Numerical solution of the population balance equation under turbulent flow conditions -

Thesis. M.S. American University of Beirut. Computational Sciences Program, 2018. T:6815$Advisor : Dr. Fouad Azizi, Associate Professor, Chemical and Petroleum Engineering ; Committee members : Dr. Mazen Al Ghoul, Professor, Chemistry ; Dr. Joseph Zeaiter, Associate Professor, Chemical and Petroleum Engineering.Includes bibliographical references (leaves 81-97)In this work, the algorithm developed by Azizi and Al Taweel (2011) to solve the population balance equation using the sampling approach and the moving grid technique will be used to solve the population balance equation under various operating conditions. Two models will be employed to simulate turbulently flowing gas-liquid systems, namely, the models of Coulaloglou and Tavlarides (1977), and Wang et al. (2003). The models will be used to simulate the two-phase flow in pipes equipped with static mixers that exhibit regions of low, moderate, and high energy dissipation, where the conditions change drastically in very short times. The model constants used in the model of Coulaloglou and Tavlarides (1977) will first be optimized. The simulation results will then be compared to experimental results for validation.

Investigating the association between strategic and pathological gambling behaviors and substance use in youth: Could religious faith play a differential role?

Objectives: This study investigated the link between gambling behaviors and the use of alcohol, drugs, and nonprescribed prescription medications, while exploring the moderating role of distinct religious faiths. Methods:: In 2010, 570 students from the American University of Beirut completed a self-reported, anonymous English questionnaire, which included lifetime gambling and past-year substance use measures. Results: Half (55%) were lifetime gamblers, of whom, 12% were probable pathological gamblers. About 60% were strategic gamblers. Lifetime gamblers were more than twice as likely as nongamblers to report past-year illegal drug use and alcohol abuse. Probable pathological gamblers were also more than four times as likely as nongamblers to report nonmedical prescription drug use, illegal drug use, and alcohol abuse. Compared to nonstrategic gamblers, strategic gamblers had more than three times the odds of illegal drug and cigarette use. The link between alcohol abuse and gambling was stronger among Christians than Muslims. Conversely, Muslims were more likely to report the co-occurrence of various gambling behaviors (lifetime, probable pathological, and strategic gambling) with both illegal drug use and cigarette use. Conclusions: Gambling and substance use behaviors were strongly linked in this sample of youth from Lebanon, corroborating the evidence from North America. Particularly novel are the co-occurrence of pathological gambling and nonmedical prescription drug use and the potential differential role of religion

Continuous cultivation of photosynthetic microorganisms: approaches, applications and future trends

The possibility of using photosynthetic microorganisms, such as cyanobacteria and microalgae, for converting light and carbon dioxide into valuable biochemical products has raised the need for new cost-efficient processes ensuring a constant product quality. Food, feed, biofuels, cosmetics and pharmaceutics are among the sectors that can profit from the application of photosynthetic microorganisms. Biomass growth in a photobioreactor is a complex process influenced by multiple parameters, such as photosynthetic light capture and attenuation, nutrient uptake, photobioreactor hydrodynamics and gas-liquid mass transfer. In order to optimize productivity while keeping a standard product quality, a permanent control of the main cultivation parameters is necessary, where the continuous cultivation has shown to be the best option. However it is of utmost importance to recognize the singularity of continuous cultivation of cyanobacteria and microalgae due to their dependence on light availability and intensity. In this sense, this review provides comprehensive information on recent breakthroughs and possible future trends regarding technological and process improvements in continuous cultivation systems of microalgae and cyanobacteria, that will directly affect cost-effectiveness and product quality standardization. An overview of the various applications, techniques and equipment (with special emphasis on photobioreactors) in continuous cultivation of microalgae and cyanobacteria are presented. Additionally, mathematical modelling, feasibility, economics as well as the applicability of continuous cultivation into large-scale operation, are discussed.This research work was supported by the grant SFRH/BPD/98694/2013 (Bruno Fernandes) from Fundacao para a Ciencia e a Tecnologia (Portugal). The authors thank the FCT Strategic Project PEst-OE/EQB/LA0023/2013. The authors also thank the Project "BioInd Biotechnology and Bioengineering for improved Industrial and Agro-Food processes, REF. NORTE-07-0124-FEDER-000028" Co-funded by the Programa Operacional Regional do Norte (ON.2-O Novo Norte), QREN, FEDE

Supercritical carbon dioxide extraction and fractionation of lipids from freeze-dried microalgae Nannochloropsis oculata and Chlorella vulgaris

