Les insaculacions de la Diputació del General de Catalunya: el cas dels germans Saiol i Josep Ciges (1687-1688).

-

Modeling capillarity and two-phase flow in granular media: from porescale to network scale

Numerical simulations at the pore scale are a way to study the behavior of multiphase flows encountered in many natural processes and industrial applications. In this work, liquid morphology and capillary action are examined at the pore-scale by means of the multicomponent Shan-Chen lattice Boltzmann method (LBM). The accuracy of the numerical model is first contrasted with theoretical solutions. The numerical results are extended to complex microstructures beyond the pendular regime. The LBM has been employed to simulate multiphase flow through idealized granular porous media under quasi-static primary drainage conditions. LBM simulations provide an excellent description of the fluid-fluid interface displacement through the grains. Additionally, the receding phase trapped in the granular media in form of pendular bridges or liquid clusters is well captured. Unfortunately, such simulations require a significant computation time. A 2D model (Throat-Network model) based on analytical solutions is proposed to mimic the multiphase flow with very reduced computation cost, therefore, suitable to replace LBM simulations when the computation resources are limited. The approach emphasizes the importance of simulating at the throat scale rather than the pore body scale in order to obtain the local capillary pressure - liquid content relationships. The Throat-Network model is a starting point for a hybrid model proposed to solve 3D problems. The hybrid model combines the efficiency of the pore-network approach and the accuracy of the LBM at the pore scale to optimize the computational resources. The hybrid model is based on the decomposition of the granular assembly into small subsets, in which LBM simulations are performed to determine the main hydrostatic properties (entry capillary pressure, capillary pressure - liquid content relationship and liquid morphology for each pore throat). Despite the reduction of computation time, it is still not negligible and not affordable for large granular packings. Approximations by the Incircle and the MS-P method, which predict hydrostatic properties, are contrasted with the results provided by LBM and the hybrid model. Relatively accurate predictions are given by the approximations.Per tal d’estudiar els fluxos multifàsics presents a molts processos naturals i industrials és indispensable entendre les propietats físiques dels sistemes multifàsics a escala microscòpica. La morfologia dels fluids i les forces capil·lars s’investiguen a l’escala del porus mitjançant el ”multicomponent Shan-Chen lattice Boltzmann method (LBM)”. La precisió del model numèric ha estat contrastada amb solucions teòriques. Els resultats numèrics s’han estès a microestructures líquides complexes més enllà del règim pendular. El LBM ha estat emprat per simular fluxos multifàsics a través de medis porosos sota condicions quasi-estàtiques de drenatge. Les simulacions dutes a terme mitjançant el LBM proporcionen una descripció excel·lent del moviment de la interfície entre fluids a través de les partícules sòlides. Durant el drenatge, les simulacions numèriques són capaces de reproduir l’efecte del fluid atrapat dins el medi granular en forma de ponts o estructures líquides complexes. Malauradament, aquestes simulacions requereixen un temps de computació molt elevat. Per tal d’optimitzar els recursos de computació, proposem un model 2D (model Throat-Network) basat en solucions analítiques que permet reproduir fluxos multifàsics a través d’un conjunt de discs amb un temps de computació molt reduït. Per tant, aquest mètode és una alternativa que pot substituir les simulacions LBM quan els recursos de computació són escassos. El model Throat-Network destaca la importància de tractar el problema a l’escala de la gola del porus per tal d’obtenir les relacions pressió capil·lar - volum locals. Aquest enfocament és un punt de partida pel model híbrid que es presenta per resoldre els problemes en 3D. El model híbrid combina l’eficàcia del model ”Pore-Network” i la precisió del LBM a l’escala del porus. El model híbrid es basa en la descomposició d’una mostra granular en subdominis més petits, els quals corresponen a les goles dels porus (la gola dels porus és l’espai que connecta dos porus adjacents). Les simulacions LBM s’executen per a cada un dels subdominis per tal de determinar les propietats hidroestàtiques més rellevants (pressió capil·lar d’entrada, la corba de pressió capil·lar - grau de saturació i la morfologia líquida per cada una de les goles del porus). Malgrat la reducció significativa en el cost computacional del model híbrid, els temps de càlcul no són menyspreables i poc realistes per mostres granulars de grans dimensions. Les aproximacions donades pels mètodes de l’”Incircle” i el MS-P, que permeten estimar les propietats hidroestàtiques, han estat contrastades amb els resultats obtinguts amb LBM i el model híbrid.Les simulations numériques à l’échelle du pore sont fréquemment utilisées pour étudier le comportement des écoulements multiphasiques largement rencont des structures liquides et l’actiorés dans phénomènes naturels et applications industrielles. Dans ce travail, la morphologien capillaire sont examinées à l’échelle des pores par la méthode de Boltzmann sur réseau (LBM) à plusieurs composants selon le modèle de Shan-Chen. Les résultats numériques obtenus sont en bon accord avec les solutions théoriques. Les simulations numériques sont étendues à microstructures complexes au-delà du régime pendulaire. La LBM a été utilisée pour modéliser l’écoulement multiphasique à travers un milieu poreux idéalisé dans des conditions de drainage primaire quasi-statique. Les simulations LBM ont fourni une excellente description du déplacement de l’interface fluide-fluide à travers les grains. Pendant le drainage, les simulations LBM sont capables de reproduire la déconnexion d’une phase dans le milieu granulaire sous la forme de ponts pendulaires ou structures liquides complexes. Malheureusement, le temps de calcul nécessaire pour ce type de simulations est assez élevé. Afin d’optimiser les ressources de calcul, nous présentons un modèle 2D (modèle Throat-Network) basé sur des solutions analytiques pour décrire l’écoulement biphasique à travers un ensemble de disques dans un temps de calcul très réduit, donc le modèle 2D est susceptible de remplacer les simulations LBM lorsque les ressources de calcul sont limitées. L’approche souligne l’importance de simuler le problème a l’échelle de la gorge du pore pour obtenir les relations volume - pression capillaire locales. Le modèle Throat-Network est un point de départ pour le modèle hybride proposé pour résoudre les problèmes en 3D. Le modèle hybride combine l’efficacité de l’approche réseau de pores et la précision du LBM à l’échelle des pores. Le modèle hybride est basé sur la décomposition de l’échantillon en petits sous-domaines, dans lesquels des simulations LBM sont effectuées pour déterminer les propriétés hydrostatiques principales (pression capillaire d’entrée, courbe de drainage primaire et morphologie du liquide pour chaque gorge du pore). Malgré la réduction significative des temps de calcul obtenus avec le modèle hybride, le temps n’est pas négligeable et les modélisations numériques d’échantillons de grandes tailles ne sont pas réalistes. Les approximations données par les méthodes Incircle et MS-P, qui prédisent les propriétés hydrostatiques, sont comparées à celles de LBM et du modèle hybride

