdravljenju populacijo pnevmociste hitro in uspešno zatremo v nekaj dneh.
Keywords: Pneumocystis jirovecii, imunski odziv, imunska pomanjkljivost, antibiotik, fizikalno-matematični model.
Published in DKUM: 20.09.2022; Views: 2177; Downloads: 68
Full text (2,04 MB)

Abstract: Brezpilotni letalnik je naprava za izvajanje letov brez pilota ali drugih oseb na krovu, ki je daljinsko krmiljena, programirana ali avtonomna. V magistrski nalogi smo izpeljali matematični model brezpilotnega letalnika, naredili analizo glavnih senzorskih sistemov letalnika (giroskop in pospeškometer) in filtrov, ki smo jih uporabili za manjšanje šuma (nizkoprepustni filter in Kalmanov filter), nato smo naredili model Matlab/Simulink celotnega dinamičnega sistema in ustrezno izdelali ter uglasili regulacijo upravljanja in letenja s pomočjo regulatorjev PID. V drugem delu naloge smo izvedli analizo propelerjev brezpilotnega letalnika z uporabo metode BEM (Blade Element Momentum Theory), nato smo s pomočjo Adkinsonove metode ustvarili dizajn 5-palčnega propelerja, ki smo ga nato fizično izdelali in eksperimentalno preizkusili. Rezultati so pokazali, da je metoda BEM predvidela večji potisk, kot smo ga dosegli v fizični izvedbi. V zadnjem delu naloge smo sestavili brezpilotni letalnik, s pomočjo mikroprocesorja Arduino sprogramirali regulacijo sistema, uspešno izvedli testni let in pokazali, da uporabljeni matematični model uspešno opiše obnašanje brezpilotnega letalnika.
Keywords: dron, letalnik, regulacija, propeler, matematični model
Published in DKUM: 15.03.2022; Views: 1172; Downloads: 114
Full text (14,00 MB)

Abstract: Za upogibno analizo vitkih ravninskih nosilcev s prečno razpoko smo v disertaciji izpeljali štiri nove tri-vozliščne linijske končne elemente z dodatno prostostno stopnjo na lokaciji razpoke. Izpeljani elementi so uporabni za numerično modeliranje treh različnih primerov linearnega spreminjanja pravokotnega prečnega prereza: za linearno spreminjajočo se širino ob konstantni višini, za linearno spreminjajočo se višino ob konstantni širini ter za hkratno linearno spreminjajočo se širino in višino prereza. V poenostavljenem računskem modelu razpokanega nosilca, ki temelji na Euler-Bernoullijevi teoriji majhnih pomikov, je razpoka predstavljena z nadomestno rotacijsko vzmetjo, ki povezuje oba sosednja elastična podsegmenta. Najprej smo z uporabo osnovnih polinomskih interpolacijskih funkcij četrte stopnje izpeljali aproksimativni končni element, ki je univerzalen in primeren za analizo vseh treh primerov linearnega spreminjanja prereza kot tudi za analizo prizmatičnih nosilcev. Vendar je za doseganje rezultatov, ki konvergirajo k točnim rešitvam diferencialnih enačb, treba uporabiti več takih končnih elementov. Nato smo z rešitvijo diferencialne enačbe statičnega upogiba za vsak primer linearnega spreminjanja širine in/ali višine prečnega prereza posebej dobili še tri komplete (za statično analizo) točnih interpolacijskih funkcij, iz katerih smo izpeljali še ostale tri končne elemente, ki zaradi logaritemskih členov v rešitvah zahtevajo ločene rešitve in ne dopuščajo uporabe končnega elementa s hkratnim spreminjanjem obeh dimenzij za obe enostavnejši spreminjanji dimenzije. Za vse štiri izpeljane končne elemente smo v zaključeni obliki podali vse izraze materialnih in geometrijskih togostnih matrik, masnih matrik ter obtežnih vektorjev. Uporabnost vseh izpeljanih izrazov končnih elementov smo za vse tri primere spreminjanja prereza prikazali za tri tipične (statično, uklonsko in modalno) analize enostavnih konstrukcij. Numerične analize z vsemi izpeljanimi končnimi elementi so bile izvedene v programu Mathematica. Natančnost rezultatov vseh analiz poenostavljenih linijskih modelov smo verificirali tudi z natančnejšimi in neodvisnimi, vendar mnogo bolj računsko zahtevnejšimi, 2D- oz. 3D-modeli končnih elementov v komercialnem programu SAP2000. Pri statični analizi, kjer je to bilo edino mogoče, smo rezultate dodatno preverili še z analitičnimi rešitvami diferencialnih enačb poenostavljenega modela. Pri vseh analizah so se kot nedvomno boljši izkazali statično točni končni elementi, ki pri osnovni diskretizaciji z enim končnim elementom izkazujejo v splošnem boljše ujemanje z 2D- oz. 3D-modelom. Rezultati izvedenih analiz tudi kažejo, da smo z vpeljavo prečnega pomika kot dodatne prostostne stopnje na lokaciji razpoke pri uklonski in dinamični analizi pri vseh poenostavljenih modelih dobili bistveno hitrejšo konvergenco rezultatov. S tem smo dosegli najpomembnejši cilj, saj bodo novi končni elementi, poleg aplikacije za klasično linearno kot tudi nelinearno analizo odziva na znano oz. s predpisi definirano (npr. v potresnem inženirstvu) obtežbo, omogočali hitrejšo in s tem učinkovitejšo izvedbo inverzne identifikacije razpokanih linijskih konstrukcij z linearno spreminjajočimi prerezi. Dodatno smo uporabnost in učinkovitost univerzalnih končnih elementov prikazali na dveh inženirsko zahtevnejših primerih s področja gradbeništva. Na področju razvoja inovativnega železniškega praga so se predlagani končni elementi za analize vpliva popuščanja zvarov v primerjavi s standardnimi končnimi elementi izkazali kot uspešnejši. S tem primerom smo potrdili, da lahko predlagane končne elemente namesto za modeliranje razpok uspešno uporabimo tudi za ostale nezveznosti zasukov. V drugem primeru pa smo z uporabo predlaganih končnih elementov in nelinearno definicijo rotacijske vzmeti izvedli nelinearno statično potisno analizo armirano betonskega nosilca, ki izkazuje dobro ujemanje rezultatov poenostavljenega modela z eksperimentom.
Keywords: upogib nosilca, prečna razpoka, metoda končnih elementov, trivozliščni končni element, matematični model, linearno spreminjanje dimenzij, pravokotni prerez, statična analiza, dinamična analiza, uklonska analiza, nelinearna potisna analiza
Published in DKUM: 15.06.2021; Views: 1380; Downloads: 175
Full text (9,72 MB)

