Non-linear couette flow with heat transfer using the B-G-K model

In recent years a large number of investigators have devoted their efforts to the study of flow and heat transfer in rarefied gases, using the BGK [1] model or the Boltzmann kinetic equation. The velocity moment method which is based on an expansion of the distribution function as a series of orthogonal polynomials in velocity space, has been applied to the linearized problem of shear flow and heat transfer by Mott-Smith [2] and Wang Chang and Uhlenbeck [3]. Gross, Jackson and Ziering [4] have improved greatly upon this technique by expressing the distribution function in terms of half-range functions and it is this feature which leads to the rapid convergence of the method. The full-range moments method [4] has been modified by Bhatnagar [5] and then applied to plane Couette flow using the B-G-K model. Bhatnagar and Srivastava [6] have also studied the heat transfer in plane Couette flow using the linearized B-G-K equation. On the other hand, the half-range moments method has been applied by Gross and Ziering [7] to heat transfer between parallel plates using Boltzmann equation for hard sphere molecules and by Ziering [83 to shear and heat flow using Maxwell molecular model. Along different lines, a moment method has been applied by Lees and Liu [9] to heat transfer in Couette flow using Maxwell's transfer equation rather than the Boltzmann equation for distribution function. An iteration method has been developed by Willis [10] to apply it to non-linear heat transfer problems using the B-G-K model, with the zeroth iteration being taken as the solution of the collisionless kinetic equation. Krook [11] has also used the moment method to formulate the equivalent continuum equations and has pointed out that if the effects of molecular collisions are described by the B-G-K model, exact numerical solutions of many rarefied gas-dynamic problems can be obtained. Recently, these numerical solutions have been obtained by Anderson [12] for the non-linear heat transfer in Couette flow,

Smooth DMS-FEM: A new approach to solving nearly incompressible nonlinear elasto-static problems

The DMS-FEM, which enables functional approximations with C(1) or still higher inter-element continuity within an FEM-based meshing of the domain, has recently been proposed by Sunilkumar and Roy [39,40]. Through numerical explorations on linear elasto-static problems, the method was found to have conspicuously superior convergence characteristics as well as higher numerical stability against locking. These observations motivate the present study, which aims at extending and exploring the DMS-FEM to (geometrically) nonlinear elasto-static problems of interest in solid mechanics and assessing its numerical performance vis-a-vis the FEM. In particular, the DMS-FEM is shown to vastly outperform the FEM (presently implemented through the commercial software ANSYS (R)) as the former requires fewer linearization and load steps to achieve convergence. In addition, in the context of nearly incompressible nonlinear systems prone to volumetric locking and with no special numerical artefacts (e.g. stabilized or mixed weak forms) employed to arrest locking, the DMS-FEM is shown to approach the incompressibility limit much more closely and with significantly fewer iterations than the FEM. The numerical findings are suggestive of the important role that higher order (uniform) continuity of the approximated field variables play in overcoming volumetric locking and the great promise that the method holds for a range of other numerically ill-conditioned problems of interest in computational structural mechanics. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

A numerical approach to determine the sufficiency of given boundary data sets for uniquely estimating interior elastic properties

We consider an inverse elasticity problem in which forces and displacements are known on the boundary and the material property distribution inside the body is to be found. In other words, we need to estimate the distribution of constitutive properties using the finite boundary data sets. Uniqueness of the solution to this problem is proved in the literature only under certain assumptions for a given complete Dirichlet-to-Neumann map. Another complication in the numerical solution of this problem is that the number of boundary data sets needed to establish uniqueness is not known even under the restricted cases where uniqueness is proved theoretically. In this paper, we present a numerical technique that can assess the sufficiency of given boundary data sets by computing the rank of a sensitivity matrix that arises in the Gauss-Newton method used to solve the problem. Numerical experiments are presented to illustrate the method.

Domain decomposition hybrid method for numerical simulation of bluff body flows:theoretical model and application

The discrete vortex method is not capable of precisely predicting the bluff body flow separation and the fine structure of flow field in the vicinity of the body surface. In order to make a theoretical improvement over the method and to reduce the difficulty in finite-difference solution of N-S equations at high Reynolds number, in the present paper, we suggest a new numerical simulation model and a theoretical method for domain decomposition hybrid combination of finite-difference method and vortex method. Specifically, the full flow. field is decomposed into two domains. In the region of O(R) near the body surface (R is the characteristic dimension of body), we use the finite-difference method to solve the N-S equations and in the exterior domain, we take the Lagrange-Euler vortex method. The connection and coupling conditions for flow in the two domains are established. The specific numerical scheme of this theoretical model is given. As a preliminary application, some numerical simulations for flows at Re=100 and Re-1000 about a circular cylinder are made, and compared with the finite-difference solution of N-S equations for full flow field and experimental results, and the stability of the solution against the change of the interface between the two domains is examined. The results show that the method of the present paper has the advantage of finite-difference solution for N-S equations in precisely predicting the fine structure of flow field, as well as the advantage of vortex method in efficiently computing the global characteristics of the separated flow. It saves computer time and reduces the amount of computation, as compared with pure N-S equation solution. The present method can be used for numerical simulation of bluff body flow at high Reynolds number and would exhibit even greater merit in that case.