Design and application of a low-cost, easy-to-build, non-invasive, pressure-controlled ventilator for pediatric use in low-resource countries.

Treballs Finals de Grau d'Enginyeria Biomèdica. Facultat de Medicina i Ciències de la Salut. Universitat de Barcelona. Curs: 2022-2023. Tutor/Director: Ramon Farré VenturaThe aim of this project was to design and apply a low-cost, easy-to-build, non-invasive, pressure-controlled ventilator for pediatric use in low-resource countries. The ventilator was built using off-the-shelf components and an open-source design, with a total cost of less than €200. It is noteworthy that this ventilator is an adaptation of a previous project that was designed for adult use. In order to adapt the previous project to a pediatric use, a method to increase the respiratory rate was implemented, as children have a higher respiratory rate compared to adults, and this has been through the incorporation of a valve. The prototype was evaluated in a bench test using an active patient simulator, which modeled the respiratory mechanics of patients with different levels of obstructive/restrictive diseases. Four respiratory systems were set for testing the ventilator, mimicking a patient with mild disease, a purely obstructive patient, a purely restrictive patient and a patient with both obstruction and restriction. The device was able to function effectively at high frequencies and was able to resolve the issue of inadequate time for breaths at high frequencies. The results of this project demonstrate that it is possible to create a low-cost, easy-to-build, non-invasive, pressure-controlled ventilator for pediatric use in low-resource countries. The device is easy to construct, utilizes minimal complex components and can be replicated using the open-source design and materials. As a future improvement, the ventilator could be developed to also function as a support ventilator, detecting when the patient is attempting to inhale and initiating ventilation automatically when a predefined threshold pressure is exceeded

