Numerical modelling of radionuclide migration in near-surface systems

Em todo o mundo são usados, hoje em dia, modelos numéricos hidrogeoquímicos para simular fenómenos naturais e fenómenos decorrentes de actividades antrópicas. Estes modelos ajudam-nos a compreender o ambiente envolvente, a sua variabilidade espacial e evolução temporal. No presente trabalho apresenta-se o desenvolvimento de modelos numéricos hidrogeoquímicos aplicados no contexto do repositório geológico profundo para resíduos nucleares de elevada actividade. A avaliação da performance de um repositório geológico profundo inclui o estudo da evolução geoquímica do repositório, bem como a análise dos cenários de mau funcionamento do repositório, e respectivas consequências ambientais. Se se escaparem acidentalmente radionuclídeos de um repositório, estes poderão atravessar as barreiras de engenharia e barreiras naturais que constituem o repositório, atingindo eventualmente, os ecosistemas superficiais. Neste caso, os sedimentos subsuperficiais constituem a última barreira natural antes dos ecosistemas superficiais. No presente trabalho foram desenvolvidos modelos numéricos que integram processos biogeoquímicos, geoquímicos, hidrodinâmicos e de transporte de solutos, para entender e quantificar a influência destes processos na mobilidade de radionuclídeos em sistemas subsuperficiais. Os resultados alcançados reflectem a robustez dos instrumentos numéricos utilizados para desenvolver simulações descritivas e predictivas de processos hidrogeoquímicos que influenciam a mobilidade de radionuclídeos. A simulação (descritiva) de uma experiência laboratorial revela que a actividade microbiana induz a diminuição do potencial redox da água subterrânea que, por sua vez, favorece a retenção de radionuclídeos sensíveis ao potencial redox, como o urânio. As simulações predictivas indicam que processos de co-precipitação com minerais de elementos maioritários, precipitação de fases puras, intercâmbio catiónico e adsorção à superfície de minerais favorecem a retenção de U, Cs, Sr e Ra na fase sólida de uma argila glaciar e uma moreia rica em calcite. A etiquetagem dos radionuclídeos nas simulações numéricas permitiu concluir que a diluição isotópica joga um papel importante no potencial impacte dos radionuclídeos nos sistemas subsuperficiais. A partir dos resultados das simulações numéricas é possivel calcular coeficientes de distribuição efectivos. Esta metodologia proporciona a simulação de ensaios de traçadores de longa duração que não seriam exequíveis à escala da vida humana. A partir destas simulações podem ser obtidos coeficientes de retardamento que são úteis no contexto da avaliação da performance de repositórios geológicos profundos.

