Preconditioning strategies for the numerical solution of convection-diffusion partial differential equations

Il trattamento numerico dell'equazione di convezione-diffusione con le relative condizioni al bordo, comporta la risoluzione di sistemi lineari algebrici di grandi dimensioni in cui la matrice dei coefficienti è non simmetrica. Risolutori iterativi basati sul sottospazio di Krylov sono ampiamente utilizzati per questi sistemi lineari la cui risoluzione risulta particolarmente impegnativa nel caso di convezione dominante. In questa tesi vengono analizzate alcune strategie di precondizionamento, atte ad accelerare la convergenza di questi metodi iterativi. Vengono confrontati sperimentalmente precondizionatori molto noti come ILU e iterazioni di tipo inner-outer flessibile. Nel caso in cui i coefficienti del termine di convezione siano a variabili separabili, proponiamo una nuova strategia di precondizionamento basata sull'approssimazione, mediante equazione matriciale, dell'operatore differenziale di convezione-diffusione. L'azione di questo nuovo precondizionatore sfrutta in modo opportuno recenti risolutori efficienti per equazioni matriciali lineari. Vengono riportati numerosi esperimenti numerici per studiare la dipendenza della performance dei diversi risolutori dalla scelta del termine di convezione, e dai parametri di discretizzazione.

Calculation of the eigenfunctions of the two-group neutron diffusion equation and application to modal decomposition of BWR instabilities

In this thesis, numerical methods aiming at determining the eigenfunctions, their adjoint and the corresponding eigenvalues of the two-group neutron diffusion equations representing any heterogeneous system are investigated. First, the classical power iteration method is modified so that the calculation of modes higher than the fundamental mode is possible. Thereafter, the Explicitly-Restarted Arnoldi method, belonging to the class of Krylov subspace methods, is touched upon. Although the modified power iteration method is a computationally-expensive algorithm, its main advantage is its robustness, i.e. the method always converges to the desired eigenfunctions without any need from the user to set up any parameter in the algorithm. On the other hand, the Arnoldi method, which requires some parameters to be defined by the user, is a very efficient method for calculating eigenfunctions of large sparse system of equations with a minimum computational effort. These methods are thereafter used for off-line analysis of the stability of Boiling Water Reactors. Since several oscillation modes are usually excited (global and regional oscillations) when unstable conditions are encountered, the characterization of the stability of the reactor using for instance the Decay Ratio as a stability indicator might be difficult if the contribution from each of the modes are not separated from each other. Such a modal decomposition is applied to a stability test performed at the Swedish Ringhals-1 unit in September 2002, after the use of the Arnoldi method for pre-calculating the different eigenmodes of the neutron flux throughout the reactor. The modal decomposition clearly demonstrates the excitation of both the global and regional oscillations. Furthermore, such oscillations are found to be intermittent with a time-varying phase shift between the first and second azimuthal modes.

Efficiency limits for silicon/perovskite tandem solar cells: a theoretical model

The primary goal of this work is related to the extension of an analytic electro-optical model. It will be used to describe single-junction crystalline silicon solar cells and a silicon/perovskite tandem solar cell in the presence of light-trapping in order to calculate efficiency limits for such a device. In particular, our tandem system is composed by crystalline silicon and a perovskite structure material: metilammoniumleadtriiodide (MALI). Perovskite are among the most convenient materials for photovoltaics thanks to their reduced cost and increasing efficiencies. Solar cell efficiencies of devices using these materials increased from 3.8% in 2009 to a certified 20.1% in 2014 making this the fastest-advancing solar technology to date. Moreover, texturization increases the amount of light which can be absorbed through an active layer. Using Green’s formalism it is possible to calculate the photogeneration rate of a single-layer structure with Lambertian light trapping analytically. In this work we go further: we study the optical coupling between the two cells in our tandem system in order to calculate the photogeneration rate of the whole structure. We also model the electronic part of such a device by considering the perovskite top cell as an ideal diode and solving the drift-diffusion equation with appropriate boundary conditions for the silicon bottom cell. We have a four terminal structure, so our tandem system is totally unconstrained. Then we calculate the efficiency limits of our tandem including several recombination mechanisms such as Auger, SRH and surface recombination. We focus also on the dependence of the results on the band gap of the perovskite and we calculare an optimal band gap to optimize the tandem efficiency. The whole work has been continuously supported by a numerical validation of out analytic model against Silvaco ATLAS which solves drift-diffusion equations using a finite elements method. Our goal is to develop a simpler and cheaper, but accurate model to study such devices.

Regularity of solutions of the p-Laplace equation in the Heisenberg group

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Dispersive wave solutions of the klein-gordon equation in cosmology

L'equazione di Klein-Gordon descrive una ampia varietà di fenomeni fisici come la propagazione delle onde in Meccanica dei Continui ed il comportamento delle particelle spinless in Meccanica Quantistica Relativistica. Recentemente, la forma dissipativa di questa equazione si è rivelata essere una legge di evoluzione fondamentale in alcuni modelli cosmologici, in particolare nell'ambito dei cosiddetti modelli di k-inflazione in presenza di campi tachionici. L'obiettivo di questo lavoro consiste nell'analizzare gli effetti del parametro dissipativo sulla dispersione nelle soluzioni dell'equazione d'onda. Saranno inoltre studiati alcuni tipici problemi al contorno di particolare interesse cosmologico per mezzo di grafici corrispondenti alle soluzioni fondamentali (Funzioni di Green).

