Using Inverse Finite Element Analysis to Obtain Passive Mechanical Behavior of Abdominal Wall

In this work we develop a methodology to characterize in vivo the passive mechanical behavior of abdominal muscle, using for that finite element simulations combined with inverse analysis and optimization algorithms. The knowledge of the mechanical response of the muscle is needed to determine the features of the mesh in cases of hernia surgery

Towards the in vivo mechanical characterization of abdominal wall in animal model: application to hernia repair

El trabajo presentado en esta tesis se centra en el diseño e implementación de una metodología que permita caracterizar in vivo el comportamiento mecánico pasivo de la pared abdominal. Esta metodología permitiría a los cirujanos disponer de información mecánica relevante sobre un paciente especí co, lo que podría contribuir a mejorar el tratamiento quirúrgico de hernias mediante malla protésica. El tratamiento quirúrgico de hernias consiste en cerrar la debilidad creada en el músculo, ya sea directamente con puntos de sutura o mediante la implantación de una malla protésica. En el caso de la malla, ésta es la responsable de absorber las tensiones a las que el músculo se ve sometido durante el tiempo en el que se produce la regeneración de tejido. Para reducir el riego de aparición de dolor postoperatorio, rotura o rasgadura de tejido o incluso una recidiva, la malla debe mimetizar la respuesta mecánica de la zona de la pared donde vaya a ser colocada, que a su vez puede variar de un paciente a otro en función de su edad, género, índice de masa corporal u otras características físicas. Un mejor conocimiento de las propiedades mecánicas del abdomen en paciente especí co ayudaría al cirujano a determinar qué malla protésica se puede considerar la ideal, mecánicamente hablando. Por todo ello, el trabajo que aquí se presenta plantea una aproximación in vivo para caracterizar la pared abdominal sobre un modelo animal y su posterior implementación en casos de patologías herniarias. En un primer paso, se ha realizado un estudio biomecánico del cierre en línea alba, que ayudase a entender los aspectos mecánicos y biológicos que tienen lugar durante la curación de la herida a corto y largo plazo. A continuación, se han llevado a cabo ensayos mecánicos de in ado sobre la pared, que combinados con el uso de cámaras y técnicas de adquisición de imagen han permitido extraer la respuesta del tejido de una manera no invasiva. Este estudio experimental, se ha llevado a cabo sobre especímenes sanos y otro herniados y reparados con distintas mallas quirúrgicas, lo que ha permitido extrapolar el efecto in vivo que provocan estas mallas. A partir de los datos experimentales también se ha desarrollado un análisis numérico que permitiese caracterizar la respuesta mecánica especí ca de cada espécimen. A este efecto, dicha caracterización se ha tratado como un problema inverso y resuelto primeramente mediante un análisis de super cies de respuesta y después con un algoritmo propio aplicado a modelos hiperelásticos. Finalmente, también se ha reconstruido un modelo de elementos nitos de la cavidad abdominal que permite simular el efecto producido por distintas mallas protésicas así como su alteración respecto al tejido sano

Numerical analysis of the fluid flow and heat transfer of a hybrid PV-thermal collector and performance assessment

In recent years, new materials and absorber configurations have been proposed to improve the performance of hybrid photovoltaic-thermal (PV-T) collectors. This work analyses the fluid flow and the energy performance of an uncovered water-based PV-T collector with a roll-bond thermal absorber. A detailed CFD model was developed and the results were compared with the experimental performance features provided by the PV-T manufacturer. The fluid flow results show uneven flow distribution among the roll-bond microchannels which leads to areas with larger PV cell temperatures and thus a lower electricity generation. The PV-T collector layers were also modelled using the energy transfer equations layer-by-layer. The model was run for several water inlet temperatures and water flow-rates to obtain the thermal performance curve. The results show that the electrical efficiency of the PV-T collector is 14.5–10.3% larger than for a PV-only system for water inlet temperatures of 20–30 °C, respectively. The developed CFD model reproduces accurately the thermal performance of the PV-T collector, with a maximum error of 6.5% for inlet water temperatures of 20–60 °C. Therefore, this model can be used with confidence to propose alternative designs that achieve a homogeneous temperature distribution in the PV layer and improve the overall PV-T collector performance

