A study on orthogonality sampling.

The goal of this paper is to study and further develop the orthogonality sampling or stationary waves algorithm for the detection of the location and shape of objects from the far field pattern of scattered waves in electromagnetics or acoustics. Orthogonality sampling can be seen as a special beam forming algorithm with some links to the point source method and to the linear sampling method. The basic idea of orthogonality sampling is to sample the space under consideration by calculating scalar products of the measured far field pattern , with a test function for all y in a subset Q of the space , m = 2, 3. The way in which this is carried out is important to extract the information which the scattered fields contain. The theoretical foundation of orthogonality sampling is only partly resolved, and the goal of this work is to initiate further research by numerical demonstration of the high potential of the approach. We implement the method for a two-dimensional setting for the Helmholtz equation, which represents electromagnetic scattering when the setup is independent of the third coordinate. We show reconstructions of the location and shape of objects from measurements of the scattered field for one or several directions of incidence and one or many frequencies or wave numbers, respectively. In particular, we visualize the indicator function both with the Dirichlet and Neumann boundary condition and for complicated inhomogeneous media.

Solvability and spectral properties of integral equations on the real line: I. Weighted spaces of continuous functions

We consider in this paper the solvability of linear integral equations on the real line, in operator form (λ−K)φ=ψ, where and K is an integral operator. We impose conditions on the kernel, k, of K which ensure that K is bounded as an operator on . Let Xa denote the weighted space as |s|→∞}. Our first result is that if, additionally, |k(s,t)|⩽κ(s−t), with and κ(s)=O(|s|−b) as |s|→∞, for some b>1, then the spectrum of K is the same on Xa as on X, for 01. As an example where kernels of this latter form occur we discuss a boundary integral equation formulation of an impedance boundary value problem for the Helmholtz equation in a half-plane.

Scattering by infinite one-dimensional rough surfaces

We consider the Dirichlet boundary-value problem for the Helmholtz equation in a non-locally perturbed half-plane. This problem models time-harmonic electromagnetic scattering by a one-dimensional, infinite, rough, perfectly conducting surface; the same problem arises in acoustic scattering by a sound-soft surface. ChandlerWilde & Zhang have suggested a radiation condition for this problem, a generalization of the Rayleigh expansion condition for diffraction gratings, and uniqueness of solution has been established. Recently, an integral equation formulation of the problem has also been proposed and, in the special case when the whole boundary is both Lyapunov and a small perturbation of a flat boundary, the unique solvability of this integral equation has been shown by Chandler-Wilde & Ross by operator perturbation arguments. In this paper we study the general case, with no limit on surface amplitudes or slopes, and show that the same integral equation has exactly one solution in the space of bounded and continuous functions for all wavenumbers. As an important corollary we prove that, for a variety of incident fields including the incident plane wave, the Dirichlet boundary-value problem for the scattered field has a unique solution.

Noise propagation from a cutting of arbitrary cross-section and impedance

A boundary integral equation is described for the prediction of acoustic propagation from a monofrequency coherent line source in a cutting with impedance boundary conditions onto surrounding flat impedance ground. The problem is stated as a boundary value problem for the Helmholtz equation and is subsequently reformulated as a system of boundary integral equations via Green's theorem. It is shown that the integral equation formulation has a unique solution at all wavenumbers. The numerical solution of the coupled boundary integral equations by a simple boundary element method is then described. The convergence of the numerical scheme is demonstrated experimentally. Predictions of A-weighted excess attenuation for a traffic noise spectrum are made illustrating the effects of varying the depth of the cutting and the absorbency of the surrounding ground surface.

A uniqueness result for scattering by infinite rough surfaces

Consider the Dirichlet boundary value problem for the Helmholtz equation in a non-locally perturbed half-plane with an unbounded, piecewise Lyapunov boundary. This problem models time-harmonic electromagnetic scattering in transverse magnetic polarization by one-dimensional rough, perfectly conducting surfaces. A radiation condition is introduced for the problem, which is a generalization of the usual one used in the study of diffraction by gratings when the solution is quasi-periodic, and allows a variety of incident fields including an incident plane wave to be included in the results obtained. We show in this paper that the boundary value problem for the scattered field has at most one solution. For the case when the whole boundary is Lyapunov and is a small perturbation of a flat boundary we also prove existence of solution and show a limiting absorption principle.

Uniqueness results for direct and inverse scattering by infinite surfaces in a lossy medium

We consider the Dirichlet boundary-value problem for the Helmholtz equation, Au + x2u = 0, with Imx > 0. in an hrbitrary bounded or unbounded open set C c W. Assuming continuity of the solution up to the boundary and a bound on growth a infinity, that lu(x)l < Cexp (Slxl), for some C > 0 and S~< Imx, we prove that the homogeneous problem has only the trivial salution. With this resnlt we prove uniqueness results for direct and inverse problems of scattering by a bounded or infinite obstacle.

