957 resultados para Periodic boundary conditions
Resumo:
Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
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Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)
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In dieser Arbeit werden drei wasserstoffverbrückte Systeme in der kondensierten Phase mit Hilfe von first-principles-Elektronenstruktur-Rechnungen untersucht, die auf der Dichtefunktionaltheorie (DFT) unter periodischen Randbedingungen basieren. Ihre lokalen Konformationen und Wasserstoffbrückenbindungen werden mittels ab-initio Molekulardynamiksimulationen berechnet und weiterhin durch die Bestimmung ihrer spektroskopischen Parameter charakterisiert. Der Schwerpunkt liegt dabei auf lokalen Strukturen und auf schnellen Fluktuationen der Wasserstoffbrückenbindungen, welche von zentraler Bedeutung für die physikalischen und chemischen Eigenschaften der betrachteten Systeme sind. Die für die lokalen, instantanen Konformationen berechneten Spektren werden verwendet, um die physikalischen Prozesse, die hinter den untersuchten Phänomenen stehen, zu erklären: die Wasseradsorption auf metallischen Oberflächen, die Ionensolvatisierung in wässrigen Lösungen und der Protonentransport in protonleitenden Polymeren, welche Prototypen von Membranen für Brennstoffzellen sind. Die Möglichkeit der Vorhersage spektroskopischer Parameter eröffnet vielfältige Möglichkeiten des Dialogs zwischen Experimenten und numerischen Simulationen. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass die Zuverlässigkeit dieser theoretischen Berechnungen inzwischen für viele experimentell relevante Systeme ein quantitatives Niveau erreicht hat.
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Der Begriff "Bannerwolke" bezeichnet ein eindrucksvolles Phänomen aus dem Bereich der Gebirgsmeteorologie. Bannerwolken können gelegentlich im Hochgebirge im Bereich steiler Bergspitzen oder langgezogener Bergrücken, wie z.B. dem Matterhorn in den Schweizer Alpen oder dem Zugspitzgrat in den Bayrischen Alpen beobachtet werden. Der Begriff bezeichnet eine Banner- oder Fahnen-ähnliche Wolkenstruktur, welche an der windabgewandten Seite des Berges befestigt zu sein scheint, während die windzugewandte Seite vollkommen wolkenfrei ist. Bannerwolken fanden bislang, trotz ihres relativ häufigen Auftretens in der wissenschaftlichen Literatur kaum Beachtung. Entsprechend wenig ist über ihren Entstehungsmechanismus und insbesondere die relative Bedeutung dynamischer gegenüber thermodynamischer Prozesse bekannt. In der wissenschaftlichen Literatur wurden bislang 3 unterschiedliche Mechanismen postuliert, um die Entstehung von Bannerwolken zu erklären. Demnach entstehen Bannerwolken durch (a) den Bernoulli-Effekt, insbesondere durch die lokale adiabatische Kühlung hervorgerufen durch eine Druckabnahme entlang quasi-horizontal verlaufender, auf der windzugewandten Seite startender Trajektorien, (b) durch isobare Mischung bodennaher kälterer Luft mit wärmerer Luft aus höheren Schichten, oder (c) durch erzwungene Hebung im aufsteigenden Ast eines Leerotors. Ziel dieser Arbeit ist es, ein besseres physikalisches Verständnis für das Phänomen der Bannerwolke zu entwickeln. Das Hauptaugenmerk liegt auf dem dominierenden Entstehungsmechanismus, der relativen Bedeutung dynamischer und thermodynamischer Prozesse, sowie der Frage nach geeigneten meteorologischen Bedingungen. Zu diesem Zweck wurde ein neues Grobstruktursimulations (LES)-Modell entwickelt, welches geeignet ist turbulente, feuchte Strömungen in komplexem Terrain zu untersuchen. Das Modell baut auf einem bereits existierenden mesoskaligen (RANS) Modell auf. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das neue Modell ausführlich gegen numerische Referenzlösungen und Windkanal-Daten verglichen. Die wesentlichen Ergebnisse werden diskutiert, um die Anwendbarkeit des Modells auf die vorliegende wissenschaftliche Fragestellung zu überprüfen und zu verdeutlichen. Die Strömung über eine idealisierte pyramidenförmige Bergspitze wurde für Froude-Zahlen Fr >> 1 sowohl auf Labor- als auch atmosphärischer Skala mit und ohne Berücksichtigung der Feuchtephysik untersucht. Die Simulationen zeigen, dass Bannerwolken ein primär dynamisches Phänomen darstellen. Sie entstehen im Lee steiler Bergspitzen durch dynamisch erzwungene Hebung. Die Simulationen bestätigen somit die Leerotor-Theorie. Aufgrund des stark asymmetrischen, Hindernis-induzierten Strömungsfeldes können Bannerwolken sogar im Falle horizontal homogener Anfangsbedingungen hinsichtlich Feuchte und Temperatur entstehen. Dies führte zu der neuen Erkenntnis, dass zusätzliche leeseitige Feuchtequellen, unterschiedliche Luftmassen in Luv und Lee, oder Strahlungseffekte keine notwendige Voraussetzung für die Entstehung einer Bannerwolke darstellen. Die Wahrscheinlichkeit der Bannerwolkenbildung steigt mit zunehmender Höhe und Steilheit des pyramidenförmigen Hindernisses und ist in erster Näherung unabhängig von dessen Orientierung zur Anströmung. Simulationen mit und ohne Berücksichtigung der Feuchtephysik machen deutlich, dass thermodynamische