Study of AC losses in medium-sized high temperature superconducting coils

The study of AC losses in superconducting pancake coils is of utmost importance for the development of superconducting devices. Due to different technical difficulties this study is usually performed considering one of two approaches: considering superconducting coils of few turns and studying AC losses in a large frequency range vs. superconducting coils with a large number of turns but measuring AC losses only in low frequencies. In this work, a study of AC losses in 128 turn superconducting coils is performed, considering frequencies ranging from 50 Hz till 1152 Hz and currents ranging from zero till the critical current of the coils. Moreover, the study of AC losses considering two different simultaneous harmonic components is also performed and results are compared to the behaviour presented by the coils when operating in a single frequency regime. Different electrical methods are used to verify the total amount of AC losses in the coil and a simple calorimetric method is presented, in order to measure AC losses in a multi-harmonic context. Different analytical and numerical methods are implemented and/or used, to design the superconducting coils and to compute the total amount of AC losses in the superconducting system and a comparison is performed to verify the advantages and drawbacks of each method.

Monte Carlo valuation of worst-of auto-callable equity swaps

This thesis proposes a Monte Carlo valuation method for Worst-of Auto-callable equity swaps. The valuation of this type of swap usually requires complex numerical methods which are implemented in “black-box” valuation systems. The method proposed is an alternative benchmark tool that is relatively simple to implement and customize. The performance of the method was evaluated according to the variance and bias of the output and to the accuracy when compared to a leading valuation system in the market.

Designing next generation car washing machines with rotary brushes

Tese de Doutoramento - Leaders for Technical Industries (LTI) - MIT Portugal

Contact force models for multibody dynamics

"Series: Solid mechanics and its applications, vol. 226"

In Search of a theory of debt management

A growing literature integrates theories of debt management into models of optimal fiscal policy. One promising theory argues that the composition of government debt should be chosen so that fluctuations in the market value of debt offset changes in expected future deficits. This complete market approach to debt management is valid even when the government only issues non-contingent bonds. A number of authors conclude from this approach that governments should issue long term debt and invest in short term assets. We argue that the conclusions of this approach are too fragile to serve as a basis for policy recommendations. This is because bonds at different maturities have highly correlated returns, causing the determination of the optimal portfolio to be ill-conditioned. To make this point concrete we examine the implications of this approach to debt management in various models, both analytically and using numerical methods calibrated to the US economy. We find the complete market approach recommends asset positions which are huge multiples of GDP. Introducing persistent shocks or capital accumulation only worsens this problem. Increasing the volatility of interest rates through habits partly reduces the size of these simulations we find no presumption that governments should issue long term debt ? policy recommendations can be easily reversed through small perturbations in the specification of shocks or small variations in the maturity of bonds issued. We further extend the literature by removing the assumption that governments every period costlessly repurchase all outstanding debt. This exacerbates the size of the required positions, worsens their volatility and in some cases produces instability in debt holdings. We conclude that it is very difficult to insulate fiscal policy from shocks by using the complete markets approach to debt management. Given the limited variability of the yield curve using maturities is a poor way to substitute for state contingent debt. The result is the positions recommended by this approach conflict with a number of features that we believe are important in making bond markets incomplete e.g allowing for transaction costs, liquidity effects, etc.. Until these features are all fully incorporated we remain in search of a theory of debt management capable of providing robust policy insights.

Optimal Martingales and American Option Pricing

Pricing American options is an interesting research topic since there is no analytical solution to value these derivatives. Different numerical methods have been proposed in the literature with some, if not all, either limited to a specific payoff or not applicable to multidimensional cases. Applications of Monte Carlo methods to price American options is a relatively new area that started with Longstaff and Schwartz (2001). Since then, few variations of that methodology have been proposed. The general conclusion is that Monte Carlo estimators tend to underestimate the true option price. The present paper follows Glasserman and Yu (2004b) and proposes a novel Monte Carlo approach, based on designing "optimal martingales" to determine stopping times. We show that our martingale approach can also be used to compute the dual as described in Rogers (2002).