Plane wave discontinuous Galerkin methods: exponential convergence of the hp-version

We consider the two-dimensional Helmholtz equation with constant coefficients on a domain with piecewise analytic boundary, modelling the scattering of acoustic waves at a sound-soft obstacle. Our discretisation relies on the Trefftz-discontinuous Galerkin approach with plane wave basis functions on meshes with very general element shapes, geometrically graded towards domain corners. We prove exponential convergence of the discrete solution in terms of number of unknowns.

Método numérico-analítico generalizado para estimação do campo eletromagnético de linhas de transmissão de energia elétrica utilizando a teoria dos elementos finitos

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Avaliação das condições de secagem no rendimento e na qualidade do óleo de linhaça (Linum usitatissimum L.)

De origem asiática, a semente de linhaça (Linum usitatissimum L.) pertence à família das Lináceas e é obtida a partir do linho. A semente da linhaça é ainda a maior fonte alimentar de lignanas, compostos fotoquímicos parecidos com o estrogênio, que podem desempenhar ação anticancerígena. Rica em fibras solúveis tem aproximadamente 40% do seu peso composto por óleos ricos em Ômega 3, entre os quais se destaca o α-linolênico. A secagem é a operação unitária segundo o qual ocorre eliminação da água por evaporação ou sublimação, presente em um material, mediante a aplicação de calor com condições controladas. Visando averiguar o comportamento das sementes de linhaça durante a operação de secagem, o presente trabalho teve como objetivo principal realizar o planejamento experimental e analisar estatísticamente os resultados empregados para quantificar a influência da temperatura do ar (T), tempo de secagem (t), velocidade do ar de fluidização (Uf) e carga de sólidos (Cs), sobre a razão de umidade (Xr), rendimento em óleo (Rend.) e os parâmetros oleoquimicos. A estimativa do ponto ótimo de operação foi determinada em função das variáveis de entrada aplicando o conceito de desejabilidade global. Dentre as condições estabelecidas neste trabalho, o valor ótimo da Função Desejabilidade é quando T é deslocada próximo ao nível alto (72 oC), t para o mínimo (3 h), Uf para o ponto próximo ao central (0,83 m/s) e a Cs para o nível alto (500g), obtendo-se assim: 0,126 para Xr; 36,92 % para Rend.; 4,51 mg KOH/g para IA; 22,52 meqO2/Kg IP e 0,31% para DC. Foram obtidas as isotermas de dessorção das sementes de linhaça nas temperaturas de 40, 60 e 80°C. Os dados experimentais foram avaliados usando seis modelos matemáticos. A entalpia e a entropia diferencial de dessorção foram estimadas por meio das relações de Clausius-Clapeyron e Gibbs-Helmholtz, respectivamente. Os modelos de GAB e Peleg ajustaram adequadamente os dados experimentais. A teoria da compensação entalpia-entropia foi aplicada com sucesso às isotermas de dessorção e indica que o mecanismo de dessorção de umidade das sementes de linhaça pode ser considerado como controlado pela entalpia. A secagem das sementes de linhaça previamente umidificadas foram avaliadas em um secador de leito fixo e fluidizado, as corridas experimentais foram realizadas nas temperaturas de 40, 60 e 80°C, dentre dos cinco modelos propostos, o modelo de Midilli et al, foi o melhor modelo que melhor ajustou aos dados experimentais. Foi observado que a difusividade efetiva para as sementes de linhaça aumentou com a elevação da temperatura do ar de secagem para a secagem em leito fixo e fluidizado. A dependência da difusividade em relação à temperatura foi descrita pela equação de Arrhenius, por meio da qual se estimou para ambos os processos de secagem.

Tomografia eletromagnética para caracterização de reservatórios de hidrocarbonetos

