The three-dimensional vortical nature of atmospheric and oceanic turbulent flows

Using a novel numerical method at unprecedented resolution, we demonstrate that structures of small to intermediate scale in rotating, stratified flows are intrinsically three-dimensional. Such flows are characterized by vortices (spinning volumes of fluid), regions of large vorticity gradients, and filamentary structures at all scales. It is found that such structures have predominantly three-dimensional dynamics below a horizontal scale LLR, where LR is the so-called Rossby radius of deformation, equal to the characteristic vertical scale of the fluid H divided by the ratio of the rotational and buoyancy frequencies f/N. The breakdown of two-dimensional dynamics at these scales is attributed to the so-called "tall-column instability" [D. G. Dritschel and M. de la Torre Juárez, J. Fluid. Mech. 328, 129 (1996)], which is active on columnar vortices that are tall after scaling by f/N, or, equivalently, that are narrow compared with LR. Moreover, this instability eventually leads to a simple relationship between typical vertical and horizontal scales: for each vertical wave number (apart from the vertically averaged, barotropic component of the flow) the average horizontal wave number is equal to f/N times the vertical wave number. The practical implication is that three-dimensional modeling is essential to capture the behavior of rotating, stratified fluids. Two-dimensional models are not valid for scales below LR. ©1999 American Institute of Physics.

A search for invariant relative satellite motion

This report presents the canonical Hamiltonian formulation of relative satellite motion. The unperturbed Hamiltonian model is shown to be equivalent to the well known Hill-Clohessy-Wilshire (HCW) linear formulation. The in°uence of perturbations of the nonlinear Gravitational potential and the oblateness of the Earth; J2 perturbations are also modelled within the Hamiltonian formulation. The modelling incorporates eccentricity of the reference orbit. The corresponding Hamiltonian vector ¯elds are computed and implemented in Simulink. A numerical method is presented aimed at locating periodic or quasi-periodic relative satellite motion. The numerical method outlined in this paper is applied to the Hamiltonian system. Although the orbits considered here are weakly unstable at best, in the case of eccentricity only, the method ¯nds exact periodic orbits. When other perturbations such as nonlinear gravitational terms are added, drift is signicantly reduced and in the case of the J2 perturbation with and without the nonlinear gravitational potential term, bounded quasi-periodic solutions are found. Advantages of using Newton's method to search for periodic or quasi-periodic relative satellite motion include simplicity of implementation, repeatability of solutions due to its non-random nature, and fast convergence. Given that the use of bounded or drifting trajectories as control references carries practical di±culties over long-term missions, Principal Component Analysis (PCA) is applied to the quasi-periodic or slowly drifting trajectories to help provide a closed reference trajectory for the implementation of closed loop control. In order to evaluate the e®ect of the quality of the model used to generate the periodic reference trajectory, a study involving closed loop control of a simulated master/follower formation was performed. 2 The results of the closed loop control study indicate that the quality of the model employed for generating the reference trajectory used for control purposes has an important in°uence on the resulting amount of fuel required to track the reference trajectory. The model used to generate LQR controller gains also has an e®ect on the e±ciency of the controller.

A depth-integrated 2D coastal and estuarine model with conformal boundary-fitted mesh generation

Details are given of the development and application of a 2D depth-integrated, conformal boundary-fitted, curvilinear model for predicting the depth-mean velocity field and the spatial concentration distribution in estuarine and coastal waters. A numerical method for conformal mesh generation, based on a boundary integral equation formulation, has been developed. By this method a general polygonal region with curved edges can be mapped onto a regular polygonal region with the same number of horizontal and vertical straight edges and a multiply connected region can be mapped onto a regular region with the same connectivity. A stretching transformation on the conformally generated mesh has also been used to provide greater detail where it is needed close to the coast, with larger mesh sizes further offshore, thereby minimizing the computing effort whilst maximizing accuracy. The curvilinear hydrodynamic and solute model has been developed based on a robust rectilinear model. The hydrodynamic equations are approximated using the ADI finite difference scheme with a staggered grid and the solute transport equation is approximated using a modified QUICK scheme. Three numerical examples have been chosen to test the curvilinear model, with an emphasis placed on complex practical applications