Adaptive Continuous time Markov Chain Approximation Model to General Jump-Diusions

We propose a non-equidistant Q rate matrix formula and an adaptive numerical algorithm for a continuous time Markov chain to approximate jump-diffusions with affine or non-affine functional specifications. Our approach also accommodates state-dependent jump intensity and jump distribution, a flexibility that is very hard to achieve with other numerical methods. The Kolmogorov-Smirnov test shows that the proposed Markov chain transition density converges to the one given by the likelihood expansion formula as in Ait-Sahalia (2008). We provide numerical examples for European stock option pricing in Black and Scholes (1973), Merton (1976) and Kou (2002).

Innovació tecnològica a la construcció subterrània

Report for the scientific sojourn carried out in the International Center for Numerical Methods in Engineering (CIMNE) –state agency – from February until November 2007. The work within the project Technology innovation in underground construction can be grouped into the following tasks: development of the software for modelling underground excavation based on the discrete element method - the numerical algorithms have been implemented in the computer programs and applied to simulation of excavation using roadheaders and TBM-s -; coupling of the discrete element method with the finite element method; development of the numerical model of rock cutting taking into account of wear of rock cutting tools -this work considers a very important factor influencing effectiveness of underground works -.

Dinàmica de sistemes mesoscòpics amb correlacions quàntiques mitjançant la formulació de de Broglie-Bohm

Per a determinar la dinàmica espai-temporal completa d’un sistema quàntic tridimensional de N partícules cal integrar l’equació d’Schrödinger en 3N dimensions. La capacitat dels ordinadors actuals permet fer-ho com a molt en 3 dimensions. Amb l’objectiu de disminuir el temps de càlcul necessari per a integrar l’equació d’Schrödinger multidimensional, es realitzen usualment una sèrie d’aproximacions, com l’aproximació de Born–Oppenheimer o la de camp mig. En general, el preu que es paga en realitzar aquestes aproximacions és la pèrdua de les correlacions quàntiques (o entrellaçament). Per tant, és necessari desenvolupar mètodes numèrics que permetin integrar i estudiar la dinàmica de sistemes mesoscòpics (sistemes d’entre tres i unes deu partícules) i en els que es tinguin en compte, encara que sigui de forma aproximada, les correlacions quàntiques entre partícules. Recentment, en el context de la propagació d’electrons per efecte túnel en materials semiconductors, X. Oriols ha desenvolupat un nou mètode [Phys. Rev. Lett. 98, 066803 (2007)] per al tractament de les correlacions quàntiques en sistemes mesoscòpics. Aquesta nova proposta es fonamenta en la formulació de la mecànica quàntica de de Broglie– Bohm. Així, volem fer notar que l’enfoc del problema que realitza X. Oriols i que pretenem aquí seguir no es realitza a fi de comptar amb una eina interpretativa, sinó per a obtenir una eina de càlcul numèric amb la que integrar de manera més eficient l’equació d’Schrödinger corresponent a sistemes quàntics de poques partícules. En el marc del present projecte de tesi doctoral es pretén estendre els algorismes desenvolupats per X. Oriols a sistemes quàntics constituïts tant per fermions com per bosons, i aplicar aquests algorismes a diferents sistemes quàntics mesoscòpics on les correlacions quàntiques juguen un paper important. De forma específica, els problemes a estudiar són els següents: (i) Fotoionització de l’àtom d’heli i de l’àtom de liti mitjançant un làser intens. (ii) Estudi de la relació entre la formulació de X. Oriols amb la aproximació de Born–Oppenheimer. (iii) Estudi de les correlacions quàntiques en sistemes bi- i tripartits en l’espai de configuració de les partícules mitjançant la formulació de de Broglie–Bohm.