Hydraulics of stepped chutes: experimental-numerical-theoretical study

O estudo de escoamentos turbulentos em descarregadores em degraus tem sido um desafio para os investigadores. A macro-rugosidade do leito, a ondulação da superfície livre, a intermitência da localização da secção inicial de entrada de ar e o escoamento bi-fásico a jusante da secção inicial de entrada de ar fazem com que a caracterização do escoamento deslizante sobre turbilhões em descarregadores em degraus não seja simples. Actualmente, é possível combinar técnicas de medição fiáveis com simulações numéricas e análise teórica. Nesta dissertação, o estudo experimental baseia-se em resultados experimentais obtidos em duas instalações experimentais: a instalação A, do Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC), dotada de um descarregador em degraus com declive de 1V:0.75H e a instalação B, do Instituto Superior Técnico (IST), dotada de um descarregador em degraus com declive de 1V:2H. Uma sonda de ar, um tubo de Pitot modificado e vários hidrómetros permitiram o estudo do escoamento deslizante sobre turbilhões mono- e bifásico ao longo do descarregador em degraus da instalação A. Na bacia de dissipação de energia, a observação visual do escoamento foi auxiliada pelas leituras efectuadas em tomadas de pressão localizadas na soleira da bacia e pelas leituras da altura do escoamento efectuadas em réguas graduadas localizadas nas paredes da bacia. Na instalação B foram utilizados um tubo de Pitot e vários hidrómetros para estudar a região não arejada do escoamento deslizante sobre turbilhões no descarregador em degraus. O estudo numérico é baseado em simulações numéricas da região não arejada do escoamento deslizante sobre turbilhões sobre descarregadores em degraus com o código comercial de CFD FLOW-3D® de modo a reproduzir as condições ensaiadas experimentalmente. As simulações beneficiaram da técnica de blocos múltiplos (multi-block) num sistema de coordenadas cartesianas, da determinação da superfície livre pelo método TruVOF e da utilização de dois modelos de turbulência: os modelos k- e RNG k-. Por último, o estudo teórico consistiu em desenvolver um modelo simplificado 1D para determinar as características hidráulicas principais do trecho não arejado do escoamento deslizante sobre turbilhões em descarregadores em degraus. O modelo foi desenvolvido a partir das equações de Navier-Stokes, conjuntamente com resultados experimentais e numéricos. Os resultados apresentados nesta dissertação contribuem para o conhecimento do escoamento deslizante sobre turbilhões em descarregadores em degraus, nomeadamente na região não arejada, na secção inicial de entrada de ar e na região arejada. A hidráulica dos dissipadores de energia a jusante de descarregadores em degraus, em particular das bacias tipo III do USBR, é também objecto de estudo. Em relação à região não arejada do escoamento em descarregadores com declive acentuado, e com base em resultados experimentais e numéricos, são propostas expressões para estimar o desenvolvimento da altura equivalente de água, da espessura da camada limite, da concentração média de ar, do coeficiente de energia cinética, da dissipação de energia, do factor de resistência e do coeficiente n da fórmula de Manning. São ainda propostas expressões adimensionais para a energia cinética turbulenta e sua dissipação. Para declives moderados, são propostas expressões para estimar o desenvolvimento da altura equivalente de água, do coeficiente de energia cinética e da energia específica residual. São ainda apresentados valores do expoente 1/N da expressão adimensional da distribuição de velocidades, quer para descarregadores com declive acentuado quer com declive moderado. Em conformidade com outros estudos centrados em escoamentos de parede e com derivações teóricas, para a região não arejada do escoamento em descarregadores em degraus de acentuado declive, observa-se que o factor de resistência depende da macro-rugosidade criada pelos degraus e da geometria da secção transversal e que o coeficiente n da fórmula de Manning aumenta com a rugosidade. A descrição estatística da turbulência do escoamento é igualmente explorada, contribuindo para o conhecimento da estrutura do escoamento. Observou-se que para números de Reynolds rugoso não superiores a 6.8x104 a energia cinética turbulência e a sua dissipação cumprem leis de semelhança. Estas expressões adimensionais estão de acordo com os resultados obtidos por outros autores para escoamentos completamente desenvolvidos em canais abertos e no escoamento em rios com leito de gravilha. Em acréscimo, a taxa de dissipação de energia, quer para descarregadores de declive acentuado quer de moderado declive, é baixa. Por último, observa-se que os valores da média temporal da concentração de ar entre 0 e 1 medidos na região não arejada do escoamento dizem respeito não só ao ar capturado entre ondas de água, na zona de ondulação da superfície livre, mas também ao ar emulsionado no escoamento, i.e., sob a forma de bolhas de ar, quando perto da secção média inicial de entrada de ar, devido à diferença entre localizações instantânea e média temporal. Foram revistas metodologias e fórmulas para estimar a localização da secção inicial de entrada de ar e apresentadas expressões para estimar a concentração média de ar e a altura equivalente de água nessa secção. Relativamente à região de escoamento arejado em descarregadores em degraus com declive acentuado, os resultados experimentais apresentados nesta dissertação permitiram estimar a influência da definição da superfície livre nos parâmetros hidráulicos da região do escoamento arejado e estimar a máxima elevação do escoamento nesta região do escoamento. Com base nos resultados experimentais obtidos na bacia de dissipação de energia do tipo III do USBR localizada a jusante do descarregador em degraus da instalação A, observou-se que os perfis da altura piezométrica e da altura do escoamento tendem a seguir o perfil recomendado pelo USBR para bacias tipo III. A excepção ocorre à entrada da bacia, onde as alturas piezométricas apresentadas nesta dissertação excedem largamente as apresentadas pelo USBR. É ainda observado que, tal como entre as bacias tipo I e tipo III do USBR, o ressalto hidráulico estabiliza muito mais rapidamente numa bacia tipo III a jusante de um descarregador em degraus do que uma bacia tipo I a jusante do mesmo descarregador em degraus. Finalmente, observa-se que os blocos de amortecimento a colocar no descarregador não têm influência visível nos resultados da altura piezométrica nem da altura do escoamento ao longo da bacia. Relativamente às simulações numéricas do escoamento não arejado, a proximidade entre resultados experimentais e numéricos permite validar o modelo teórico e a integração numérica usados no FLOW-3D®. As simulações desenvolvidas também mostraram que o modelo de turbulência k- permite representar as características do escoamento não arejado em descarregadores em degraus, uma vez que não foram observadas diferenças significativas entre as simulações com este modelo e com o modelo RNG k-. Finalmente, observou-se que o modelo de entrada de ar usado no FLOW-3D® é válido para estimar a localização da secção inicial de entrada de ar. Por último, a proximidade entre os resultados obtidos da aplicação do modelo teórico desenvolvido no âmbito desta dissertação e os resultados experimentais indica que as hipóteses e simplificações consideradas no desenvolvimento do modelo são adequadas.