Na produção de petróleo é importante o monitoramento dos parâmetros do reservatório (permeabilidade, porosidade, saturação, pressão, etc) para o seu posterior gerenciamento. A variação dos parâmetros dinâmicos do reservatório induz variações na dinâmica do fluxo no reservatório, como por exemplo, perdas na pressão, dificultando o processo de extração do óleo. A injeção de fluidos aumenta a energia interna do reservatório e incrementa a pressão, estimulando o movimento do óleo em direção aos poços de extração. A tomografia eletromagnética poço-a-poço pode se tomar em uma técnica bastante eficaz no monitoramento dos processos de injeção, considerando-se o fato de ser altamente detectável a percolação de fluidos condutivos através das rochas. Esta tese apresenta o resultado de um algoritmo de tomografia eletromagnética bastante eficaz aplicado a dados sintéticos. O esquema de imageamento assume uma simetria cilíndrica em torno de uma fonte constituída por um dipolo magnético. Durante o processo de imageamento foram usados 21 transmissores e 21 receptores distribuídos em dois poços distanciados de 100 metros. O problema direto foi resolvido pelo método dos elementos finitos aplicado à equação de Helmhotz do campo elétrico secundário. O algoritmo resultante é válido para qualquer situação, não estando sujeito às restrições impostas aos algoritmos baseados nas aproximações de Born e Rytov. Por isso, pode ser aplicado eficientemente em qualquer situação, como em meios com contrastes de condutividade elétrica variando de 2 a 100, freqüências de 0.1 a 1000.0 kHz e heterogeneidades de qualquer dimensão. O problema inverso foi resolvido por intermédio do algoritmo de Marquardt estabilizado. A solução é obtida iterativamente. Os dados invertidos, com ruído Gaussiano aditivo, são as componentes em fase e em quadratura do campo magnético vertical. Sem o uso de vínculos o problema é totalmente instável, resultando em imagens completamente borradas. Duas categorias de vínculos foram usadas: vínculos relativos, do tipo suavidade, e vínculos absolutos. Os resultados obtidos mostram a eficiência desses dois tipos de vínculos através de imagens nítidas de alta resolução. Os tomogramas mostram que a resolução é melhor na direção vertical do que na horizontal e que é também função da freqüência. A posição e a atitude da heterogeneidade é bem recuperada. Ficou também demonstrado que a baixa resolução horizontal pode ser atenuada ou até mesmo eliminada por intermédio dos vínculos.

Método da propagação de feixe de ângulo largo para análise de guias de ondas ópticos não-lineares

Este trabalho propõe uma extensão do método de propagação de feixe (BPM - Beam Propagation Method) para a análise de guias de ondas ópticos e acopladores baseados em materiais não-lineares do tipo Kerr. Este método se destina à investigação de estruturas onde a utilização da equação escalar de Helmholtz (EEH) em seu limite paraxial não mais se aplica. Os métodos desenvolvidos para este fim são denominados na literatura como métodos de propagação de feixe de ângulo largo. O formalismo aqui desenvolvido é baseado na técnica das diferenças finitas e nos esquemas de Crank-Nicholson (CN) e Douglas generalizado (GD). Estes esquemas apresentam como característica o fato de apresentarem um erro de truncamento em relação ao passo de discretização transversal, Δx, proporcional a O(Δx2) para o primeiro e O(Δx4). A convergência do método em ambos esquemas é otimizada pela utilização de um algoritmo interativo para a correção do campo no meio não-linear. O formalismo de ângulo largo é obtido pela expansão da EEH para os esquemas CN e GD em termos de polinômios aproximantes de Padé de ordem (1,0) e (1,1) para CN e GD, e (2,2) e (3,3) para CN. Os aproximantes de ordem superior a (1,1) apresentam sérios problemas de estabilidade. Este problema é eliminado pela rotação dos aproximantes no plano complexo. Duas condições de contorno nos extremos da janela computacional são também investigadas: 1) (TBC - Transparent Boundary Condition) e 2) condição de contorno absorvente (TAB - Transparent Absorbing Boundary). Estas condições de contorno possuem a facilidade de evitar que reflexões indesejáveis sejam transmitidas para dentro da janela computacional. Um estudo comparativo da influência destas condições de contorno na solução de guias de ondas ópticos não-lineares é também abordada neste trabalho.

Some studies relating to the design of shallow, fluidized bed boilers

The concept of shallow fluidized bed boilers is defined and a preliminary working design for a gas-fired package boiler has been produced. Those areas of the design requiring further study have been specified. Experimental investigations concerning these areas have been carried out. A two-dimensional, conducting paper analog has been developed for the specific purpose of evaluating sheet fins. The analog has been generalised and is presented as a simple means of simulating the general, two-dimensional Helmholtz equation. By recording the transient response of spherical, calorimetric probes when plunged into heated air-fluidized beds, heat transfer coefficients have been measured at bed temperatures up to 1 100°C. A correlation fitting all the data to within ±10% has been obtained. A model of heat transfer to surfaces immersed in high temperature beds has been proposed. The model solutions are, however, only in qualitative agreement with the experimental data. A simple experimental investigation has revealed that the effective, radial, thermal conductivities of shallow fluidized beds are an order of magnitude lower than the axial conductivities. These must, consequently, be taken into account when considering heat transfer to surfaces immersed within fluidized beds. Preliminary work on pre-mixed gas combustion and some further qualitative experiments have been used as the basis for discussing the feasibility of combusting heavy fuel oils within shallow beds. The use of binary beds, within which the fuel could be both gasified and subsequently burnt, is proposed. Finally, the consequences of the experimental studies on the initial design are considered, and suggestions for further work are made.

Theorem for Series in Three-Parameter Mittag-Leffler Function

Mathematics Subject Classification 2010: 26A33, 33E12.

Does Atkinson-Wilcox Expansion Converges for any Convex Domain?

2000 Mathematics Subject Classification: 35C10, 35C20, 35P25, 47A40, 58D30, 81U40.