Energy inequalities and error estimates for axisymmetric torsion of thin elastic shells of revolution

The problem motivating this investigation is that of pure axisymmetric torsion of an elastic shell of revolution. The analysis is carried out within the framework of the three-dimensional linear theory of elastic equilibrium for homogeneous, isotropic solids. The objective is the rigorous estimation of errors involved in the use of approximations based on thin shell theory.

The underlying boundary value problem is one of Neumann type for a second order elliptic operator. A systematic procedure for constructing pointwise estimates for the solution and its first derivatives is given for a general class of second-order elliptic boundary-value problems which includes the torsion problem as a special case.

The method used here rests on the construction of “energy inequalities” and on the subsequent deduction of pointwise estimates from the energy inequalities. This method removes certain drawbacks characteristic of pointwise estimates derived in some investigations of related areas.

Special interest is directed towards thin shells of constant thickness. The method enables us to estimate the error involved in a stress analysis in which the exact solution is replaced by an approximate one, and thus provides us with a means of assessing the quality of approximate solutions for axisymmetric torsion of thin shells.

Finally, the results of the present study are applied to the stress analysis of a circular cylindrical shell, and the quality of stress estimates derived here and those from a previous related publication are discussed.

Estudo da quantificação de incertezas para o problema de contaminação de meios porosos heterogêneos

As técnicas de injeção de traçadores têm sido amplamente utilizadas na investigação de escoamentos em meios porosos, principalmente em problemas envolvendo a simulação numérica de escoamentos miscíveis em reservatórios de petróleo e o transporte de contaminantes em aquíferos. Reservatórios subterrâneos são em geral heterogêneos e podem apresentar variações significativas das suas propriedades em várias escalas de comprimento. Estas variações espaciais são incorporadas às equações que governam o escoamento no interior do meio poroso por meio de campos aleatórios. Estes campos podem prover uma descrição das heterogeneidades da formação subterrânea nos casos onde o conhecimento geológico não fornece o detalhamento necessário para a predição determinística do escoamento através do meio poroso. Nesta tese é empregado um modelo lognormal para o campo de permeabilidades a fim de reproduzir-se a distribuição de permeabilidades do meio real, e a geração numérica destes campos aleatórios é feita pelo método da Soma Sucessiva de Campos Gaussianos Independentes (SSCGI). O objetivo principal deste trabalho é o estudo da quantificação de incertezas para o problema inverso do transporte de um traçador em um meio poroso heterogêneo empregando uma abordagem Bayesiana para a atualização dos campos de permeabilidades, baseada na medição dos valores da concentração espacial do traçador em tempos específicos. Um método do tipo Markov Chain Monte Carlo a dois estágios é utilizado na amostragem da distribuição de probabilidade a posteriori e a cadeia de Markov é construída a partir da reconstrução aleatória dos campos de permeabilidades. Na resolução do problema de pressão-velocidade que governa o escoamento empregase um método do tipo Elementos Finitos Mistos adequado para o cálculo acurado dos fluxos em campos de permeabilidades heterogêneos e uma abordagem Lagrangiana, o método Forward Integral Tracking (FIT), é utilizada na simulação numérica do problema do transporte do traçador. Resultados numéricos são obtidos e apresentados para um conjunto de realizações amostrais dos campos de permeabilidades.

hp-Adaptive simulation and inversion of magnetotelluric measurements

xlix, 121 p.

Problemas inversos em engenharia financeira: regularização com critério de entropia