Numerical analysis of the initial conditions in fractional systems

Fractional dynamics is a growing topic in theoretical and experimental scientific research. A classical problem is the initialization required by fractional operators. While the problem is clear from the mathematical point of view, it constitutes a challenge in applied sciences. This paper addresses the problem of initialization and its effect upon dynamical system simulation when adopting numerical approximations. The results are compatible with system dynamics and clarify the formulation of adequate values for the initial conditions in numerical simulations.

Numerical analysis of the initial conditions in fractional systems

Fractional dynamics is a growing topic in theoretical and experimental scientific research. A classical problem is the initialization required by fractional operators. While the problem is clear from the mathematical point of view, it constitutes a challenge in applied sciences. This paper addresses the problem of initialization and its effect upon dynamical system simulation when adopting numerical approximations. The results are compatible with system dynamics and clarify the formulation of adequate values for the initial conditions in numerical simulations.

Experimental measurement and numerical simulation of horizontal-coupled slinky ground source heat exchangers

Results from both experimental measurements and 3D numerical simulations of Ground Source Heat Pump systems (GSHP) at a UK climate are presented. Experimental measurements of a horizontal-coupled slinky GSHP were undertaken in Talbot Cottage at Drayton St Leonard site, Oxfordshire, UK. The measured thermophysical properties of in situ soil were used in the CFD model. The thermal performance of slinky heat exchangers for the horizontal-coupled GSHP system for different coil diameters and slinky interval distances was investigated using a validated 3D model. Results from a two month period of monitoring the performance of the GSHP system showed that the COP decreased with the running time. The average COP of the horizontal-coupled GSHP was 2.5. The numerical prediction showed that there was no significant difference in the specific heat extraction of the slinky heat exchanger at different coil diameters. However, the larger the diameter of coil, the higher the heat extraction per meter length of soil. The specific heat extraction also increased, but the heat extraction per meter length of soil decreased with the increase of coil central interval distance.

Cloud-resolving simulations of deep convection over a heated mountain

Cloud-resolving numerical simulations of airflow over a diurnally heated mountain ridge are conducted to explore the mechanisms and sensitivities of convective initiation under high pressure conditions. The simulations are based on a well-observed convection event from the Convective and Orographically Induced Precipitation Study (COPS) during summer 2007, where an isolated afternoon thunderstorm developed over the Black Forest mountains of central Europe, but they are idealized to facilitate understanding and reduce computational expense. In the conditionally unstable but strongly inhibited flow under consideration, sharp horizontal convergence over the mountain acts to locally weaken the inhibition and moisten the dry midtroposphere through shallow cumulus detrainment. The onset of deep convection occurs not through the deep ascent of a single updraft but rather through a rapid succession of thermals that are vented through the mountain convergence zone into the deepening cloud mass. Emerging thermals rise through the saturated wakes of their predecessors, which diminishes the suppressive effects of entrainment and allows for rapid glaciation above the freezing level as supercooled cloud drops rime onto preexisting ice particles. These effects strongly enhance the midlevel cloud buoyancy and enable rapid ascent to the tropopause. The existence and vigor of the convection is highly sensitive to small changes in background wind speed U0, which controls the strength of the mountain convergence and the ability of midlevel moisture to accumulate above the mountain. Whereas vigorous deep convection develops for U0 = 0 m s−1, deep convection is completely eliminated for U0 = 3 m s−1. Although deep convection is able to develop under intermediate winds (U0 = 1.5 m s−1), its formation is highly sensitive to small-amplitude perturbations in the initial flow.

An integrated study of urban microclimates in Chongqing, China: historical weather data, transverse measurement and numerical simulation

Chongqing is the largest central-government-controlled municipality in China, which is now under going a rapid urbanization. The question remains open: What are the consequences of such rapid urbanization in Chongqing in terms of urban microclimates? An integrated study comprising three different research approaches is adopted in the present paper. By analyzing the observed annual climate data, an average rising trend of 0.10◦C/decade was found for the annual mean temperature from 1951 to 2010 in Chongqing,indicating a higher degree of urban warming in Chongqing. In addition, two complementary types of field measurements were conducted: fixed weather stations and mobile transverse measurement. Numerical simulations using a house-developed program are able to predict the urban air temperature in Chongqing.The urban heat island intensity in Chongqing is stronger in summer compared to autumn and winter.The maximum urban heat island intensity occurs at around midnight, and can be as high as 2.5◦C. In the day time, an urban cool island exists. Local greenery has a great impact on the local thermal environment.Urban green spaces can reduce urban air temperature and therefore mitigate the urban heat island. The cooling effect of an urban river is limited in Chongqing, as both sides of the river are the most developed areas, but the relative humidity is much higher near the river compared with the places far from it.

