Institutul National de Cercetare-Dezvoltare
pentru Tehnologii Izotopice si Moleculare

ENGLISH

Programul:

IDEI

Tipul proiectului:

Proiecte de cercetare exploratorie

Cod proiect:

PN II IDEI cod ID_372


Modelarea difuziei in sisteme multistrat

Director de proiect: Dr. Valer Tosa
E-mail:     tosa@itim-cj.ro

Scop:


Scopul acestui proiect este unul foarte practic: sa creeze un instrument de calcul pentru estimarea cantitativa a difuziei in sisteme multistrat, in particular a difuziei (migratiei) impuritatilor din folii multistrat pentru ambalaje (FMA) in alimente. Legslatia UE permite deja utilizarea unor modele matematice simple pentru estimarea migratiei din fma in alimente in scopul certificarii calitatii ambalajului.

Migratia in FMA este insa o problema mult mai complexa care poate fi tratata numai utilizand metode numerice deoarece solutia ecuatiei difuziei este discontinua la interfata intre doua straturi datorita proprietatilor fizico-chimice diferite a straturilor adiacente.

Instrumentul ce va fi dezvoltat va fi utilizat pentru:

  1.  modelarea si interpretarea experimentelor de difuzie in FMA;
  2.  estimarea migratiei in testele standardizate folosite in ue pentru certificarea calitatii ambalajelor alimentare si
  3.  modelarea difuziei caldurii in sistemele multistrat folosite in tehnicile fototermice.

Inapoi

Obiective:

 

Obiectivul global al acestui proiect este sa dezvolte un algoritm numeric si o aplicatie practica pentru estimarea difuziei (de substanta sau caldura) in cadrul unui sistem multistrat. Validarea si testarea algoritmului prin compararea cu date experimentale de difuzie vor conduce la dezvoltarea unui instrument pentru estimarea migratiei impuritatilor din FMA in alimente si modelarea numerica a difuziei caldurii in cazuri particulare ale metodelor fototermice.
Primul obiectiv specific al proiectului este dezvoltarea unei metode numerice de diferente finite (FD) pentru rezolvarea ecuatiei difuziei intr-o structura multistrat. Metoda va trebui sa tine cont de existenta unor coeficienti de difuzie diferiti in diferite straturi si de existenta unor coeficienti de partitie intre straturi. Ca urmare, va tine cont ca in aceste conditii atat solutia cat si derivata intai a solutiei vor fi discontinue la interfata dintre doua straturi.
Dezvoltarea unui algoritm bazat pe metoda numerica FD si unui program dezvoltat pe baza acestui algoritm este al doilea obiectiv specific al proiectului. Algoritmul va fi tradus intr-un program scris in FORTRAN90 in care fiecare modul va fi testat prin metode specifice. Aceasta parte a proiectului va cere cel mai mare efort de resurse umane.
In vederea indeplinirii cerintelor specificate de legislatia UE privind testele de migratie dezvoltarea algoritmului si a programului corespunzator va fi facuta in colaborare stransa cu expertii firmei FABES GmbH. Printr-un efort interdisciplinar programul va fi astfel dezvoltat incat sa raspunda unor aspecte practice ce apar in cursul testelor de migratie. Mentionam unele din aceste aspecte practice:

Testarea aplicatiei va constitui ultimul obiectiv al proiectului. Aplicatia odata dezvoltata va fi testata in primul rand in privinta corectitudinii calcularii cantitatii de migrant dintr-un monostrat intr-un lichid.  In al doilea rand se va testa capacitatea de a simula cazuri specificate prin legislatia EU. Aceasta activitate va avea un caracter multidisciplinar deoarece implica nu numai aspectul numeric al problemei dar si compararea cu date experimentale obtinute fie in laboratoare specializate din UE fi cu date de difuzie a caldurii obtinute in institutul nostru.

Inapoi

Activitati:

 

An *

Obiective

(Denumirea obiectivului)

Activitati asociate

2007

1

Definirea problemei migratiei in multistraturi si identificarea principalelor metode de solutionare.