A numerical study of turbulent Rayleigh-Bénard convection

Il flusso di Rayleigh-Bénard, costituito da un fluido racchiuso fra due pareti a diversa temperatura, rappresenta il paradigma della convezione termica. In natura e nelle applicazioni industriali, il moto convettivo avviene principalmente in regime turbolento, rivelando un fenomeno estremamente complesso. L'obiettivo principale di questo elaborato di tesi consiste nell'isolare e descrivere gli aspetti salienti di un flusso turbolento di Rayleigh-Bénard. L'analisi è applicata a dati ottenuti da tre simulazioni numeriche dirette effettuate allo stesso numero di Rayleigh (Ra=10^5) e a numeri di Prandtl differenti (Pr=0.7,2,7). Sulla base di alcune statistiche a singolo punto, vengono definite nel flusso tre regioni caratteritiche: il bulk al centro della cella, lo strato limite termico e quello viscoso in prossimità delle pareti. Grazie all'analisi dei campi istantanei e delle correlazioni spaziali a due punti, sono state poi individuate due strutture fondamentali della convezione turbolenta: le piume termiche e la circolazione a grande scala. L'equazione generalizzata di Kolmogorov, introdotta nell'ultima parte della trattazione, permette di approcciare il problema nella sua complessità, visualizzando come l'energia cinetica viene immessa, si distribuisce e viene dissipata sia nello spazio fisico, sia in quello delle scale turbolente. L'immagine che emerge dall'analisi complessiva è quella di un flusso del tutto simile a una macchina termica. L'energia cinetica viene prodotta nel bulk, considerato il motore del flusso, e da qui fluisce verso le pareti, dove viene infine dissipata.

The Complex Monge-Ampère Equation

In questa trattazione si studia la regolarità delle soluzioni viscose plurisubarmoniche dell’equazione di Monge-Ampère complessa. Si tratta di un’equazione alle derivate parziali del secondo ordine completamente non lineare il cui termine del secondo ordine è il determinante della matrice hessiana complessa di una funzione incognita a valori reali u. Il principale risultato della tesi è un nuovo controesempio di tipo Pogorelov per questa equazione. Si prova cioè l’esistenza di soluzioni viscose plurisubarmoniche e non classiche per un equazione di Monge-Ampère complessa.

How to get an equation named after you (part I)

Abstract|IT Nelle lauree triennali le pubblicazioni scientifiche non vengono studiate. Per quanto possa rivelarsi un piccolo intervento, lo scopo di questa tesi è invece quello di rendere più accessibili ai pochi interessati alcune vecchie e polverose pubblicazioni. Inoltre, la presente tesi non dovrebbe essere trattata come un lavoro a se stante, ma come il primo mattone di un progetto che comprende tutte le maggiori pubblicazioni della storia. How to get an equation named after you (Part I) in particolare discute la serie di pubblicazioni del 1926 di Schrödinger "Quantisierung als Eigenwertproblem" e l’articolo del 1928 di Dirac "The Quantum Theory of the Electron", ovvero quei lavori dove le equazioni di Schrödinger e Dirac vennero per prime derivate. La serie di articoli del 1926 sommano ad un totale di oltre 100 pagine. Inizialmente Schrödinger dimostra come ciò su cui è basata la sua teoria possa spiegare correttamente fenomeni conosciuti come l’atomo di idrogeno e l’effetto Stark, per poi derivare la famosa equazione d’onda complessa del secondo ordine. I procedimenti matematici, in questi articoli, sono complicati e molte delle dimostrazioni non vengono mostrate oppure risultano inutilmente lunghe. La pubblicazione di Dirac invece ha principalmente a che fare con la derivazione dell’equazione, la sua generalizzazione e l’invarianza relativistica. Dimostra inoltre che tale equazione è compatibile con passate teorie. La lettura di Dirac è molto più sistematica, dato il largo utilizzo di dimostrazioni matematiche laddove Schrödinger avrebbe usato parole.

Dynamical models in neuroscience: the delay FitzHugh-Nagumo equation

Il primo modello matematico in grado di descrivere il prototipo di un sistema eccitabile assimilabile ad un neurone fu sviluppato da R. FitzHugh e J. Nagumo nel 1961. Tale modello, per quanto schematico, rappresenta un importante punto di partenza per la ricerca nell'ambito neuroscientifico delle dinamiche neuronali, ed è infatti capostipite di una serie di lavori che hanno puntato a migliorare l’accuratezza e la predicibilità dei modelli matematici per le scienze. L’elevato grado di complessità nello studio dei neuroni e delle dinamiche inter-neuronali comporta, tuttavia, che molte delle caratteristiche e delle potenzialità dell’ambito non siano ancora state comprese appieno. In questo lavoro verrà approfondito un modello ispirato al lavoro originale di FitzHugh e Nagumo. Tale modello presenta l’introduzione di un termine di self-coupling con ritardo temporale nel sistema di equazioni differenziali, diventa dunque rappresentativo di modelli di campo medio in grado di descrivere gli stati macroscopici di un ensemble di neuroni. L'introduzione del ritardo è funzionale ad una descrizione più realistica dei sistemi neuronali, e produce una dinamica più ricca e complessa rispetto a quella presente nella versione originale del modello. Sarà mostrata l'esistenza di una soluzione a ciclo limite nel modello che comprende il termine di ritardo temporale, ove tale soluzione non può essere interpretata nell’ambito delle biforcazioni di Hopf. Allo scopo di esplorare alcune delle caratteristiche basilari della modellizzazione del neurone, verrà principalmente utilizzata l’impostazione della teoria dei sistemi dinamici, integrando dove necessario con alcune nozioni provenienti dall’ambito fisiologico. In conclusione sarà riportata una sezione di approfondimento sulla integrazione numerica delle equazioni differenziali con ritardo.