A numerical investigation of the atmosphere-ocean thermal contrast over the coastal upwelling region of Cabo Frio, Brazil

An one-dimensional atmospheric second order closure model, coupled to an oceanic mixed layer model, is used to investigate the short term variation of the atmospheric and oceanic boundary layers in the coastal upwelling area of Cabo Frio, Brazil (23 degrees S, 42 degrees 08`W). The numerical simulations were carried out to evaluate the impact caused by the thermal contrast between atmosphere and ocean on the vertical extent and other properties of both atmospheric and oceanic boundary layers. The numerical simulations were designed taking as reference the observations carried out during the passage of a cold front that disrupted the upwelling regime in Cabo Frio in July of 1992. The simulations indicated that in 10 hours the mechanical mixing, sustained by a constant background flow of 10 in s(-1), increases the atmospheric boundary layer in 214 in when the atmosphere is initially 2 K warmer than the ocean (positive thermal contrast observed during upwelling regime). For an atmosphere initially -2 K colder than the ocean (negative thermal contrast observed during passage of the cold front), the incipient thermal convection intensifies the mechanical mixing increasing the vertical extent of the atmospheric boundary layer in 360 in. The vertical evolution of the atmospheric boundary layer is consistent with the observations carried out in Cabo Frio during upwelling condition. When the upwelling is disrupted, the discrepancy between the simulated and observed atmospheric boundary layer heights in Cabo Frio during July of 1992 increases considerably. During the period of 10 hours, the simulated oceanic mixed layer deepens 2 in and 5.4 in for positive and negative thermal contrasts of 2 K and -2 K, respectively. In the latter case, the larger vertical extent of the oceanic mixed layer is due to the presence of thermal convection in the atmospheric boundary layer, which in turn is associated to the absence of upwelling caused by the passage of cold fronts in Cabo Frio.

SIMULATIONS OF WINDS OF WEAK-LINED T TAURI STARS. II. THE EFFECTS OF A TILTED MAGNETOSPHERE AND PLANETARY INTERACTIONS

Based on our previous work, we investigate here the effects on the wind and magnetospheric structures of weak-lined T Tauri stars due to a misalignment between the axis of rotation of the star and its magnetic dipole moment vector. In such a configuration, the system loses the axisymmetry presented in the aligned case, requiring a fully three-dimensional (3D) approach. We perform 3D numerical magnetohydrodynamic simulations of stellar winds and study the effects caused by different model parameters, namely the misalignment angle theta(t), the stellar period of rotation, the plasma-beta, and the heating index.. Our simulations take into account the interplay between the wind and the stellar magnetic field during the time evolution. The system reaches a periodic behavior with the same rotational period of the star. We show that the magnetic field lines present an oscillatory pattern. Furthermore, we obtain that by increasing theta(t), the wind velocity increases, especially in the case of strong magnetic field and relatively rapid stellar rotation. Our 3D, time-dependent wind models allow us to study the interaction of a magnetized wind with a magnetized extrasolar planet. Such interaction gives rise to reconnection, generating electrons that propagate along the planet`s magnetic field lines and produce electron cyclotron radiation at radio wavelengths. The power released in the interaction depends on the planet`s magnetic field intensity, its orbital radius, and on the stellar wind local characteristics. We find that a close-in Jupiter-like planet orbiting at 0.05 AU presents a radio power that is similar to 5 orders of magnitude larger than the one observed in Jupiter, which suggests that the stellar wind from a young star has the potential to generate strong planetary radio emission that could be detected in the near future with LOFAR. This radio power varies according to the phase of rotation of the star. For three selected simulations, we find a variation of the radio power of a factor 1.3-3.7, depending on theta(t). Moreover, we extend the investigation done in Vidotto et al. and analyze whether winds from misaligned stellar magnetospheres could cause a significant effect on planetary migration. Compared to the aligned case, we show that the timescale tau(w) for an appreciable radial motion of the planet is shorter for larger misalignment angles. While for the aligned case tau(w) similar or equal to 100 Myr, for a stellar magnetosphere tilted by theta(t) = 30 degrees, tau(w) ranges from similar to 40 to 70 Myr for a planet located at a radius of 0.05 AU. Further reduction on tau(w) might occur for even larger misalignment angles and/or different wind parameters.