Esta dissertação aplica a regularização por entropia máxima no problema inverso de apreçamento de opções, sugerido pelo trabalho de Neri e Schneider em 2012. Eles observaram que a densidade de probabilidade que resolve este problema, no caso de dados provenientes de opções de compra e opções digitais, pode ser descrito como exponenciais nos diferentes intervalos da semireta positiva. Estes intervalos são limitados pelos preços de exercício. O critério de entropia máxima é uma ferramenta poderosa para regularizar este problema mal posto. A família de exponencial do conjunto solução, é calculado usando o algoritmo de Newton-Raphson, com limites específicos para as opções digitais. Estes limites são resultados do princípio de ausência de arbitragem. A metodologia foi usada em dados do índice de ação da Bolsa de Valores de São Paulo com seus preços de opções de compra em diferentes preços de exercício. A análise paramétrica da entropia em função do preços de opções digitais sínteticas (construídas a partir de limites respeitando a ausência de arbitragem) mostraram valores onde as digitais maximizaram a entropia. O exemplo de extração de dados do IBOVESPA de 24 de janeiro de 2013, mostrou um desvio do princípio de ausência de arbitragem para as opções de compra in the money. Este princípio é uma condição necessária para aplicar a regularização por entropia máxima a fim de obter a densidade e os preços. Nossos resultados mostraram que, uma vez preenchida a condição de convexidade na ausência de arbitragem, é possível ter uma forma de smile na curva de volatilidade, com preços calculados a partir da densidade exponencial do modelo. Isto coloca o modelo consistente com os dados do mercado. Do ponto de vista computacional, esta dissertação permitiu de implementar, um modelo de apreçamento que utiliza o princípio de entropia máxima. Três algoritmos clássicos foram usados: primeiramente a bisseção padrão, e depois uma combinação de metodo de bisseção com Newton-Raphson para achar a volatilidade implícita proveniente dos dados de mercado. Depois, o metodo de Newton-Raphson unidimensional para o cálculo dos coeficientes das densidades exponenciais: este é objetivo do estudo. Enfim, o algoritmo de Simpson foi usado para o calculo integral das distribuições cumulativas bem como os preços do modelo obtido através da esperança matemática.

Problemas direto e inverso de processos de separação em leito móvel simulado mediante mecanismos cinéticos de adsorção

Diversas aplicações industriais relevantes envolvem os processos de adsorção, citando como exemplos a purificação de produtos, separação de substâncias, controle de poluição e umidade entre outros. O interesse crescente pelos processos de purificação de biomoléculas deve-se principalmente ao desenvolvimento da biotecnologia e à demanda das indústrias farmacêutica e química por produtos com alto grau de pureza. O leito móvel simulado (LMS) é um processo cromatográfico contínuo que tem sido aplicado para simular o movimento do leito de adsorvente, de forma contracorrente ao movimento do líquido, através da troca periódica das posições das correntes de entrada e saída, sendo operado de forma contínua, sem prejuízo da pureza das correntes de saída. Esta consiste no extrato, rico no componente mais fortemente adsorvido, e no rafinado, rico no componente mais fracamente adsorvido, sendo o processo particularmente adequado a separações binárias. O objetivo desta tese é estudar e avaliar diferentes abordagens utilizando métodos estocásticos de otimização para o problema inverso dos fenômenos envolvidos no processo de separação em LMS. Foram utilizados modelos discretos com diferentes abordagens de transferência de massa, com a vantagem da utilização de um grande número de pratos teóricos em uma coluna de comprimento moderado, neste processo a separação cresce à medida que os solutos fluem através do leito, isto é, ao maior número de vezes que as moléculas interagem entre a fase móvel e a fase estacionária alcançando assim o equilíbrio. A modelagem e a simulação verificadas nestas abordagens permitiram a avaliação e a identificação das principais características de uma unidade de separação do LMS. A aplicação em estudo refere-se à simulação de processos de separação do Baclofen e da Cetamina. Estes compostos foram escolhidos por estarem bem caracterizados na literatura, estando disponíveis em estudos de cinética e de equilíbrio de adsorção nos resultados experimentais. De posse de resultados experimentais avaliou-se o comportamento do problema direto e inverso de uma unidade de separação LMS visando comparar os resultados obtidos com os experimentais, sempre se baseando em critérios de eficiência de separação entre as fases móvel e estacionária. Os métodos estudados foram o GA (Genetic Algorithm) e o PCA (Particle Collision Algorithm) e também foi feita uma hibridização entre o GA e o PCA. Como resultado desta tese analisouse e comparou-se os métodos de otimização em diferentes aspectos relacionados com o mecanismo cinético de transferência de massa por adsorção e dessorção entre as fases sólidas do adsorvente.

Aperfeiçoamento do algoritmo algébrico sequencial para a identificação de variações abruptas de impedância acústica via otimização

Neste trabalho são utilizados a técnica baseada na propagação de ondas acústicas e o método de otimização estocástica Luus-Jaakola (LJ) para solucionar o problema inverso relacionado à identificação de danos em barras. São apresentados o algoritmo algébrico sequencial (AAS) e o algoritmo algébrico sequencial aperfeiçoado (AASA) que modelam o problema direto de propagação de ondas acústicas em uma barra. O AASA consiste nas modificações introduzidas no AAS. O uso do AASA resolve com vantagens o problema de identificação de danos com variações abruptas de impedância. Neste trabalho são obtidos, usando-se o AAS-LJ e o AASA-LJ, os resultados de identificação de cinco cenários de danos. Três deles com perfil suave de impedância acústica generalizada e os outros dois abruptos. Além disso, com o objetivo de simular sinais reais de um experimento, foram introduzidos variados níveis de ruído. Os resultados alcançados mostram que o uso do AASA-LJ na resolução de problemas de identificação de danos em barras é bastante promissor, superando o AAS-LJ para perfis abruptos de impedância.