Implementation of an interior point source in the ultra weak variational formulation through source extraction

The Ultra Weak Variational Formulation (UWVF) is a powerful numerical method for the approximation of acoustic, elastic and electromagnetic waves in the time-harmonic regime. The use of Trefftz-type basis functions incorporates the known wave-like behaviour of the solution in the discrete space, allowing large reductions in the required number of degrees of freedom for a given accuracy, when compared to standard finite element methods. However, the UWVF is not well disposed to the accurate approximation of singular sources in the interior of the computational domain. We propose an adjustment to the UWVF for seismic imaging applications, which we call the Source Extraction UWVF. Differing fields are solved for in subdomains around the source, and matched on the inter-domain boundaries. Numerical results are presented for a domain of constant wavenumber and for a domain of varying sound speed in a model used for seismic imaging.

Evaluation of a bounded high order upwind scheme for 3D incompressible free surface flow computations

fit the context of normalized variable formulation (NVF) of Leonard and total variation diminishing (TVD) constraints of Harten. this paper presents an extension of it previous work by the authors for solving unsteady incompressible flow problems. The main contributions of the paper are threefold. First, it presents the results of the development and implementation of a bounded high order upwind adaptative QUICKEST scheme in the 3D robust code (Freeflow), for the numerical solution of the full incompressible Navier-Stokes equations. Second, it reports numerical simulation results for 1D hock tube problem, 2D impinging jet and 2D/3D broken clam flows. Furthermore, these results are compared with existing analytical and experimental data. And third, it presents the application of the numerical method for solving 3D free surface flow problems. (C) 2007 IMACS. Published by Elsevier B.V. All rights reserved,

An implicit technique for solving 3D low Reynolds number moving free surface flows

This paper describes the development of an implicit finite difference method for solving transient three-dimensional incompressible free surface flows. To reduce the CPU time of explicit low-Reynolds number calculations, we have combined a projection method with an implicit technique for treating the pressure on the free surface. The projection method is employed to uncouple the velocity and the pressure fields, allowing each variable to be solved separately. We employ the normal stress condition on the free surface to derive an implicit technique for calculating the pressure at the free surface. Numerical results demonstrate that this modification is essential for the construction of methods that are more stable than those provided by discretizing the free surface explicitly. In addition, we show that the proposed method can be applied to viscoelastic fluids. Numerical results include the simulation of jet buckling and extrudate swell for Reynolds numbers in the range [0.01, 0.5]. (C) 2008 Elsevier Inc. All rights reserved.

Three-dimensional, fully adaptive simulations of phase-field fluid models

We present an efficient numerical methodology for the 31) computation of incompressible multi-phase flows described by conservative phase-field models We focus here on the case of density matched fluids with different viscosity (Model H) The numerical method employs adaptive mesh refinements (AMR) in concert with an efficient semi-implicit time discretization strategy and a linear, multi-level multigrid to relax high order stability constraints and to capture the flow`s disparate scales at optimal cost. Only five linear solvers are needed per time-step. Moreover, all the adaptive methodology is constructed from scratch to allow a systematic investigation of the key aspects of AMR in a conservative, phase-field setting. We validate the method and demonstrate its capabilities and efficacy with important examples of drop deformation, Kelvin-Helmholtz instability, and flow-induced drop coalescence (C) 2010 Elsevier Inc. All rights reserved

Análise não linear física e geométrica de pórticos espaciais

Apresenta-se uma formulação do tipo incrementaliterativa destinada a análise não linear de pórticos espaciais. Considera-se os efeitos não lineares introduzidos pelas mudanças de configuração geométrica da estrutura e também pela combinação destes efeitos com aqueles inerentes ao comportamento plástico exibido pelo material. As relações cinemáticas empregadas permitem a consideração de deslocamentos arbitrariamente grandes, acompanhadas de pequenas deformações . A modelagem do comportamento plástico do material é efetuada através do conceito de rótula plástica, estabelecido a partir de um critério de plastificação generalizado. Adota-se uma matriz de rigidez geométrica de barra baseada em momentos semitangenciais. Para elementos com extremos plastificados, é deduzida uma matriz de rigidez elasto-plástica. Emprega-se um método numérico do tipo incremental-iterativo, que utiliza como condição básica de controle da análise a constância do trabalho realizado pelos incrementos de cargas, em cada passo incremental (Método de Controle por Trabalho).A formulação permite uma descricão completa do desempenho mecânico da estrutura, inclusive em estágio de deformação pós-crítico em que ocorre regressão do carregamento com aumento de deslocamentos, ou vice-versa. A formulação foi implementada em um programa computacional elaborado em linguagem FORTRAN. Vários exemplos numéricos são apresentados para mostrar a eficiência das procedimentos propostos.