This study deals with the selective extraction of neutral lipids from microalgae. We investigated the consequences of bypassing cell-wall disintegration before supercritical carbon dioxide extraction. Different operating parameters (use of co-solvent, pressure, and time) were tested on freeze-dried Chlorella vulgaris and Nannochloropsis oculata. The solid phase extraction technique (SPE) was used throughout the extraction process to assess variations in the yield of liberated neutral lipids, glycolipids, and phospholipids. Under operating conditions, 97% of neutral lipids were extracted from C. vulgaris using ethanol (10% v/v) as co-solvent. Neutral lipids from N. oculata represented most of the extracts (83%), whereas the proportion of glycolipids and phospholipids did not exceed 12.1% and 5.3%, respectively. Microscopic observation showed that cell wall integrity was maintained during the extraction process

Vers le Transport Multi-Echelles de Panaches Fins

The distribution of aerosols and trace gases in the atmosphere resultsfrom the emission of primary gaseous and particulate matter, as well astheir transport, sedimentation and (photo-)chemical transformations.Understanding and quantifying these processes in the atmosphere can beaddressed through the use of global-scale or regional-scalechemistry-transport numerical models.CHIMERE is a chemistry-transport model developed mainly at LMD (Mailleret al., 2017). Initially targeted to urban and regional scales, it wasrecently extended to hemispheric scales in order to address theseprocesses on a wider range. While theoretically possible, it isimpractical to use this model to represent interactions betweensmall-scale processes (e.g. pollution in the urban atmospheric boundarylayer) and large-scale processes (e.g. intercontinental transport)controlling dense plumes of gas and aerosols, resulting for instancefrom massive emissions by volcanic eruptions, forest fires and desertaerosol tempests. Indeed such studies requiring both large domains andhigh resolution have a prohibitive numerical cost due to the formulationof CHIMERE on a regular Cartesian mesh. This limitation is shared by allcurrently operational chemistry-transport models. Additionally,traditional Cartesian longitude-latitude meshes pose a numericalsingularity at the poles, where the longitude lines converge.One way to lift these limitations would be to replace CHIMERE’sCartesian mesh by a fully unstructured mesh. Unstructured meshes supportvariable resolution in space, allowing computational resources to befocused in those few key regions (e.g. volcanic eruption) where highspatial resolution is really required. Allowing such multi-scalecapacity would be a significant step forward in the modelling of scaleinteractions in atmospheric chemistry, and would potentially allowbreakthrough for the understanding of such interactions.DYNAMICO, the atmospheric general circulation model recently developedat LMD and LSCE (Dubos et al., 2015) supports unstructured sphericalVoronoi meshes. It is the goal of this PhD project to contribute to theassessment of the viability of numerical methods borrowed from DYNAMICO forlarge-scale transport of sharp plumes. To this end, we compare thenumerical performance of transport schemes formulated on sphericalunstructured meshes (Dubey et al., 2015) with schemes formulated onCartesian spherical meshes avoiding the poles. Schemes of various orderand different treatments of time integration are implemented in eachmesh framework. A suite of test cases is used to evaluate differentproperties of the mesh-scheme pairings. Various metrics are used tostudy stability, monotonicity, convergence and numerical diffusion.While it could be anticipated that Cartesian schemes perform better thantheir unstructured counterpart of similar complexity, we find that ascheme of the Van Leer family on the unstructured mesh has a comparableperformance to a similar scheme on a Cartesian mesh, which is the defaultscheme used operationally by CHIMERE. Beyond these idealizedtwo-dimensional numerical experiments, we compare the performance of thetwo schemes in a