Prozesse (insbes. die Umsetzung latenter Wärme) für die Dynamik prototypischer (nicht-konvektiver) Bannerwolken zweitrangig ist. Die Verstärkung des aufsteigenden Astes im Lee und die resultierende Wolkenbildung, hervorgerufen durch die Freisetzung latenter Wärme, sind nahezu vernachlässigbar. Die Feuchtephysik induziert jedoch eine Dipol-ähnliche Struktur im Vertikalprofil der Brunt-Väisälä Frequenz, was zu einem moderaten Anstieg der leeseitigen Turbulenz führt. Es wird gezeigt, dass Gebirgswellen kein entscheidendes Ingredienz darstellen, um die Dynamik von Bannerwolken zu verstehen. Durch eine Verstärkung der Absinkbewegung im Lee, haben Gebirgswellen lediglich die Tendenz die horizontale Ausdehnung von Bannerwolken zu reduzieren. Bezüglich geeigneter meteorologischer Bedingungen zeigen die Simulationen, dass unter horizontal homogenen Anfangsbedingungen die äquivalentpotentielle Temperatur in der Anströmung mit der Höhe abnehmen muss. Es werden 3 notwendige und hinreichende Kriterien, basierend auf dynamischen und thermodynamischen Variablen vorgestellt, welche einen weiteren Einblick in geeignete meteorologische Bedingungen geben.
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The purpose of this thesis is the atomic-scale simulation of the crystal-chemical and physical (phonon, energetic) properties of some strategically important minerals for structural ceramics, biomedical and petrological applications. These properties affect the thermodynamic stability and rule the mineral-environment interface phenomena, with important economical, (bio)technological, petrological and environmental implications. The minerals of interest belong to the family of phyllosilicates (talc, pyrophyllite and muscovite) and apatite (OHAp), chosen for their importance in industrial and biomedical applications (structural ceramics) and petrophysics. In this thesis work we have applicated quantum mechanics methods, formulas and knowledge to the resolution of mineralogical problems ("Quantum Mineralogy”). The chosen theoretical approach is the Density Functional Theory (DFT), along with periodic boundary conditions to limit the portion of the mineral in analysis to the crystallographic cell and the hybrid functional B3LYP. The crystalline orbitals were simulated by linear combination of Gaussian functions (GTO). The dispersive forces, which are important for the structural determination of phyllosilicates and not properly con-sidered in pure DFT method, have been included by means of a semi-empirical correction. The phonon and the mechanical properties were also calculated. The equation of state, both in athermal conditions and in a wide temperature range, has been obtained by means of variations in the volume of the cell and quasi-harmonic approximation. Some thermo-chemical properties of the minerals (isochoric and isobaric thermal capacity) were calculated, because of their considerable applicative importance. For the first time three-dimensional charts related to these properties at different pressures and temperatures were provided. The hydroxylapatite has been studied from the standpoint of structural and phonon properties for its biotechnological role. In fact, biological apatite represents the inorganic phase of vertebrate hard tissues. Numerous carbonated (hydroxyl)apatite structures were modelled by QM to cover the broadest spectrum of possible biological structural variations to fulfil bioceramics applications.
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A panel method free-wake model to analyse the rotor flapping is presented. The aerodynamic model consists of a panel method, which takes into account the three-dimensional rotor geometry, and a free-wake model, to determine the wake shape. The main features of the model are the wake division into a near-wake sheet and a far wake represented by a single tip vortex, and the modification of the panel method formulation to take into account this particular wake description. The blades are considered rigid with a flap degree of freedom. The problem solution is approached using a relaxation method, which enforces periodic boundary conditions. Finally, several code validations against helicopter and wind turbine experimental data are performed, showing good agreement
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We present a technique to identify exact analytic expressions for the multiquantum eigenstates of a linear chain of coupled qubits. A choice of Hilbert subspaces is described that allows an exact solution of the stationary Schrodinger equation without imposing periodic boundary conditions and without neglecting end effects, fully including the dipole-dipole nearest-neighbor interaction between the atoms. The treatment is valid for an arbitrary coherent excitation in the atomic system, any number of atoms, any size of the chain relative to the resonant wavelength and arbitrary initial conditions of the atomic system. The procedure we develop is general enough to be adopted for the study of excitation in an arbitrary array of atoms including spin chains and one-dimensional Bose-Einstein condensates.