Modification of the Perrine-Baum diagram to improve the calculation of high voltage electric lines

Through the history of Electrical Engineering education, vectorial and phasorial diagrams have been used as a fundamental learning tool. At present, computational power has replaced them by long data lists, the result of solving equation systems by means of numerical methods. In this sense, diagrams have been shifted to an academic background and although theoretically explained, they are not used in a practical way within specific examples. This fact may be against the understanding of the complex behavior of the electrical power systems by students. This article proposes a modification of the classical Perrine-Baum diagram construction to allowing both a more practical representation and a better understanding of the behavior of a high-voltage electric line under different levels of load. This modification allows, at the same time, the forecast of the obsolescence of this behavior and line’s loading capacity. Complementary, we evaluate the impact of this tool in the learning process showing comparative undergraduate results during three academic years

A new maximum likelihood method for luminosity calibrations

A new statistical parallax method using the Maximum Likelihood principle is presented, allowing the simultaneous determination of a luminosity calibration, kinematic characteristics and spatial distribution of a given sample. This method has been developed for the exploitation of the Hipparcos data and presents several improvements with respect to the previous ones: the effects of the selection of the sample, the observational errors, the galactic rotation and the interstellar absorption are taken into account as an intrinsic part of the formulation (as opposed to external corrections). Furthermore, the method is able to identify and characterize physically distinct groups in inhomogeneous samples, thus avoiding biases due to unidentified components. Moreover, the implementation used by the authors is based on the extensive use of numerical methods, so avoiding the need for simplification of the equations and thus the bias they could introduce. Several examples of application using simulated samples are presented, to be followed by applications to real samples in forthcoming articles.

CP2 stars as viewed by the uvby Hbeta system

A new statistical parallax method using the Maximum Likelihood principle is presented, allowing the simultaneous determination of a luminosity calibration, kinematic characteristics and spatial distribution of a given sample. This method has been developed for the exploitation of the Hipparcos data and presents several improvements with respect to the previous ones: the effects of the selection of the sample, the observational errors, the galactic rotation and the interstellar absorption are taken into account as an intrinsic part of the formulation (as opposed to external corrections). Furthermore, the method is able to identify and characterize physically distinct groups in inhomogeneous samples, thus avoiding biases due to unidentified components. Moreover, the implementation used by the authors is based on the extensive use of numerical methods, so avoiding the need for simplification of the equations and thus the bias they could introduce. Several examples of application using simulated samples are presented, to be followed by applications to real samples in forthcoming articles.