Abstract: V podjetju Unior d.d, ki je mednarodno priznan razvojni partner pri proizvodnji, preoblikovanju in obdelavi kovin ter velja za enega največjih svetovnih proizvajalcev ojnic in odkovkov za krmilne mehanizme osebnih vozil, se v procesu proizvodnje in razvoja ročnega orodja izvajajo številne analize kopeli, saj se lahko le na ta način zagotovi čim večja kakovost končnega izdelka. Primeri takšnih analiz kopeli so spremljanje koncentracije razmaščevalca, vsebnost celotne in proste kisline ter železa v fosfatni kopeli in koncentracije žveplove (VI) kisline v kopeli za jedkanje. Vse koncentracije smo vsakodnevno določali s postopkom titracije, dobljene porabe standardnih raztopin pa smo vnesli v Excel, kjer smo jih kasneje analizirali. Iz dobljenih meritev in analiz smo ugotovili, da bi za določene medsebojne odvisnosti lahko uporabili matematični model regresije. Slednji s pomočjo enačbe na podlagi porabljenega volumna KMnO4 za določanje vsebnosti železa v kopeli za jedkanje omogoča izračun vsebnosti železa v fosfatni kopeli. Prav tako je možen izračun količine porabljenega razmaščevalca na podlagi razlike med porabljenim volumnom NaOH za določanje celotne kisline in porabljenim volumnom NaOH za določanje proste kisline, ki je pomnožena z ustreznim faktorjem. Predstavljena je tudi skupina Unior d.o.o s kratkim pregledom razvoja skozi zgodovino ter program Ročno orodje, kamor spada tudi Laboratorij za galvano. Podana je tudi kratka razlaga in ops fosfatnih prevlek ter njihov glavni nameni uporabe.
Keywords: fosfatiranje, matematični model, površinska zaščita, mangan-fosfat
Published in DKUM: 24.09.2020; Views: 1203; Downloads: 78
Full text (2,19 MB)