SIMULATIONS OF WINDS OF WEAK-LINED T TAURI STARS: THE MAGNETIC FIELD GEOMETRY AND THE INFLUENCE OF THE WIND ON GIANT PLANET MIGRATION

By means of numerical simulations, we investigate magnetized stellar winds of pre-main-sequence stars. In particular, we analyze under which circumstances these stars will present elongated magnetic features (e.g., helmet streamers, slingshot prominences, etc). We focus on weak-lined T Tauri stars, as the presence of the tenuous accretion disk is not expected to have strong influence on the structure of the stellar wind. We show that the plasma-beta parameter (the ratio of thermal to magnetic energy densities) is a decisive factor in defining the magnetic configuration of the stellar wind. Using initial parameters within the observed range for these stars, we show that the coronal magnetic field configuration can vary between a dipole-like configuration and a configuration with strong collimated polar lines and closed streamers at the equator (multicomponent configuration for the magnetic field). We show that elongated magnetic features will only be present if the plasma-beta parameter at the coronal base is beta(0) << 1. Using our self-consistent three-dimensional magnetohydrodynamics model, we estimate for these stellar winds the timescale of planet migration due to drag forces exerted by the stellar wind on a hot-Jupiter. In contrast to the findings of Lovelace et al., who estimated such timescales using the Weber and Davis model, our model suggests that the stellar wind of these multicomponent coronae are not expected to have significant influence on hot-Jupiters migration. Further simulations are necessary to investigate this result under more intense surface magnetic field strengths (similar to 2-3 kG) and higher coronal base densities, as well as in a tilted stellar magnetosphere.

Numerical study of the atmospheric flow over a coastal cliff

This work presents a numerical method suitable for the study of the development of internal boundary layers (IBL) and their characteristics for flows over various types of coastal cliffs. The IBL is an important meteorological occurrence for flows with surface roughness and topographical step changes. A two-dimensional flow program was used for this study. The governing equations were written using the vorticity-velocity formulation. The spatial derivatives were discretized by high-order compact finite differences schemes. The time integration was performed with a low storage fourth-order Runge-Kutta scheme. The coastal cliff (step) was specified through an immersed boundary method. The validation of the code was done by comparison of the results with experimental and observational data. The numerical simulations were carried out for different coastal cliff heights and inclinations. The results show that the predominant factors for the height of the IBL and its characteristics are the upstream velocity, and the height and form (inclination) of the coastal cliff. Copyright (C) 2010 John Wiley & Sons, Ltd.

Open Circuit Interaction of Formic Acid with Oxidized Pt Surfaces: Experiments, Modeling, and Simulations

We report in this work the study of the interaction between formic acid and an oxidized platinum surface under open circuit conditions. The investigation was carried out with the aid of in situ infrared spectroscopy, and results analyzed in terms of a mathematical model and numerical simulations. It has been found that during the first seconds of the interaction a small amount of CO(2) is produced and absolutely no adsorbed CO was observed. A sudden drop in potential then follows, which is accompanied by a steep increase first of CO(2) production and then by adsorbed CO. The steep transient was rationalized in terms of an autocatalytic production of free platinum sites which enhances the overall rate of reaction. Modeling and simulation showed nearly quantitative agreement with the experimental observations and provided further insight into some experimentally inaccessible variables such as surface free sites. Finally, based on the understanding provided from the combined experimental and theoretical approach, we discuss the general aspects influencing the open circuit transient.

Numerical simulation of drop impact and jet buckling problems using the eXtended Pom-Pom model

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Determination of the numerical parameters of a continuous damage model for the structural analysis of clay brick masonry

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

NUMERICAL SIMULATION of THE BEHAVIOR of THE BEHAVIOR of REINFORCED CONCRETE BEAMS and COLUMNS BY FEM CAASTEM 2000 PROGRAM

The objective of this paper is the numerical study of the behavior of reinforced concrete beams and columns by non-linear numerical simulations. The numerical analysis is based on the finite element method implemented in CASTEM 2000. This program uses the constitutive elastoplastic perfect model for the steel, the Drucker-Prager model for the concrete and the Newton-Raphson for the solution of non-linear systems. This work concentrates on the determination of equilibrium curves to the beams and force-strain curves to the columns. The numeric responses are confronted with experimental results found in the literature in order to check there liability of the numerical analyses.