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Internally heated fluids are found across the nuclear fuel cycle. In certain situations the motion of the fluid is driven by the decay heat (i.e. corium melt pools in severe accidents, the shutdown of liquid metal reactors, molten salt and the passive control of light water reactors) as well as normal operation (i.e. intermediate waste storage and generation IV reactor designs). This can in the long-term affect reactor vessel integrity or lead to localized hot spots and accumulation of solid wastes that may prompt local increases in activity. Two approaches to the modeling of internally heated convection are presented here. These are based on numerical analysis using codes developed in-house and simulations using widely available computational fluid dynamics solvers. Open and closed fluid layers at around the transition between conduction and convection of various aspect ratios are considered. We determine optimum domain aspect ratio (1:7:7 up to 1:24:24 for open systems and 5:5:1, 1:10:10 and 1:20:20 for closed systems), mesh resolutions and turbulence models required to accurately and efficiently capture the convection structures that evolve when perturbing the conductive state of the fluid layer. Note that the open and closed fluid layers we study here are bounded by a conducting surface over an insulating surface. Conclusions will be drawn on the influence of the periodic boundary conditions on the flow patterns observed. We have also examined the stability of the nonlinear solutions that we found with the aim of identifying the bifurcation sequence of these solutions en route to turbulence.
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We generalize to higher spatial dimensions the Stokes-Einstein relation (SER) as well as the leading correction to diffusivity in finite systems with periodic boundary conditions, and validate these results with numerical simulations. We then investigate the evolution of the high-density SER violation with dimension in simple hard sphere glass formers. The analysis suggests that this SER violation disappears around dimension du = 8, above which it is not observed. The critical exponent associated with the violation appears to evolve linearly in 8 - d, below d = 8, as predicted by Biroli and Bouchaud [J. Phys.: Condens. Matter 19, 205101 (2007)], but the linear coefficient is not consistent with the prediction. The SER violation with d establishes a new benchmark for theory, and its complete description remains an open problem. © 2013 AIP Publishing LLC.
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We study the nonequilibrium dynamics of the linear to zigzag structural phase transition exhibited by an ion chain confined in a trap with periodic boundary conditions. The transition is driven by reducing the transverse confinement at a finite quench rate, which can be accurately controlled. This results in the formation of zigzag domains oriented along different transverse planes. The twists between different domains can be stabilized by the topology of the trap and under laser cooling the system has a chance to relax to a helical chain with nonzero winding number. Molecular dynamics simulations are used to obtain a large sample of possible trajectories for different quench rates. The scaling of the average winding number with different quench rates is compared to the prediction of the Kibble-Zurek theory, and a good quantitative agreement is found.
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We analyze the behavior of solutions of the Poisson equation with homogeneous Neumann boundary conditions in a two-dimensional thin domain which presents locally periodic oscillations at the boundary. The oscillations are such that both the amplitude and period of the oscillations may vary in space. We obtain the homogenized limit problem and a corrector result by extending the unfolding operator method to the case of locally periodic media.
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Static and vibration problems of an indeterminate continuum are traditionally analyzed by the stiffness method. The force method is more or less non-existent for such problems. This situation is primarily due to the incomplete state of development of the compatibility conditions which are essential for the analysis of indeterminate structures by the flexibility method. The understanding of the Compatibility Conditions (CC) has been substantially augmented. Based on the understanding of CC, a novel formulation termed the Integrated Force Method (IFM) has been established. In this paper IFM has been extended for the static and vibration analyses of a continuum. The IFM analysis is illustrated taking three examples: 1. (1) rectangular plate in flexure 2. (2) analysis of a cantilevered dam 3. (3) free vibration analysis of a beam. From the examples solved it is observed that the force response of an indeterminate continuum with mixed boundary conditions can be generated by IFM without any reference to displacements in the field or on the boundary. Displacements if required can be calculated by back substitution.
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We consider a 1-dimensional reaction-diffusion equation with nonlinear boundary conditions of logistic type with delay. We deal with non-negative solutions and analyze the stability behavior of its unique positive equilibrium solution, which is given by the constant function u equivalent to 1. We show that if the delay is small, this equilibrium solution is asymptotically stable, similar as in the case without delay. We also show that, as the delay goes to infinity, this equilibrium becomes unstable and undergoes a cascade of Hopf bifurcations. The structure of this cascade will depend on the parameters appearing in the equation. This equation shows some dynamical behavior that differs from the case where the nonlinearity with delay is in the interior of the domain. (C) 2009 Elsevier Inc. All rights reserved.