Diffusive waves in a channel with concentrated lateral inflow

In the current paper an analytical solution for diffusive wave equation with the concentrate-distributed lateral inflow is yielded. Finite-difference numerical method is also employed to validate this model. The backwater effects drawn from lateral inflow on the mainstream are examined finally.

Modelling Lipid Competition Dynamics in Heterogeneous Protocell Populations

Recent experimental work in the field of synthetic protocell biology has shown that prebiotic vesicles are able to 'steal' lipids from each other. This phenomenon is driven purely by asymmetries in the physical state or composition of the vesicle membranes, and, when lipid resource is limited, translates directly into competition amongst the vesicles. Such a scenario is interesting from an origins of life perspective because a rudimentary form of cell-level selection emerges. To sharpen intuition about possible mechanisms underlying this behaviour, experimental work must be complemented with theoretical modelling. The aim of this paper is to provide a coarse-grain mathematical model of protocell lipid competition. Our model is capable of reproducing, often quantitatively, results from core experimental papers that reported distinct types vesicle competition. Additionally, we make some predictions untested in the lab, and develop a general numerical method for quickly solving the equilibrium point of a model vesicle population.

Método numérico de Matriz Resposta acoplado a um esquema de reconstrução espacial analítica para cálculos unidimensionais de transporte de nêutrons na formulação de ordenadas discretas multigrupo de energia com fonte fixa

Um método de Matriz Resposta (MR) é descrito para gerar soluções numéricas livres de erros de truncamento espacial para problemas multigrupo de transporte de nêutrons com fonte fixa e em geometria unidimensional na formulação de ordenadas discretas (SN). Portanto, o método multigrupo MR com esquema iterativo de inversão nodal parcial (NBI) converge valores numéricos para os fluxos angulares nas fronteiras das regiões que coincidem com os valores da solução analítica das equações multigrupo SN, afora os erros de arredondamento da aritmética finita computacional. É também desenvolvido um esquema numérico de reconstrução espacial, que fornece a saída para os fluxos escalares de nêutrons em cada grupo de energia em um intervalo qualquer do domínio definido pelo usuário, com um passo de avanço também escolhido pelo usuário. Resultados numéricos são apresentados para ilustrar a precisão do presente método em cálculos de malha grossa.

Uma dedução dos critérios de multicriticalidade e o cálculo de pontos tricríticos via otimização global

Uma dedução dos critérios de multicriticalidade para o cálculo de pontos críticos de qualquer ordem representa a formalização de ideias utilizadas para calcular pontos críticos e tricríticos e ainda amplia tais ideias. De posse desta dedução pode-se compreender os critérios de tricriticalidade e, com isso, através de uma abordagem via problema de otimização global pode-se fazer o cálculo de pontos tricríticos utilizando um método numérico adequado de otimização global. Para evitar um excesso de custo computacional com rotinas numéricas utilizou-se aproximações na forma de diferenças finitas dos termos que compõem a função objetivo. Para simular a relação P v - T optou-se pela equação de estado cúbica de Peng-Robinson e pela regra clássica de fluidos de van der Vaals, para modelagem do problema também se calculou os tensores de ordem 2, 3, 4 e 5 da função do teste de estabilidade. Os resultados obtidos foram comparados com dados experimentais e por resultados obtidos com outros autores que utilizaram métodos numéricos, equação de estado ou abordagem diferente das utilizadas neste trabalho.

Um metodo numerico com paralelismo no tempo para aproximar solucoes de EDPs

Este trabalho de pesquisa tem por objetivo apresentar e investigar a viabilidade de um método numérico que contempla o paralelismo no tempo. Este método numérico está associado a problemas de condição inicial e de contorno para equações diferenciais parciais (evolutivas). Diferentemente do método proposto neste trabalho, a maioria dos métodos numéricos associados a equações diferencias parciais evolutivas e tradicionalmente encontrados, contemplam apenas o paralelismo no espaço. Daí, a motivação em realizar o presente trabalho de pesquisa, buscando não somente um método com paralelismo no tempo mas, sobretudo, um método viável do ponto de vista computacional. Para isso, a implementação do esquema numérico proposto está por conta de um algoritmo paralelo escrito na linguagem C e que utiliza a biblioteca MPI. A análise dos resultados obtidos com os testes de desempenho revelam um método numérico escalável e que exige pouco nível de comunicação entre processadores.