realistic, three-dimensional setting mimicking theeruption of the Puyehue volcano in 2011. This necessary milestone is tobe complemented by experiments with variable-resolution meshes leadingto a full assessment of the merits of multi-scale-modellingchemistry-transport applications.La distribution d’aérosols et de gaz trace dans l’atmosphère résulte del’émission d’espèces gazeuses et particulaires primaires, ainsi que deleur transport, de leur sédimentation et de leurs transformations(photo)chimiques. La modélisation de ces processus dans l’atmosphèrepeut s’aborder au travers de modèles de chimie-transport d’échelleglobale ou régionale.Le modèle CHIMERE, développé en grande partie au LMD (Mailler et al.,2017), est un modèle de chimie-transport régional, récemment étendu auxéchelles hémisphériques, qui permet d’aborder ces phénomènes sur unegrande gamme d’échelles, allant de l’échelle d’une ville à celle d’unhémisphère. Il est toutefois difficile d’utiliser ce modèle pourreprésenter les interactions entre phénomènes de petite échelle(pollution de la couche limite urbaine) et de grande échelle (transportà l’échelle continentale ou hémisphérique) de panaches denses de gaz etd’aérosols, issus par exemple d’émissions de panaches volcaniques, defeux de forêt, ou d’aérosols désertiques. Cette limitation est un effetde l’impossibilité d’utiliser le modèle sous sa forme actuelle avec undomaine à maille non structurée, seul type de maillage permettant uneréelle variation de la résolution en fonction de zones d’intérêtdéfinies par le modélisateur (zones urbaines, zones d’émission). Cettelimitation est commune à la totalité des modèles de chimie-transportexistants à l’heure actuelle, pouvoir la lever serait donc un importantpas en avant pour la compréhension des interactions d’échelle dans ledomaine de la chimie atmosphérique.Une façon de lever ces limitations serait de remplacer le maillagecartésien de CHIMERE par un maillage non-structuré. En effet lesmaillages non-structurés permettent de faire varier la résolution dansl'espace et de concentrer les ressources de calcul dans les quelquesrégions clés (p.ex. près d'une éruption volcanique) où une hauterésolution spatiale est réellement nécessaire. Introduire une telleflexibilité multi-échelle représenterait un pas important pour lamodélisation des interactions d'échelles en chimie atmosphérique, etpermettrait potentiellement des percées dans la compréhension de cesinteractions.DYNAMICO, le modèle de circulation générale atmosphérique développérécemment au LMD et au LSCE (Dubos et al., 2015) est basé sur desmaillages de Voronoi non-structurés sphériques. L'objectif de cettethèse est de contribuer à l'évaluation de méthods numériques empruntéesà DYNAMICO pour le transport à grand échelle de panaches fins. A cettefin nous comparons la performance numérique de schémas de transportformulés sur maillage non-structuré (Dubey et al., 2015) à celle deschémas similaires formulés sur un maillage cartésien sphérique évitantles pôles. Des schémas d'ordre varié et avec différents traitements del'intégration temporelle sont implémentés pour chacun des deux types demaillage. Un jeu de cas-test est utilisé pour évalué différentespropriétés des paires maillage-schéma. Différentes métriques permettentd'étudier les propriétes de stabilité, monotonocité, convergence etdiffusion numérique. Alors que l'on pouvait s'attendre à une meilleureperformance des schémas cartésiens par rapport à aux schémasnon-structurés de complexité similaire, nous trouvons qu'un schéma de lafamille des schémas de Van Leer a une performance comparable à un schémasimilaire sur maillage cartésien, schéma qui est proposé par défaut parle modèle CHIMERE de façon opérationnelle. Au-delà de ces expériencesnumériques bidimensionnelles idéalisées, nous comparons la performancede ces deux schémas dans un contexte tridimensionnel réaliste inspiré del'éruption du volcan Puyehue en 2011. Ce nécessaire jalon doit êtrecomplété par des expérience à résolution variable pour mener à uneévaluation complète des mérites de la modélisation multi-échelles pourles applications en chimie-transport