In-situ Mechanical Characterization of Abdominal Muscle Using Stereo Imaging

We present a method to characterize in vivo the mechanical behavior of abdominal muscle, using inverse finite element analysis and image processing algorithms to estimate the properties. The aim of this technique is to help surgeon to choose the hernia mesh that better reproduces the mechanical behavior of the healthy muscle

Paneles solares híbridos: electricidad y calor en un solo panel

Las nuevas directivas europeas en materia de construcción están orientadas a la obtención de edificios de consumo energético casi nulo. Para ello, el desarrollo e implantación de energías renovables que sean capaces de satisfacer necesidades energéticas mediante una producción limpia, asequible e in-situ, se erige como una estrategia fundamental. Es por ello que presentamos en este trabajo la aplicación de una tecnología emergente, los paneles solares híbridos, capaces de proporcionar energía térmica y eléctrica en un mismo panel. Gracias a esta producción dual, este tipo de paneles aumenta la cantidad total de energía producida por m2 en un 40% respecto a las soluciones tradicionales de colector térmico y panel fotovoltaico, lo que hace de su implantación una opción muy interesante en edificaciones con limitación de espacio en cubierta, como ocurre frecuentemente en centros urbanos. En este trabajo se estudia su aplicación a tres tipologías de edificios con consumos energéticos tipo asociados a sector residencial y terciario (hotel, polideportivo), para lo cual se han considerado a su vez diferentes tipos de paneles solares híbridos, asignados según su temperatura de abastecimiento. El análisis final abarca desde la producción eléctrica y térmica de cada instalación a los ahorros obtenidos tanto en términos económicos como en disminución de emisiones de CO2.Consejo General de la Arquitectura Técnica de Españ

The challenges of solar hybrid PVT systems in the food processing industry

14 figures, 3 tables.This paper assesses the challenges of alternative solar systems based on hybrid PVT collectors coupled with an absorption chiller (AbCH, single-stage NH3-H2O) in the food-processing industry, from the technical, economic and environmental points of view. This type of industry is usually characterised by a constant cooling demand throughout the year, hot water demand for production processes and electricity consumption for factory equipment and lighting. To the authors¿ knowledge, this work constitutes one of the first studies to address the integration of PVT-water collectors with a single-stage NH3-H2O AbCH for industrial applications. Two alternative PVT-water collectors are analysed, covered and uncovered. A biomass boiler is proposed as an auxiliary heater. To compare the proposed solar solutions, a vegetable and fruit processing and canning factory is considered as a representative case study. Hourly transient simulations considering the real factory demands and real weather data are performed over a year. Two main challenges are found for the solar systems based on the covered PVT collectors, an AbCH and a biomass boiler: the overlapping of the cooling and hot water demands of the food-processing industry, and the high hot water temperatures required. If, alternatively, the current electrical chillers are retained, the system based on uncovered PVT collectors has a reasonable-to-attractive payback time (14.3 years). When the potential environmental benefit is quantified (through carbon pricing), all the proposed solar systems become economically attractive, i.e., with positive total cost savings at the end of the system lifetime. Still, the high cost of PVT collectors, along with the considerably lower price of fuels compared to electricity, hinder the potential of systems that displace fossil fuels.This work was undertaken in the framework of 3GSol, a project funded under the Retos-Colaboración 2017 Programme, National R&D and Innovation Plan, by the Spanish Government, Ministry of Science, Innovation and Universities and co-funded by the EU, through the European Regional Development Fund (ERDF) [grant number RTC-2017-6026-3].Peer reviewe

Design, Development, and Performance Evaluation of a New Photovoltaic-Thermal (PVT) Air Collector: From Lab Testing to Field Measurements

Over the last decade, the market has experienced a growing interest in hybrid photovoltaic-thermal (PVT) technologies, although more long-term studies are needed before air-based PVT panels are fully implemented. In this paper, we present the experimental framework developed around an air-based PVT collector, consisting of a high-quality photovoltaic laminate and a newly designed thermal absorber. The experimental performance of the collector was measured both in lab testing and in a pilot plant during one of the field operations. Results show an almost constant electrical performance of 15–19%, and a thermal performance that changes a lot, ranged between 15–52% for the individual panel and 11–35% for the system of 2.5 panels in series (to maximize output temperature). Field operation presents average thermal and electrical efficiencies ranged between 16–20% with an electrical–thermal generation ratio close to 1:1