Defeitos pontuais nos compostos intermetálicos ZrNi e Zr/sub 2/Ni estudados por dinâmica molecular

Empregamos a técnica de Dinâmica Molecular para estudar propriedades de defeitos pontuais nos compostos intermetálicos ZrNi e Zr2Ni. Descrevemos as configurações estáveis de defeitos e mecanismos de migração, assim como as energias envolvidas. Os potenciais interatômicos foram derivados do Embedded Atom Model. No intuito de levar em conta a variação de estequiometria causada pela presença de alguns tipos de defeitos em intermetálicos, apresentamos um método numérico que fornece a energia efetiva de formação de defeitos e aplicamos o método ao ZrNi e Zr2Ni. Os resultados mostraram que vacâncias são mais estáveis na sub—rede do Ni, com energia de formação de 0,83 e-0,61 eV em ZrNi e Zr2Ni, respectivamente. Vacâncias de Zr são instáveis em ambos compostos; elas decaem espontaneamente em pares anti—sítio e vacância de Ni. Configurações e energias de formação de intersticiais também foram calculadas e mostraram comportamentos similares. Em ZrNi, a migração de vacâncias ocorre preferencialmente nas direções [025] e [100], com as respectivas energias de migração 0,67 e 0,73 eV, e é um processo essencialmente bidimensional no plano (001). Em Zr,Ni, a migração de vacâncias é unidimensional, ocorrendo na direção [001], com energia de migração de 0,67 eV. Em ambos compostos a presença de defeitos de anti—sítio de Ni diminui a energia de migração da vacância de Ni em até 3 vezes e facilita a movimentação em três dimensões. Mecanismos de anel não são energeticamente eficientes em comparação com saltos diretos. As configurações estáveis de intersticiais em ambos compostos consistem em um átomo de Ni sobre o plano (001) entre dois vizinhos de Zr fora do plano. Intersticiais de Zr são instáveis e tendem a deslocar um átomo de Ni, ocupando seu sítio. Energias de deslocamento foram estudadas através de simulações de irradiação de ambos compostos. Durante o processo de colisão binária, um potencial universal ZBL foi usado para colisões a curta distância. Para distâncias intermediárias usamos um potencial de união arbitrário. Zr mostrou—se mais difícil de ser arrancado de seu sítio do que Ni. Encontramos valores de energia de deslocamento no intervalo de aproximadamente 29 eV até 546 eV. Alguns resultados experimentais são mostrados e apresentam boa concordância com os cálculos.

Estimativa do comportamento de máquinas assíncronas sujeitas a afundamentos de tensão

Os afundamentos de tensão são reduções de curta duração entre o 10% a 90% da magnitude de tensão eficaz. Usualmente, estes afundamentos são associados com falhas no sistema de energia elétrica, mas podem ser causados pela elevada corrente de partida de motores de indução ou energização de transformadores. Apesar de sua curta duração, tais eventos podem causar sérios problemas para alguns equipamentos. As conseqüências dos afundamentos de tensão sobre a máquina assíncrona são: perda de velocidade durante o afundamento e picos de corrente e de conjugado que aparecem na queda de tensão e no instante de restabelecimento. Este estudo visa analisar o comportamento da máquina assíncrona diante de afundamentos de tensão e as características destes, devido à influência do motor assíncrono como carga. Enfocando-se neste ponto, é que foram considerados diferentes tipos de afundamentos devido a diferentes falhas, que produziram quedas de tensão nos terminais da máquina assíncrona com variações na magnitude e no argumento de tensão. As simulações foram realizadas aplicando um método numérico tradicional e um método simplificado, o método simplificado lineariza as equações diferenciais elétricas da máquina assíncrona considerando a velocidade mecânica constante, para o cálculo dos transitórios elétricos no início da queda de tensão e no restabelecimento da mesma. Os transitórios obtidos pelo método numérico tradicional (Runge Kutta quarta ordem) e o método simplificado foram comparados, para verificar a precisão deste método com respeito ao numérico tradicional, concluindo-se, que o método simplificado poderá aplicar-se em máquinas de baixo escorregamento e elevada constante de inércia. Além disso, foram realizados experimentos, submetendo o sistema a diferentes quedas de tensão, considerando diferentes magnitudes e durações no afundamento.