Multiscale descriptions of density-driven flow instabilities in porous media

Les instabilités engendrées par des gradients de densité interviennent dans une variété d'écoulements. Un exemple est celui de la séquestration géologique du dioxyde de carbone en milieux poreux. Ce gaz est injecté à haute pression dans des aquifères salines et profondes. La différence de densité entre la saumure saturée en CO2 dissous et la saumure environnante induit des courants favorables qui le transportent vers les couches géologiques profondes. Les gradients de densité peuvent aussi être la cause du transport indésirable de matières toxiques, ce qui peut éventuellement conduire à la pollution des sols et des eaux. La gamme d'échelles intervenant dans ce type de phénomènes est très large. Elle s'étend de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères à laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Une reproduction fiable de la physique par la simulation numérique demeure donc un défi en raison du caractère multi-échelles aussi bien au niveau spatial et temporel de ces phénomènes. Il requiert donc le développement d'algorithmes performants et l'utilisation d'outils de calculs modernes. En conjugaison avec les méthodes de résolution itératives, les méthodes multi-échelles permettent de résoudre les grands systèmes d'équations algébriques de manière efficace. Ces méthodes ont été introduites comme méthodes d'upscaling et de downscaling pour la simulation d'écoulements en milieux poreux afin de traiter de fortes hétérogénéités du champ de perméabilité. Le principe repose sur l'utilisation parallèle de deux maillages, le premier est choisi en fonction de la résolution du champ de perméabilité (grille fine), alors que le second (grille grossière) est utilisé pour approximer le problème fin à moindre coût. La qualité de la solution multi-échelles peut être améliorée de manière itérative pour empêcher des erreurs trop importantes si le champ de perméabilité est complexe. Les méthodes adaptatives qui restreignent les procédures de mise à jour aux régions à forts gradients permettent de limiter les coûts de calculs additionnels. Dans le cas d'instabilités induites par des gradients de densité, l'échelle des phénomènes varie au cours du temps. En conséquence, des méthodes multi-échelles adaptatives sont requises pour tenir compte de cette dynamique. L'objectif de cette thèse est de développer des algorithmes multi-échelles adaptatifs et efficaces pour la simulation des instabilités induites par des gradients de densité. Pour cela, nous nous basons sur la méthode des volumes finis multi-échelles (MsFV) qui offre l'avantage de résoudre les phénomènes de transport tout en conservant la masse de manière exacte. Dans la première partie, nous pouvons démontrer que les approximations de la méthode MsFV engendrent des phénomènes de digitation non-physiques dont la suppression requiert des opérations de correction itératives. Les coûts de calculs additionnels de ces opérations peuvent toutefois être compensés par des méthodes adaptatives. Nous proposons aussi l'utilisation de la méthode MsFV comme méthode de downscaling: la grille grossière étant utilisée dans les zones où l'écoulement est relativement homogène alors que la grille plus fine est utilisée pour résoudre les forts gradients. Dans la seconde partie, la méthode multi-échelle est étendue à un nombre arbitraire de niveaux. Nous prouvons que la méthode généralisée est performante pour la résolution de grands systèmes d'équations algébriques. Dans la dernière partie, nous focalisons notre étude sur les échelles qui déterminent l'évolution des instabilités engendrées par des gradients de densité. L'identification de la structure locale ainsi que globale de l'écoulement permet de procéder à un upscaling des instabilités à temps long alors que les structures à petite échelle sont conservées lors du déclenchement de l'instabilité. Les résultats présentés dans ce travail permettent d'étendre les connaissances des méthodes MsFV et offrent des formulations multi-échelles efficaces pour la simulation des instabilités engendrées par des gradients de densité. - Density-driven instabilities in porous media are of interest for a wide range of applications, for instance, for geological sequestration of CO2, during which CO2 is injected at high pressure into deep saline aquifers. Due to the density difference between the C02-saturated brine and the surrounding brine, a downward migration of CO2 into deeper regions, where the risk of leakage is reduced, takes place. Similarly, undesired spontaneous mobilization of potentially hazardous substances that might endanger groundwater quality can be triggered by density differences. Over the last years, these effects have been investigated with the help of numerical groundwater models. Major challenges in simulating density-driven instabilities arise from the different scales of interest involved, i.e., the scale at which instabilities are triggered and the aquifer scale over which long-term processes take place. An accurate numerical reproduction is possible, only if the finest scale is captured. For large aquifers, this leads to problems with a large number of unknowns. Advanced numerical methods are required to efficiently solve these problems with today's available computational resources. Beside efficient iterative solvers, multiscale methods are available to solve large numerical systems. Originally, multiscale methods have been developed as upscaling-downscaling techniques to resolve strong permeability contrasts. In this case, two static grids are used: one is chosen with respect to the resolution of the permeability field (fine grid); the other (coarse grid) is used to approximate the fine-scale problem at low computational costs. The quality of