1.1. Documentare privind metodele analitice si numerice  dezvoltate pentru difuzia in multistraturi

 

 

 

1.2. Definirea problemei difuziei in multistraturi, a conditiilor initiale, a conditiilor la limita, analiza conditiilor la interfata

 

 

 

1.3. Analiza cazurilor de migratie pentru FMA si a configuratiilor experimentale in cazul testelor de migratie

 

 

 

1.4. Activitati de management proiect: stabilirea configuratiei unui PC performant si a softului necesar (compilator, etc.). Achizitionare si instalare.

2008

2

Formarea si specializarea tinerilor cercetatori

2.1. Asimilarea metodelor de testare, prevazute in standardele UE

 

 

 

2.2. Asimilarea metodelor de rezolvare a ecuatiilor de tip parabolic

 

 

 

2.3. Asimilarea elementelor de legislatie in domeniul securitatii ambalajelor alimenta

 

3

Dezvoltarea analitica si discretizarea numerica a problemei difuziei in multistraturi.

3.1. Discretizarea numerica in metoda de diferente finite.

 

 

 

3.2. Dezvoltarea metodei de discretizare pentru interfete

 

 

 

3.3. Deducerea sistemului de ecuatii algebrice in cazul metodei Cranck-Nicolson

 

 

 

3.4. Activitati management proiect: stabilirea configuratiei, achizitionarea si instalarea statiei de lucru..

2009

4

Dezvoltarea algoritmului numeric si scrierea programului sursa

4.1. Scrierea programului principal

 

 

 

4.2. Programarea modulelor aferente

 

 

 

4.3. Testarea la nivel de sintaxa si comunicare intre module

 

 

 

4.4. Testarea aplicatiei prin comparare cu cazul monostrat (MIGRATEST LITE)

 

 

 

4.5. Actualizarea si adaptarea aplicatiei

 

5

Modelarea cazurilor de interes in configuratii ale metodei fotopiroelectrice

5.1. Stabilirea conditiilor la limita si a conditiilor la interfete in montajul experimental folosit

 

 

 

5.2. Corelarea semnalului fotopiroelectric cu distributia de temperatura calculata

 

 

 

5.3. Aplicatie la contact termic imperfect

2010

6

Modelarea datelor de migratie in folii polimerice multistrat

6.1. Colectarea datelor de input

 

 

 

6.2. Executia programului si interpretarea rezultatelor

 

 

 

6.3. Analiza influentei conditiilor initiale asupra datelor de migratie.

 

 

 

6.4. Actualizarea si adaptarea aplicatiei pentru configuratiile prevazute de standardele de testare

 

7

Extinderea modelului si explorarea potentialelor aplicatii

7.1. Adaptarea aplicatiei pentru a fi folosita ca instrument de fitare

 

 

 

7.2. Testarea aplicatiei, executia programului si interpretarea rezultatelor experimentale

 

 

 

7.3. Diseminare: redactare si publicare lucrare si comunicare

 

 

 

7.4. Diseminare: pagina web, contactare potentiali interesati

 

 

 

7.5. Redactare raport final

Inapoi

 

Rezultate:

 

               DEVIZ POSTCALCUL dec 2007 (.doc)
               Plan de activitate (.rtf)
               Proces Verbal Avizare (.doc)
               Sinteza_lucrarii_faza_1 (.pdf)

               DEVIZ POSTCALCUL 2008 (.pdf)
               Plan de activitate (.pdf)
               Proces Verbal Avizare (.pdf)
               Sinteza lucrarii faza 2 (.pdf)
               Raport anual de autoevaluare (.pdf)

               DEVIZ POSTCALCUL 2009 (.pdf)
               Plan de activitate (.pdf)
               Proces Verbal Avizare (.pdf)
               Sinteza lucrarii faza 3 (.pdf)
               Raport anual de autoevaluare (.pdf)

               DEVIZ POSTCALCUL 2010 (.pdf)
               Plan de activitate (.pdf)
               Proces Verbal Avizare (.pdf)
               Raport final de activitate (.pdf)
               Raport stiintific (.pdf)

Inapoi

Personal:
 

Nr. crt.

Nume si prenume

Anul nasterii

Titlul didactic stiintific *

Doctorat

1

Tosa Valer

1955

CSI

DA

2

Silipas Teofil Danut

1954

CSII

DA

3

Filip Xenia Claudia

1968

CSIII

DA

4

Streza Mihaela

1973

Asist. cerc.