Átomos hidrogenoides em espaços com dimensionalidade D6=3: os casos não relativístico e relativístico

A possibilidade da existência de átomos de hidrogênio estáveis em dimensões superiores a três é abordada. O problema da dimensionalidade é visto como um problema de Física, no qual relacionam-se algumas leis físicas com a dimensão espacial. A base da análise deste trabalho faz uso das equações de Schrödinger (não relativística) e de Dirac (relativística). Nos dois casos, utiliza-se a generalização tanto do setor cinemático bem como o setor de interação coulombiana para variar o parâmetro topológico dimensão. Para o caso não relativístico, os auto-valores de energia e as auto-funções são obtidas através do método numérico de Numerov. Embora existam soluções em espaços com dimensões superiores, os resultados obtidos no presente trabalho indicam que a natureza deve, de alguma maneira, se manifestar em um espaço tridimensional.

Implementação paralelizada de métodos de resolução de sistemas algébricos na simulação de reservatórios de gás

Desde a década de 1960, devido à pertinência para a indústria petrolífera, a simulação numérica de reservatórios de petróleo tornou-se uma ferramenta usual e uma intensa área de pesquisa. O principal objetivo da modelagem computacional e do uso de métodos numéricos, para a simulação de reservatórios de petróleo, é o de possibilitar um melhor gerenciamento do campo produtor, de maneira que haja uma maximização na recuperação de hidrocarbonetos. Este trabalho tem como objetivo principal paralelizar, empregando a interface de programação de aplicativo OpenMP (Open Multi-Processing), o método numérico utilizado na resolução do sistema algébrico resultante da discretização da equação que descreve o escoamento monofásico em um reservatório de gás, em termos da variável pressão. O conjunto de equações governantes é formado pela equação da continuidade, por uma expressão para o balanço da quantidade de movimento e por uma equação de estado. A Equação da Difusividade Hidráulica (EDH), para a variável pressão, é obtida a partir deste conjunto de equações fundamentais, sendo então discretizada pela utilização do Método de Diferenças Finitas, com a escolha por uma formulação implícita. Diferentes testes numéricos são realizados a fim de estudar a eficiência computacional das versões paralelizadas dos métodos iterativos de Jacobi, Gauss-Seidel, Sobre-relaxação Sucessiva, Gradientes Conjugados (CG), Gradiente Biconjugado (BiCG) e Gradiente Biconjugado Estabilizado (BiCGStab), visando a uma futura aplicação dos mesmos na simulação de reservatórios de gás. Ressalta-se que a presença de heterogeneidades na rocha reservatório e/ou às não-linearidades presentes na EDH para o escoamento de gás aumentam a necessidade de métodos eficientes do ponto de vista de custo computacional, como é o caso de estratégias usando OpenMP.

Hydrodynamic entrapment of bacteria swimming near a solid surface.

The near-surface motility of bacteria is important in the initial formation of biofilms and in many biomedical applications. The swimming motion of Escherichia coli near a solid surface is investigated both numerically and experimentally. A boundary element method is used to predict the hydrodynamic entrapment of E. coli bacteria, their trajectories, and the minimum separation of the cell from the surface. The numerical results show the existence of a stable swimming distance from the boundary that depends only on the shape of the cell body and the flagellum. The experimental validation of the numerical approach allows one to use the numerical method as a predictive tool to estimate with reasonable accuracy the near-wall motility of swimming bacteria of known geometry. The analysis of the numerical database demonstrated the existence of a correlation between the radius of curvature of the near-wall circular trajectory and the separation gap. Such correlation allows an indirect estimation of either of the two quantities by a direct measure of the other without prior knowledge of the cell geometry. This result may prove extremely important in those biomedical and technical applications in which the near-wall behavior of bacteria is of fundamental importance.

Simulation of three-dimensional viscous flow in turbomachinery geometries using a solution-adaptive unstructured mesh methodology

This paper presents a numerical method for the simulation of flow in turbomachinery blade rows using a solution-adaptive mesh methodology. The fully three-dimensional, compressible, Reynolds-averaged Navier-Stokes equations with k-ε turbulence modeling (and low Reynolds number damping terms) are solved on an unstructured mesh formed from tetrahedral finite volumes. At stages in the solution, mesh refinement is carried out based on flagging cell faces with either a fractional variation of a chosen variable (like Mach number) greater than a given threshold or with a mean value of the chosen variable within a given range. Several solutions are presented, including that for the highly three-dimensional flow associated with the corner stall and secondary flow in a transonic compressor cascade, to demonstrate the potential of the new method.