Análise dos problemas direto e inverso em um modelo de evolução populacional através de transformações integrais e inferência bayesiana

Modelos de evolução populacional são há muito tempo assunto de grande relevância, principalmente quando a população de estudo é composta por vetores de doenças. Tal importância se deve ao fato de existirem milhares de doenças que são propagadas por espécies específicas e conhecer como tais populações se comportam é vital quando pretende-se criar políticas públicas para controlar a sua proliferação. Este trabalho descreve um problema de evolução populacional difusivo com armadilhas locais e tempo de reprodução atrasado, o problema direto descreve a densidade de uma população uma vez conhecidos os parâmetros do modelo onde sua solução é obtida por meio da técnica de transformada integral generalizada, uma técnica numérico-analítica. Porém a solução do problema direto, por si só, não permite a simulação computacional de uma população em uma aplicação prática, uma vez que os parâmetros do modelo variam de população para população e precisam, portanto, ter seus valores conhecidos. Com o objetivo de possibilitar esta caracterização, o presente trabalho propõe a formulação e solução do problema inverso, estimando os parâmetros do modelo a partir de dados da população utilizando para tal tarefa dois métodos Bayesianos.

Optimal control with stochastic PDE constraints and uncertain controls

The optimal control of problems that are constrained by partial differential equations with uncertainties and with uncertain controls is addressed. The Lagrangian that defines the problem is postulated in terms of stochastic functions, with the control function possibly decomposed into an unknown deterministic component and a known zero-mean stochastic component. The extra freedom provided by the stochastic dimension in defining cost functionals is explored, demonstrating the scope for controlling statistical aspects of the system response. One-shot stochastic finite element methods are used to find approximate solutions to control problems. It is shown that applying the stochastic collocation finite element method to the formulated problem leads to a coupling between stochastic collocation points when a deterministic optimal control is considered or when moments are included in the cost functional, thereby forgoing the primary advantage of the collocation method over the stochastic Galerkin method for the considered problem. The application of the presented methods is demonstrated through a number of numerical examples. The presented framework is sufficiently general to also consider a class of inverse problems, and numerical examples of this type are also presented. © 2011 Elsevier B.V.

Digital simulation in a thin layer spectroelectrochemical cell with minigrid platinum electrode by microregion approximation explicit finite difference method

The microregion approximation explicit finite difference method is used to simulate cyclic voltammetry of an electrochemical reversible system in a three-dimensional thin layer cell with minigrid platinum electrode. The simulated CV curve and potential scan-absorbance curve were in very good accordance with the experimental results, which differed from those at a plate electrode. The influences of sweep rate, thickness of the thin layer, and mesh size on the peak current and peak separation were also studied by numerical analysis, which give some instruction for choosing experimental conditions or designing a thin layer cell. The critical ratio (1.33) of the diffusion path inside the mesh hole and across the thin layer was also obtained. If the ratio is greater than 1.33 by means of reducing the thickness of a thin layer, the electrochemical property will be far away from the thin layer property.

A kind of extended Korteweg-de Vries equation and solitary wave solutions for interfacial waves in a two-fluid system

This paper considers interfacial waves propagating along the interface between a two-dimensional two-fluid with a flat bottom and a rigid upper boundary. There is a light fluid layer overlying a heavier one in the system, and a small density difference exists between the two layers. It just focuses on the weakly non-linear small amplitude waves by introducing two small independent parameters: the nonlinearity ratio epsilon, represented by the ratio of amplitude to depth, and the dispersion ratio mu, represented by the square of the ratio of depth to wave length, which quantify the relative importance of nonlinearity and dispersion. It derives an extended KdV equation of the interfacial waves using the method adopted by Dullin et al in the study of the surface waves when considering the order up to O(mu(2)). As expected, the equation derived from the present work includes, as special cases, those obtained by Dullin et al for surface waves when the surface tension is neglected. The equation derived using an alternative method here is the same as the equation presented by Choi and Camassa. Also it solves the equation by borrowing the method presented by Marchant used for surface waves, and obtains its asymptotic solitary wave solutions when the weakly nonlinear and weakly dispersive terms are balanced in the extended KdV equation.