Mathematical Sciences: Applied Geometric Singular Perturbation Theory and Biofilm Modeling

数学科学:应用几何奇异摄动理论和生物膜建模

基本信息

  • 批准号:
    9404160
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 5.35万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    1994
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    1994-07-01 至 1998-06-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

9494160 Dockery The investigator studies wave phenomena in several singular perturbed systems. The models come from biology and chemistry. Several important topics are addressed. The first topic is to provide mathematical existence proofs for traveling waves and standing patterns for these models. The methods of geometric singular perturbations are used to ascertain these existence results. Related to this topic is the study of the stability and bifurcations of these waves and patterns. Another project is devoted to developing a predictive model of biofilms. Some biofilms can serve beneficial purposes, while others can cause extensive damage in the natural or industrial environment. Understanding the processes and interactions occurring in these systems, and formulating conceptual and mathematical models enable one to control biofilm processes, and thus reduce their negative effects or enhance their positive effects. At present an understanding of wave propagation in biological and chemical contexts is quite limited, especially in comparison to wave phenomena in other physical systems (water waves, acoustic waves, etc.). One reason for this is that the equations are difficult to analyze. These equations typically exhibit a number of different time scales, i.e., the systems are singularly perturbed. Despite these difficulties, wave propagation in these systems is a very important phenomena. By way of example, reentrant waves on myocardium are thought to be the pattern of excitation responsible for ventricular tachycardia. The investigator studies wave phenomena, motivated by several problems in biology and chemistry. Of particular interest is biofilm modeling. In the vernacular, a biofilm might be called slime or sludge. Biofilms occur in nature without human interaction, or can artificially be introduced to industrial or natural systems. Because of their pervasive effects on water quality, power generation, energy eff iciency, and product quality, their negative effect is felt in most U.S. industries. Biofilm processes can also offer distinct process advantages, including capacity for higher process throughput, more efficient separation/purification, and bioremediation of hazardous waste sites. The potential of biofilm process control has yet been fully realized due in part to a lack of fundamental knowledge of these processes.
9494160多克里研究员研究了几个奇异摄动系统中的波动现象。这些模型来自生物和化学。讨论了几个重要的主题。第一个主题是为这些模型提供行波和站立模式的数学存在性证明。利用几何奇异摄动的方法来确定这些存在性结果。与这一主题相关的是对这些波和模式的稳定性和分叉的研究。另一个项目致力于开发生物膜的预测模型。一些生物膜可以起到有益的作用,而另一些生物膜可以在自然或工业环境中造成广泛的破坏。了解这些系统中发生的过程和相互作用,并建立概念和数学模型,使人们能够控制生物膜过程,从而减少其负面影响或增强其积极影响。目前,对生物和化学环境中的波传播的了解相当有限,特别是与其他物理系统中的波现象(水波、声波等)相比。其中一个原因是这些方程很难分析。这些方程通常表现出许多不同的时间尺度,即系统被奇异地摄动。尽管有这些困难,波在这些系统中的传播是一个非常重要的现象。例如,心肌上的折返波被认为是导致室性心动过速的兴奋模式。这位研究人员研究波动现象,研究的动机是生物和化学中的几个问题。特别令人感兴趣的是生物膜建模。在白话中,生物膜可能被称为粘液或污泥。生物膜在自然界中存在,没有人类的相互作用,或者可以人工引入工业或自然系统。由于它们对水质、发电、能源效率和产品质量的普遍影响,它们的负面影响在美国大多数行业都能感受到。生物膜工艺还可以提供独特的工艺优势,包括提高工艺吞吐量、更有效地分离/提纯以及对危险废物场地进行生物修复。生物膜工艺控制的潜力尚未完全实现,部分原因是缺乏对这些工艺的基本知识。

项目成果

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