Vers le Transport Multi-Echelles de Panaches Fins

La distribution d’aérosols et de gaz trace dans l’atmosphère résulte del’émission d’espèces gazeuses et particulaires primaires, ainsi que deleur transport, de leur sédimentation et de leurs transformations(photo)chimiques. La modélisation de ces processus dans l’atmosphèrepeut s’aborder au travers de modèles de chimie-transport d’échelleglobale ou régionale.Le modèle CHIMERE, développé en grande partie au LMD (Mailler et al.,2017), est un modèle de chimie-transport régional, récemment étendu auxéchelles hémisphériques, qui permet d’aborder ces phénomènes sur unegrande gamme d’échelles, allant de l’échelle d’une ville à celle d’unhémisphère. Il est toutefois difficile d’utiliser ce modèle pourreprésenter les interactions entre phénomènes de petite échelle(pollution de la couche limite urbaine) et de grande échelle (transportà l’échelle continentale ou hémisphérique) de panaches denses de gaz etd’aérosols, issus par exemple d’émissions de panaches volcaniques, defeux de forêt, ou d’aérosols désertiques. Cette limitation est un effetde l’impossibilité d’utiliser le modèle sous sa forme actuelle avec undomaine à maille non structurée, seul type de maillage permettant uneréelle variation de la résolution en fonction de zones d’intérêtdéfinies par le modélisateur (zones urbaines, zones d’émission). Cettelimitation est commune à la totalité des modèles de chimie-transportexistants à l’heure actuelle, pouvoir la lever serait donc un importantpas en avant pour la compréhension des interactions d’échelle dans ledomaine de la chimie atmosphérique.Une façon de lever ces limitations serait de remplacer le maillagecartésien de CHIMERE par un maillage non-structuré. En effet lesmaillages non-structurés permettent de faire varier la résolution dansl'espace et de concentrer les ressources de calcul dans les quelquesrégions clés (p.ex. près d'une éruption volcanique) où une hauterésolution spatiale est réellement nécessaire. Introduire une telleflexibilité multi-échelle représenterait un pas important pour lamodélisation des interactions d'échelles en chimie atmosphérique, etpermettrait potentiellement des percées dans la compréhension de cesinteractions.DYNAMICO, le modèle de circulation générale atmosphérique développérécemment au LMD et au LSCE (Dubos et al., 2015) est basé sur desmaillages de Voronoi non-structurés sphériques. L'objectif de cettethèse est de contribuer à l'évaluation de méthods numériques empruntéesà DYNAMICO pour le transport à grand échelle de panaches fins. A cettefin nous comparons la performance numérique de schémas de transportformulés sur maillage non-structuré (Dubey et al., 2015) à celle deschémas similaires formulés sur un maillage cartésien sphérique évitantles pôles. Des schémas d'ordre varié et avec différents traitements del'intégration temporelle sont implémentés pour chacun des deux types demaillage. Un jeu de cas-test est utilisé pour évalué différentespropriétés des paires maillage-schéma. Différentes métriques permettentd'étudier les propriétes de stabilité, monotonocité, convergence etdiffusion numérique. Alors que l'on pouvait s'attendre à une meilleureperformance des schémas cartésiens par rapport à aux schémasnon-structurés de complexité similaire, nous trouvons qu'un schéma de lafamille des schémas de Van Leer a une performance comparable à un schémasimilaire sur maillage cartésien, schéma qui est proposé par défaut parle modèle CHIMERE de façon opérationnelle. Au-delà de ces expériencesnumériques bidimensionnelles idéalisées, nous comparons la performancede ces deux schémas dans un contexte tridimensionnel réaliste inspiré del'éruption du volcan Puyehue en 2011. Ce nécessaire jalon doit êtrecomplété par des expérience à résolution variable pour mener à uneévaluation complète des mérites de la modélisation multi-échelles pourles applications en chimie-transport.The distribution of aerosols and trace gases in the atmosphere resultsfrom the emission of primary gaseous and particulate matter, as well astheir transport, sedimentation and (photo-)chemical transformations.Understanding and quantifying these processes in the atmosphere can beaddressed through the use of global-scale or regional-scalechemistry-transport numerical models.CHIMERE is a chemistry-transport model developed mainly at LMD (Mailleret al., 2017). Initially targeted to urban and regional scales, it wasrecently extended to hemispheric scales in order to address theseprocesses on a wider range. While theoretically possible, it isimpractical to use this model to represent interactions betweensmall-scale processes (e.g. pollution in the urban atmospheric boundarylayer) and large-scale processes (e.g. intercontinental transport)controlling dense plumes of gas and aerosols, resulting for instancefrom massive emissions by volcanic eruptions, forest fires and desertaerosol tempests. Indeed such studies requiring both large domains andhigh resolution have a prohibitive numerical cost due to the formulationof CHIMERE on a regular Cartesian mesh. This limitation is shared by allcurrently operational chemistry-transport models. Additionally,traditional Cartesian longitude-latitude meshes pose a numericalsingularity at the poles, where the longitude lines converge.One way to lift these limitations would be to replace CHIMERE’sCartesian mesh by a fully unstructured mesh. Unstructured meshes supportvariable resolution in space, allowing computational resources to befocused in those few key regions (e.g. volcanic eruption) where highspatial resolution is really required. Allowing such multi-scalecapacity would be a significant step forward in the modelling of scaleinteractions in atmospheric chemistry, and would potentially allowbreakthrough for the understanding of such interactions.DYNAMICO, the atmospheric general circulation model recently developedat LMD and LSCE (Dubos et al., 2015) supports unstructured sphericalVoronoi meshes. It is the goal of this PhD project to contribute to theassessment of the viability of numerical methods borrowed from DYNAMICO forlarge-scale transport of sharp plumes. To this end, we compare thenumerical performance of transport schemes formulated on sphericalunstructured meshes (Dubey et al., 2015) with schemes formulated onCartesian spherical meshes avoiding the poles. Schemes of various orderand different treatments of time integration are implemented in eachmesh framework. A suite of test cases is used to evaluate differentproperties of the mesh-scheme pairings. Various metrics are used tostudy stability, monotonicity, convergence and numerical diffusion.While it could be anticipated that Cartesian schemes perform better thantheir unstructured counterpart of similar complexity, we find that ascheme of the Van Leer family on the unstructured mesh has a comparableperformance to a similar scheme on a Cartesian mesh, which is the defaultscheme used operationally by CHIMERE. Beyond these idealizedtwo-dimensional numerical experiments, we compare the performance of thetwo schemes in a realistic, three-dimensional setting mimicking theeruption of the Puyehue volcano in 2011. This necessary milestone is tobe complemented by experiments with variable-resolution meshes leadingto a full assessment of the merits of multi-scale-modellingchemistry-transport applications