the multiscale solution can be iteratively improved to avoid large errors in case of complex permeability structures. Adaptive formulations, which restrict the iterative update to domains with large gradients, enable limiting the additional computational costs of the iterations. In case of density-driven instabilities, additional spatial scales appear which change with time. Flexible adaptive methods are required to account for these emerging dynamic scales. The objective of this work is to develop an adaptive multiscale formulation for the efficient and accurate simulation of density-driven instabilities. We consider the Multiscale Finite-Volume (MsFV) method, which is well suited for simulations including the solution of transport problems as it guarantees a conservative velocity field. In the first part of this thesis, we investigate the applicability of the standard MsFV method to density- driven flow problems. We demonstrate that approximations in MsFV may trigger unphysical fingers and iterative corrections are necessary. Adaptive formulations (e.g., limiting a refined solution to domains with large concentration gradients where fingers form) can be used to balance the extra costs. We also propose to use the MsFV method as downscaling technique: the coarse discretization is used in areas without significant change in the flow field whereas the problem is refined in the zones of interest. This enables accounting for the dynamic change in scales of density-driven instabilities. In the second part of the thesis the MsFV algorithm, which originally employs one coarse level, is extended to an arbitrary number of coarse levels. We prove that this keeps the MsFV method efficient for problems with a large number of unknowns. In the last part of this thesis, we focus on the scales that control the evolution of density fingers. The identification of local and global flow patterns allows a coarse description at late times while conserving fine-scale details during onset stage. Results presented in this work advance the understanding of the Multiscale Finite-Volume method and offer efficient dynamic multiscale formulations to simulate density-driven instabilities. - Les nappes phréatiques caractérisées par des structures poreuses et des fractures très perméables représentent un intérêt particulier pour les hydrogéologues et ingénieurs environnementaux. Dans ces milieux, une large variété d'écoulements peut être observée. Les plus communs sont le transport de contaminants par les eaux souterraines, le transport réactif ou l'écoulement simultané de plusieurs phases non miscibles, comme le pétrole et l'eau. L'échelle qui caractérise ces écoulements est définie par l'interaction de l'hétérogénéité géologique et des processus physiques. Un fluide au repos dans l'espace interstitiel d'un milieu poreux peut être déstabilisé par des gradients de densité. Ils peuvent être induits par des changements locaux de température ou par dissolution d'un composé chimique. Les instabilités engendrées par des gradients de densité revêtent un intérêt particulier puisque qu'elles peuvent éventuellement compromettre la qualité des eaux. Un exemple frappant est la salinisation de l'eau douce dans les nappes phréatiques par pénétration d'eau salée plus dense dans les régions profondes. Dans le cas des écoulements gouvernés par les gradients de densité, les échelles caractéristiques de l'écoulement s'étendent de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères sur laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Etant donné que les investigations in-situ sont pratiquement impossibles, les modèles numériques sont utilisés pour prédire et évaluer les risques liés aux instabilités engendrées par les gradients de densité. Une description correcte de ces phénomènes repose sur la description de toutes les échelles de l'écoulement dont la gamme peut s'étendre sur huit à dix ordres de grandeur dans le cas de grands aquifères. Il en résulte des problèmes numériques de grande taille qui sont très couteux à résoudre. Des schémas numériques sophistiqués sont donc nécessaires pour effectuer des simulations précises d'instabilités hydro-dynamiques à grande échelle. Dans ce travail, nous présentons différentes méthodes numériques qui permettent de simuler efficacement et avec précision les instabilités dues aux gradients de densité. Ces nouvelles méthodes sont basées sur les volumes finis multi-échelles. L'idée est de projeter le problème original à une échelle plus grande où il est moins coûteux à résoudre puis de relever la solution grossière vers l'échelle de départ. Cette technique est particulièrement adaptée pour résoudre des problèmes où une large gamme d'échelle intervient et évolue de manière spatio-temporelle. Ceci permet de réduire les coûts de calculs en limitant la description détaillée du problème aux régions qui contiennent un front de concentration mobile. Les aboutissements sont illustrés par la simulation de phénomènes tels que l'intrusion d'eau salée ou la séquestration de dioxyde de carbone.

The Kuramoto model: A simple paradigm for synchronization phenomena

Synchronization phenomena in large populations of interacting elements are the subject of intense research efforts in physical, biological, chemical, and social systems. A successful approach to the problem of synchronization consists of modeling each member of the population as a phase oscillator. In this review, synchronization is analyzed in one of the most representative models of coupled phase oscillators, the Kuramoto model. A rigorous mathematical treatment, specific numerical methods, and many variations and extensions of the original model that have appeared in the last few years are presented. Relevant applications of the model in different contexts are also included.