Método da propagação de feixe de ângulo largo para análise de guias de ondas ópticos não-lineares

Este trabalho propõe uma extensão do método de propagação de feixe (BPM - Beam Propagation Method) para a análise de guias de ondas ópticos e acopladores baseados em materiais não-lineares do tipo Kerr. Este método se destina à investigação de estruturas onde a utilização da equação escalar de Helmholtz (EEH) em seu limite paraxial não mais se aplica. Os métodos desenvolvidos para este fim são denominados na literatura como métodos de propagação de feixe de ângulo largo. O formalismo aqui desenvolvido é baseado na técnica das diferenças finitas e nos esquemas de Crank-Nicholson (CN) e Douglas generalizado (GD). Estes esquemas apresentam como característica o fato de apresentarem um erro de truncamento em relação ao passo de discretização transversal, Δx, proporcional a O(Δx2) para o primeiro e O(Δx4). A convergência do método em ambos esquemas é otimizada pela utilização de um algoritmo interativo para a correção do campo no meio não-linear. O formalismo de ângulo largo é obtido pela expansão da EEH para os esquemas CN e GD em termos de polinômios aproximantes de Padé de ordem (1,0) e (1,1) para CN e GD, e (2,2) e (3,3) para CN. Os aproximantes de ordem superior a (1,1) apresentam sérios problemas de estabilidade. Este problema é eliminado pela rotação dos aproximantes no plano complexo. Duas condições de contorno nos extremos da janela computacional são também investigadas: 1) (TBC - Transparent Boundary Condition) e 2) condição de contorno absorvente (TAB - Transparent Absorbing Boundary). Estas condições de contorno possuem a facilidade de evitar que reflexões indesejáveis sejam transmitidas para dentro da janela computacional. Um estudo comparativo da influência destas condições de contorno na solução de guias de ondas ópticos não-lineares é também abordada neste trabalho.

Desenvolvimento de estratégias de otimização contínua e discreta para problemas de fluxo de potência ótimo

O objetivo do presente trabalho é a investigação e o desenvolvimento de estratégias de otimização contínua e discreta para problemas de Fluxo de Potência Ótimo (FPO), onde existe a necessidade de se considerar as variáveis de controle associadas aos taps de transformadores em-fase e chaveamentos de bancos de capacitores e reatores shunt como variáveis discretas e existe a necessidade da limitação, e/ou até mesmo a minimização do número de ações de controle. Neste trabalho, o problema de FPO será abordado por meio de três estratégias. Na primeira proposta, o problema de FPO é modelado como um problema de Programação Não Linear com Variáveis Contínuas e Discretas (PNLCD) para a minimização de perdas ativas na transmissão; são propostas três abordagens utilizando funções de discretização para o tratamento das variáveis discretas. Na segunda proposta, considera-se que o problema de FPO, com os taps de transformadores discretos e bancos de capacitores e reatores shunts fixos, possui uma limitação no número de ações de controles; variáveis binárias associadas ao número de ações de controles são tratadas por uma função quadrática. Na terceira proposta, o problema de FPO é modelado como um problema de Otimização Multiobjetivo. O método da soma ponderada e o método ε-restrito são utilizados para modificar os problemas multiobjetivos propostos em problemas mono-objetivos. As variáveis binárias associadas às ações de controles são tratadas por duas funções, uma sigmoidal e uma polinomial. Para verificar a eficácia e a robustez dos modelos e algoritmos desenvolvidos serão realizados testes com os sistemas elétricos IEEE de 14, 30, 57, 118 e 300 barras. Todos os algoritmos e modelos foram implementados em General Algebraic Modeling System (GAMS) e os solvers CONOPT, IPOPT, KNITRO e DICOPT foram utilizados na resolução dos problemas. Os resultados obtidos confirmam que as estratégias de discretização são eficientes e as propostas de modelagem para variáveis binárias permitem encontrar soluções factíveis para os problemas envolvendo as ações de controles enquanto os solvers DICOPT e KNITRO utilizados para modelar variáveis binárias não encontram soluções.