On the diffraction of acoustic waves by a quarter-plane

This paper follows the work of A.V. Shanin on diffraction by an ideal quarter-plane. Shanin's theory, based on embedding formulae, the acoustic uniqueness theorem and spherical edge Green's functions, leads to three modified Smyshlyaev formulae, which partially solve the far-field problem of scattering of an incident plane wave by a quarter-plane in the Dirichlet case. In this paper, we present similar formulae in the Neumann case, and describe a numerical method allowing a fast computation of the diffraction coefficient using Shanin's third modified Smyshlyaev formula. The method requires knowledge of the eigenvalues of the Laplace-Beltrami operator on the unit sphere with a cut, and we also describe a way of computing these eigenvalues. Numerical results are given for different directions of incident plane wave in the Dirichlet and the Neumann cases, emphasising the superiority of the third modified Smyshlyaev formula over the other two. © 2011 Elsevier B.V.

Predicting the acoustics of squeak and rattle

This paper discusses the development of a computationally efficient numerical method for predicting the acoustics of rattle events upfront in the design cycle. The method combines Finite Elements, Boundary Elements and SEA and enables the loudness of a large number of rattle events to be efficiently predicted across a broad frequency range. A low frequency random vibro-acoustic model is used in conjunction with various closed form analytical expressions in order to quickly predict impact probabilities and locations. An existing method has been extended to estimate the statistics of the contact forces across a broad frequency range. Finally, broadband acoustic radiation is predicted using standard low, mid and high frequency vibro-acoustic methods and used to estimate impact loudness. The approach is discussed and a number of validation examples are presented.

Single-mode condition for silicon rib waveguides with large cross sections

The single-mode condition for silicon rib waveguides with large cross sections is obtained using a numerical method based on the finite-difference beam propagation method (FD-BPM). An ultrawide computation window is used to contain the wide mode profile near cutoff. Comparison with previous results shows that the formula predicted by the mode-matching technique is in a better agreement with our results. (C) 2004 Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers.

Single-mode condition for silicon rib waveguides with trapezoidal cross-section

Single-mode condition for silicon rib waveguides with trapezoidal cross-section was obtained using a numerical method based on imaginary-distance beam propagation method with non-uniform discretization. Both quasi-transverse-electric and quasi-transverse-magnetic modes were investigated. Simulated single-mode condition is given by a modified equation. Comparison with reported results shows that the Marcatili's method is in a better agreement with our results. (C) 2003 Elsevier B.V. All rights reserved.

Theoretical analysis about the influence of channel layer thickness on the 2D electron gas and its distribution in InP-based high-electron-mobility transistors

The principle of high-electron-mobility transistor (HEMT) and the property of two-dimensional electron gas (2DEG) have been analyzed theoretically. The concentration and distribution of 2DEG in various channel layers are calculated by numerical method. Variation of 2DEG concentration in different subband of the quantum well is discussed in detail. Calculated results show that sheet electron concentration of 2DEG in the channel is affected slightly by the thickness of the channel. But the proportion of electrons inhabited in different subbands can be affected by the thickness of the channel. When the size of channel lies between 20-25 nm, the number of electrons occupying the second subband reaches the maximum. This result can be used in parameter design of materials and devices.

Influence of mode symmetry on quality factors of degenerate states in microlasers with an equilateral triangle resonator

Modes in equilateral triangle resonator (ETR) are analyzed and classified according to the irreducible representations of the point group C-3v., Both the analytical method based on the far field emission and the numerical method by FDTD technique are used to calculate the quality factors (Q-factors) of the doubly degenerate states in ETR. Results obtained from the two methods are in reasonable agreement. Considering the different symmetry properties of the doubly degenerate eigenstates, we also discuss the ETR joined with an output waveguide at one of the vertices by FDTD technique and the Pade approximation. The variation of Q-factors versus width of output waveguide is analyzed. The numerical results show that doubly degenerate eigenstates of TM0.36 and TM0.38 whose wavelengths are around 1.5 mu m in the resonator with side-length of 5 mu m have the Q-factors larger than 1000 when the width of the output waveguide is smaller than 0.4 mu m. When the width of the output waveguide is set to 0.3 mu m, the symmetrical states that are more efficiently coupled to output waveguide have Q-factors about 8000, which are over 3 times larger than those of asymmetric state.