Modeling capillarity and two-phase flow in granular media: from porescale to network scale

Tesi en modalitat de cotutela: Universitat Politècnica de Catalunya i Université Grenoble Alpes. Resums extesos en francès i català a l'apendeix de la tesi.Numerical simulations at the pore scale are a way to study the behavior of multiphase flows encountered in many natural processes and industrial applications. In this work, liquid morphology and capillary action are examined at the pore-scale by means of the multicomponent Shan-Chen lattice Boltzmann method (LBM). The accuracy of the numerical model is first contrasted with theoretical solutions. The numerical results are extended to complex microstructures beyond the pendular regime. The LBM has been employed to simulate multiphase flow through idealized granular porous media under quasi-static primary drainage conditions. LBM simulations provide an excellent description of the fluid-fluid interface displacement through the grains. Additionally, the receding phase trapped in the granular media in form of pendular bridges or liquid clusters is well captured. Unfortunately, such simulations require a significant computation time. A 2D model (Throat-Network model) based on analytical solutions is proposed to mimic the multiphase flow with very reduced computation cost, therefore, suitable to replace LBM simulations when the computation resources are limited. The approach emphasizes the importance of simulating at the throat scale rather than the pore body scale in order to obtain the local capillary pressure - liquid content relationships. The Throat-Network model is a starting point for a hybrid model proposed to solve 3D problems. The hybrid model combines the efficiency of the pore-network approach and the accuracy of the LBM at the pore scale to optimize the computational resources. The hybrid model is based on the decomposition of the granular assembly into small subsets, in which LBM simulations are performed to determine the main hydrostatic properties (entry capillary pressure, capillary pressure - liquid content relationship and liquid morphology for each pore throat). Despite the reduction of computation time, it is still not negligible and not affordable for large granular packings. Approximations by the Incircle and the MS-P method, which predict hydrostatic properties, are contrasted with the results provided by LBM and the hybrid model. Relatively accurate predictions are given by the approximations.Per tal d’estudiar els fluxos multifàsics presents a molts processos naturals i industrials és indispensable entendre les propietats físiques dels sistemes multifàsics a escala microscòpica. La morfologia dels fluids i les forces capil·lars s’investiguen a l’escala del porus mitjançant el ”multicomponent Shan-Chen lattice Boltzmann method (LBM)”. La precisió del model numèric ha estat contrastada amb solucions teòriques. Els resultats numèrics s’han estès a microestructures líquides complexes més enllà del règim pendular. El LBM ha estat emprat per simular fluxos multifàsics a través de medis porosos sota condicions quasi-estàtiques de drenatge. Les simulacions dutes a terme mitjançant el LBM proporcionen una descripció excel·lent del moviment de la interfície entre fluids a través de les partícules sòlides. Durant el drenatge, les simulacions numèriques són capaces de reproduir l’efecte del fluid atrapat dins el medi granular en forma de ponts o estructures líquides complexes. Malauradament, aquestes simulacions requereixen un temps de computació molt elevat. Per tal d’optimitzar els recursos de computació, proposem un model 2D (model Throat-Network) basat en solucions analítiques que permet reproduir fluxos multifàsics a través d’un conjunt de discs amb un temps de computació molt reduït. Per tant, aquest mètode és una alternativa que pot substituir les simulacions LBM quan els recursos de computació són escassos. El model Throat-Network destaca la importància de tractar el problema a l’escala de la gola del porus per tal d’obtenir les relacions pressió capil·lar - volum locals. Aquest enfocament és un punt de partida pel model híbrid que es presenta per resoldre els problemes en 3D. El model híbrid combina l’eficàcia del model ”Pore-Network” i la precisió del LBM a l’escala del porus. El model híbrid es basa en la descomposició d’una mostra granular en subdominis més petits, els quals corresponen a les goles dels porus (la gola dels porus és l’espai que connecta dos porus adjacents). Les simulacions LBM s’executen per a cada un dels subdominis per tal de determinar les propietats hidroestàtiques més rellevants (pressió capil·lar d’entrada, la corba de pressió capil·lar - grau de saturació i la morfologia líquida per cada una de les goles del porus). Malgrat la reducció significativa en el cost computacional del model híbrid, els temps de càlcul no són menyspreables i poc realistes per mostres granulars de grans dimensions. Les aproximacions donades pels mètodes de l’”Incircle” i el MS-P, que permeten estimar les propietats hidroestàtiques, han estat contrastades amb els resultats obtinguts amb LBM i el model híbrid.Les simulations numériques à l’échelle du pore sont fréquemment utilisées pour étudier le comportement des écoulements multiphasiques largement rencont des structures liquides et l’actiorés dans phénomènes naturels et applications industrielles. Dans ce travail, la morphologien capillaire sont examinées à l’échelle des pores par la méthode de Boltzmann sur réseau (LBM) à plusieurs composants selon le modèle de Shan-Chen. Les résultats numériques obtenus sont en bon accord avec les solutions théoriques. Les simulations numériques sont étendues à microstructures complexes au-delà du régime pendulaire. La LBM a été utilisée pour modéliser l’écoulement multiphasique à travers un milieu poreux idéalisé dans des conditions de drainage primaire quasi-statique. Les simulations LBM ont fourni une excellente description du déplacement de l’interface fluide-fluide à travers les grains. Pendant le drainage, les simulations LBM sont capables de reproduire la déconnexion d’une phase dans le milieu granulaire sous la forme de ponts pendulaires ou structures liquides complexes. Malheureusement, le temps de calcul nécessaire pour ce type de simulations est assez élevé. Afin d’optimiser les ressources de calcul, nous présentons un modèle 2D (modèle Throat-Network) basé sur des solutions analytiques pour décrire l’écoulement biphasique à travers un ensemble de disques dans un temps de calcul très réduit, donc le modèle 2D est susceptible de remplacer les simulations LBM lorsque les ressources de calcul sont limitées. L’approche souligne l’importance de simuler le problème a l’échelle de la gorge du pore pour obtenir les relations volume - pression capillaire locales. Le modèle Throat-Network est un point de départ pour le modèle hybride proposé pour résoudre les problèmes en 3D. Le modèle hybride combine l’efficacité de l’approche réseau de pores et la précision du LBM à l’échelle des pores. Le modèle hybride est basé sur la décomposition de l’échantillon en petits sous-domaines, dans lesquels des simulations LBM sont effectuées pour déterminer les propriétés hydrostatiques principales (pression capillaire d’entrée, courbe de drainage primaire et morphologie du liquide pour chaque gorge du pore). Malgré la réduction significative des temps de calcul obtenus avec le modèle hybride, le temps n’est pas négligeable et les modélisations numériques d’échantillons de grandes tailles ne sont pas réalistes. Les approximations données par les méthodes Incircle et MS-P, qui prédisent les propriétés hydrostatiques, sont comparées à celles de LBM et du modèle hybride.Postprint (published version