Um método de linearização local com passo adaptativo para solução numérica de equações diferenciais estocásticas com ruído aditivo

Neste trabalho apresentamos um novo método numérico com passo adaptativo baseado na abordagem de linearização local, para a integração de equações diferenciais estocásticas com ruído aditivo. Propomos, também, um esquema computacional que permite a implementação eficiente deste método, adaptando adequadamente o algorítimo de Padé com a estratégia “scaling-squaring” para o cálculo das exponenciais de matrizes envolvidas. Antes de introduzirmos a construção deste método, apresentaremos de forma breve o que são equações diferenciais estocásticas, a matemática que as fundamenta, a sua relevância para a modelagem dos mais diversos fenômenos, e a importância da utilização de métodos numéricos para avaliar tais equações. Também é feito um breve estudo sobre estabilidade numérica. Com isto, pretendemos introduzir as bases necessárias para a construção do novo método/esquema. Ao final, vários experimentos numéricos são realizados para mostrar, de forma prática, a eficácia do método proposto, e compará-lo com outros métodos usualmente utilizados.

A critical value function approach, with an application to persistent time-series

Researchers often rely on the t-statistic to make inference on parameters in statistical models. It is common practice to obtain critical values by simulation techniques. This paper proposes a novel numerical method to obtain an approximately similar test. This test rejects the null hypothesis when the test statistic islarger than a critical value function (CVF) of the data. We illustrate this procedure when regressors are highly persistent, a case in which commonly-used simulation methods encounter dificulties controlling size uniformly. Our approach works satisfactorily, controls size, and yields a test which outperforms the two other known similar tests.

Um método numérico para a solução de problemas em física quântica de poucos corpos

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

Use of direct and iterative solvers for estimation of SNP effects in genome-wide selection

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Análise de superfícies seletivas de freqüência para aplicações em ondas milimétricas

This work consists in the development of a theoretical and numerical analysis for frequency selective surfaces (FSS) structures with conducting patch elements, such as rectangular patches, thin dipoles and cross dipoles, on anisotropic dielectric substrates. The analysis is developed for millimeter wave band applications. The analytical formulation is developed in the spectral domain, by using a rigorous technique known as equivalent transmission line method, or immitance approach. The numerical analysis is completed through the use of the Galerkin's technique in the Fourier transform domain, using entire-domain basis functions. In the last decades, several sophisticated analytical techniques have been developed for FSS structure applications. Within these applications, it can be emphasized the use of FSS structures on reflecting antennas and bandpass radomes. In the analysis, the scattered fields of the FSS geometry are related to the surface induced currents on the conducting patches. After the formulation of the scattering problem, the numerical solution is obtained by using the moment method. The choice of the basis functions plays a very important role in the numerical efficiency of the numerical method, once they should provide a very good approximation to the real current distributions on the FSS analyzed structure. Thereafter, the dyadic Green's function components are obtained in order to evaluate the basis functions unknown coefficients. To accomplish that, the Galerkin's numerical technique is used. Completing the formulation, the incident fields are determined through the incident potential, and as a consequence the FSS transmission and reflection characteristics are determined, as function of the resonant frequency and structural parameters. The main objective of this work was to analyze FSS structures with conducting patch elements, such as thin dipoles, cross dipoles and rectangular patches, on anisotropic dielectric substrates, for high frequency applications. Therefore, numerical results for the FSS structure main characteristics were obtained in the millimeter wave bando Some of these FSS characteristics are the resonant