Avaliação de métodos numéricos de análise linear de estabilidade para perfis de aço formados a frio.

Para o projeto de estruturas com perfis de aço formados a frio, é fundamental a compreensão dos fenômenos da instabilidade local e global, uma vez que estes apresentam alta esbeltez e baixa rigidez à torção. A determinação do carregamento crítico e a identificação do modo de instabilidade contribuem para o entendimento do comportamento dessas estruturas. Este trabalho avalia três metodologias para a análise linear de estabilidade de perfis de aço formados a frio isolados, com o objetivo de determinar os carregamentos críticos elásticos de bifurcação e os modos de instabilidade associados. Estritamente, analisa-se perfis de seção U enrijecido e Z enrijecido isolados, de diversos comprimentos e diferentes condições de vinculação e carregamento. Determinam-se os carregamentos críticos elásticos de bifurcação e os modos de instabilidade globais e locais por meio de: (i) análise com o Método das Faixas Finitas (MFF), através do uso do programa computacional CUFSM; (ii) análise com elementos finitos de barra baseados na Teoria Generalizada de Vigas (MEF-GBT), via uso do programa GBTUL; e (iii) análise com elementos finitos de casca (MEF-cascas) por meio do uso do programa ABAQUS. Algumas restrições e ressalvas com relação ao uso do MFF são apresentadas, assim como limitações da Teoria Generalizada de Viga e precauções a serem tomadas nos modelos de cascas. Analisa-se também a influência do grau de discretização da seção transversal. No entanto, não é feita avaliação em relação aos procedimentos normativos e tampouco análises não lineares, considerando as imperfeições geométricas iniciais, tensões residuais e o comportamento elastoplástico do material.

Aplicação de técnicas inteligentes com análise no domínio do tempo para reconhecimento de defeitos em motores de indução trifásicos

Os motores de indução trifásicos são os principais elementos de conversão de energia elétrica em mecânica motriz aplicados em vários setores produtivos. Identificar um defeito no motor em operação pode fornecer, antes que ele falhe, maior segurança no processo de tomada de decisão sobre a manutenção da máquina, redução de custos e aumento de disponibilidade. Nesta tese são apresentas inicialmente uma revisão bibliográfica e a metodologia geral para a reprodução dos defeitos nos motores e a aplicação da técnica de discretização dos sinais de correntes e tensões no domínio do tempo. É também desenvolvido um estudo comparativo entre métodos de classificação de padrões para a identificação de defeitos nestas máquinas, tais como: Naive Bayes, k-Nearest Neighbor, Support Vector Machine (Sequential Minimal Optimization), Rede Neural Artificial (Perceptron Multicamadas), Repeated Incremental Pruning to Produce Error Reduction e C4.5 Decision Tree. Também aplicou-se o conceito de Sistemas Multiagentes (SMA) para suportar a utilização de múltiplos métodos concorrentes de forma distribuída para reconhecimento de padrões de defeitos em rolamentos defeituosos, quebras nas barras da gaiola de esquilo do rotor e curto-circuito entre as bobinas do enrolamento do estator de motores de indução trifásicos. Complementarmente, algumas estratégias para a definição da severidade dos defeitos supracitados em motores foram exploradas, fazendo inclusive uma averiguação da influência do desequilíbrio de tensão na alimentação da máquina para a determinação destas anomalias. Os dados experimentais foram adquiridos por meio de uma bancada experimental em laboratório com motores de potência de 1 e 2 cv acionados diretamente na rede elétrica, operando em várias condições de desequilíbrio das tensões e variações da carga mecânica aplicada ao eixo do motor.