Efficient discretization of signed distance fields

A Signed distance field (SDF) is an implicit function that returns the distance to the surface of a volume given a point in the space. The sign of the field indicates if the point is inside or outside the volume. These fields are usually used to accelerate computer graphics algorithms in different areas, such as rendering or collision detection. There are many well-defined primitives and operators to model objects using these functions. For example, SDFs allow applying smooth boolean operations between primitives. Applying these operators to triangles meshes can require complex algorithms susceptible to precision problems. Even though SDFs allow modelling objects, they currently are not a used format, and not many modelling tools use it. Most of the time, we want to calculate this field from triangle meshes. If the mesh is two-manifold, the easiest way to calculate the signed distance from a point is by searching for the minimum distance at all the mesh triangles. This strategy requires iterating all the triangles for each query to the signed distance field. There are methods based on different strategies that accelerate this nearest triangle search. If the user does not require getting exact distances to the object, other strategies exist that discretize the space in some fixed sample points. Then, the queries to arbitrary points are calculated using an interpolation of the precalculated discretization. This project presents a new approach based on an octree-like subdivision to accelerate the computation of these signed distance fields queries from a triangle mesh. The main idea is to construct an octree structure in which each leaf will contain only the nearest triangles for all the points in that region. Therefore, when the user wants to calculate the distance from an arbitrary point in the space, it will only compare the triangles influencing that region. Moreover, we present a method to calculate approximated distances based on the discretization approach mentioned before. We designed and developed an octree discretization strategy and explored different interpolation techniques. The distance computation of this discretization is accelerated by the strategy developed in the project