Doctorand

5

Kovacs Katalin

1980

Asist. Cerc.

DA

6

Balogh Emeric

1984

Asist. Cerc.

NU

 

 

Inapoi

Impact:

 

        Scopul proiectului este dezvoltarea unie metode numerice de diferente finite pentru a calcula cantitativ difuzia (migratia) unei substante organice intr-un sistem multistrat care include si alimentul ca unul din straturi. Particularitatea acestei probleme consta in faptul ca fiecare strat, inclusiv alimentul prezinta diferiti coeficienti de difuzie si de solubilitate pentru migrantul dat. In aceste conditii se obtine o solutie discontinua a ecuatiei difuziei si care nu poate fi tratata analitic. Coeficientii de partitie (raporul solubilitatilor migrantului in doua straturi adiacente) sunt in general neunitari si duc la un salt al concentratiei la interfata dintre straturi, in timp ce coeficientii diferiti de difuzie vor produce o discontinuitate in panta concentratiei la interfete. Rezolvarea acestei probleme se va face printr-o procedura originala bazata pe diferente finite. Se va folosi metoda punctului fictiv, initial dezvoltata pentru ecuatii de tip parabolic pentru a obtine ecuatiile algebrice date de conditiile la limita. Din cate cunoastem aceasta metoda este pentru prima data aplicata pentru conditiile la interfete si nu pentru conditiile la limita. La discretizarea ecuatiei difuziei se va folosi un grid neuniform pentru fiecare strat care va fi mai fin la interfete pentru a tine cont de variatiile mai mari ale concentratiei in aceste regiuni.

        Integrarea in timp va fi realizata prin utilizarea unei metode combinate de discretizare a ecuatiei difuziei, metoda care include cunoscuta metoda Cranck-Nicholson ca un caz particular. Metoda va permite cresterea pasului de timp peste limitele impuse de metoda explicita fara ca stabilitatea schemei de integrare sa fie afectata. Acuratetea metodei va fi testata cu proceduri specifice.

        Un alt aspect inovator al proiectului este utilizarea unei metode numerice pentru a prezice rezultatele testelor de migratie specificate de standardele EU. Asa cum am mentionat mai sus, in prezent legislatia EU permite  prezicerea migratiei numai cu formule analitice. Prezentul proiect reprezinta un pas inainte in a demonstra ca metodele numerice sunt la fel de viabile si valide in a descrie difuzia si de a furniza acea baza stiintifica, ceruta de directiva 2002/72/EC pentru estimarea teoretica a migratiei.

        Originalitatea proiectului rezida si in caracterul sau puternic interdisciplinar. In primul rand va fi dezvoltata o noua metoda numerica pentru rezolvarea ecuatiei difuziei in sisteme multistrat, iar aplicatia rezultata va fi folosita in mod concret la controlul calitatii in sectorul industrial al fabricarii unor produse din plastic (folii polimerice, ambalaje compozite, conducte pentru apa, etc). De asemenea estimam ca poate fi folosit de laboratoarele specializate in controlul calitatii acestor produse pentru cresterea expertizei lor in caracterizarea probelor de tip multistrat. Astfel, modelul poate clarifica si explica fenomene fizico-chimice complexe care altfel nu sunt evidentiate de datele masurate. Modelul poate aduce beneficii si in alte sectoare cum ar fi cel al circuitelor integrate unde se studiaza difuzia electronilor in multistraturi. Perfectionarea tehnicilor fototermice de caracterizare  a materialelor poate fi facuta numai dupa o modelare realista a transferului de caldura in sistemul multistrat folosit la masuratori.

        Creerea unui instrument puternic de modelare a difuziei va stimula si cercetarile privind fenomenele de migratie in sistemele multistrat. Aceasta deoarece rezultatele experimentale nu pot fi interpretate decat utilizand modelarea numerica a procesului de migratie. Deci, un alt aspect inovativ al proiectului este ca metodele actuale de testare pot fi inlocuite cu modelari numerice si ca trebuie adaptate in asa fel incat sa tine cont de caracterul de multistrat al sistemului investigat. Legiferarea unei metode mai puternice de predictie a migratiei impuritatilor in ambalaje va duce la cresterea nivelului de protectie a consumatorului in tarile Uniunii Europene.

Inapoi