Avaliações e testes dos métodos MASW e ReMi por meio do tratamento de dados empíricos e sintéticos em um programa de processamento e inversão desenvolvido em MATLAB e sua implicação em um problema geológico na Bacia de Taubaté

Os métodos de ondas superficiais com ênfase nas ondas Rayleigh foram utilizados como o núcleo desse trabalho de Doutorado. Inicialmente, as ondas Rayleigh foram modeladas permitindo o estudo de sensibilidade de suas curvas de dispersão sob diferentes configurações de parâmetros físicos representando diversos modelos de camadas, em que pôde ser observado parâmetros com maior e menor sensibilidade e também alguns efeitos provocados por baixas razões de Poisson. Além disso, na fase de inversão dos dados a modelagem das ondas Rayleigh foi utilizada para a construção da função objeto, que agregada ao método de mínimos quadrados, a partir do método de Levenberg-Marquardt, permitiu a implementação de um algoritmo de busca local responsável pela inversão de dados das ondas superficiais. Por se tratar de um procedimento de busca local, o algoritmo de inversão foi complementado por uma etapa de pré-inversão com a geração de um modelo inicial para que o procedimento de inversão fosse mais rápido e eficiente. Visando uma eficiência ainda maior do procedimento de inversão, principalmente em modelos de camadas com inversão de velocidades, foi implementado um algoritmo de pós-inversão baseado em um procedimento de tentativa e erro minimizando os valores relativos da raiz quadrada do erro quadrático médio (REQMr) da inversão dos dados. Mais de 50 modelos de camadas foram utilizados para testar a modelagem, a pré-inversão, inversão e pós-inversão dos dados permitindo o ajuste preciso de parâmetros matemáticos e físicos presentes nos diversos scripts implementados em Matlab. Antes de inverter os dados adquiridos em campo, os mesmos precisaram ser tratados na etapa de processamento de dados, cujo objetivo principal é a extração da curva de dispersão originada devido às ondas superficiais. Para isso, foram implementadas, também em Matlab, três metodologias de processamento com abordagens matemáticas distintas. Essas metodologias foram testadas e avaliadas com dados sintéticos e reais em que foi possível constatar as virtudes e deficiências de cada metodologia estudada, bem como as limitações provocadas pela discretização dos dados de campo. Por último, as etapas de processamento, pré-inversão, inversão e pós-inversão dos dados foram unificadas para formar um programa de tratamento de dados de ondas superficiais (Rayleigh). Ele foi utilizado em dados reais originados pelo estudo de um problema geológico na Bacia de Taubaté em que foi possível mapear os contatos geológicos ao longo dos pontos de aquisição sísmica e compará-los a um modelo inicial existente baseado em observações geomorfológicas da área de estudos, mapa geológico da região e informações geológicas globais e locais dos movimentos tectônicos na região. As informações geofísicas associadas às geológicas permitiram a geração de um perfil analítico da região de estudos com duas interpretações geológicas confirmando a suspeita de neotectônica na região em que os contatos geológicos entre os depósitos Terciários e Quaternários foram identificados e se encaixaram no modelo inicial de hemi-graben com mergulho para Sudeste.

Modelagem estocástica da dispersão axial: aplicação em um reator tubular de polimerização.

Reatores tubulares de polimerização podem apresentar um perfil de velocidade bastante distorcido. Partindo desta observação, um modelo estocástico baseado no modelo de dispersão axial foi proposto para a representação matemática da fluidodinâmica de um reator tubular para produção de poliestireno. A equação diferencial foi obtida inserindo a aleatoriedade no parâmetro de dispersão, resultando na adição de um termo estocástico ao modelo capaz de simular as oscilações observadas experimentalmente. A equação diferencial estocástica foi discretizada e resolvida pelo método Euler-Maruyama de forma satisfatória. Uma função estimadora foi desenvolvida para a obtenção do parâmetro do termo estocástico e o parâmetro do termo determinístico foi calculado pelo método dos mínimos quadrados. Uma análise de convergência foi conduzida para determinar o número de elementos da discretização e o modelo foi validado através da comparação de trajetórias e de intervalos de confiança computacionais com dados experimentais. O resultado obtido foi satisfatório, o que auxilia na compreensão do comportamento fluidodinâmico complexo do reator estudado.

Estimation Models for Nonuniformly Sampled Signals–Application to Multiple Delay Estimation

This letter presents a method to model propagation channels for estimation, in which the sampling scheme can be arbitrary. Additionally, the method yields accurate models, with a size that converges to the channel duration, measured in Nyquist periods. It can be viewed as an improvement on the usual discretization based on regular sampling at the Nyquist rate. The method is introduced in the context of multiple delay estimation using the MUSIC estimator, and is assessed through a numerical example.

3D numerical modelling of acoustic horns using the method of fundamental solutions

In the present work, a three-dimensional (3D) formulation based on the method of fundamental solutions (MFS) is applied to the study of acoustic horns. The implemented model follows and extends previous works that only considered two-dimensional and axisymmetric horn configurations. The more realistic case of 3D acoustic horns with symmetry regarding two orthogonal planes is addressed. The use of the domain decomposition technique with two interconnected sub-regions along a continuity boundary is proposed, allowing for the computation of the sound pressure generated by an acoustic horn installed on a rigid screen. In order to reduce the model discretization requirements for these cases, Green’s functions derived with the image source methodology are adopted, automatically accounting for the presence of symmetry conditions. A strategy for the calculation of an optimal position of the virtual sources used by the MFS to define the solution is also used, leading to improved reliability and flexibility of the proposed method. The responses obtained by the developed model are compared to reference solutions, computed by well-established models based on the boundary element method. Additionally, numerically calculated acoustic parameters, such as directivity and beamwidth, are compared with those evaluated experimentally.

On the initiation of boudinage and folding instabilities in layered elasto-visco-plastic solids - Insights from natural microstructures and numerical simulations

The present understanding of the initiation of boudinage and folding structures is based on viscosity contrasts and stress exponents, considering an intrinsically unstable state of the layer. The criterion of localization is believed to be prescribed by geometry-material interactions, which are often encountered in natural structures. An alternative localization phenomenon has been established for ductile materials, in which instability emerges for critical material parameters and loading rates from homogeneous conditions. In this thesis, conditions are sought under which this type of instability prevails and whether localization in geological materials necessarily requires a trigger by geometric imperfections. The relevance of critical deformation conditions, material parameters and the spatial configuration of instabilities are discussed in a geological context. In order to analyze boudinage geometries, a numerical eigenmode analysis is introduced. This method allows determining natural frequencies and wavelengths of a structure and inducing perturbations on these frequencies. In the subsequent coupled thermo-mechanical simulations, using a grain size evolution and end-member flow laws, localization emerges when material softening through grain size sensitive viscous creep sets in. Pinch-and-swell structures evolve along slip lines through a positive feedback between the matrix response and material bifurcations inside the layer, independent from the mesh-discretization length scale. Since boudinage and folding are considered to express the same general instability, both structures should arise independently of the sign of the loading conditions and for identical material parameters. To this end, the link between material to energy instabilities is approached by means of bifurcation analyses of the field equations and finite element simulations of the coupled system of equations. Boudinage and folding structures develop at the same critical energy threshold, where dissipative work by temperature-sensitive creep overcomes the diffusive capacity of the layer. This finding provides basis for a unified theory for strain localization in layered ductile materials. The numerical simulations are compared to natural pinch-and-swell microstructures, tracing the adaption of grain sizes, textures and creep mechanisms in calcite veins. The switch from dislocation to diffusion creep relates to strain-rate weakening, which is induced by dissipated heat from grain size reduction, and marks the onset of continuous necking. The time-dependent sequence uncovers multiple steady states at different time intervals. Microstructurally and mechanically stable conditions are finally expressed in the pinch-and-swell end members. The major outcome of this study is that boudinage and folding can be described as the same coupled energy-mechanical bifurcation, or as one critical energy attractor. This finding allows the derivation of critical deformation conditions and fundamental material parameters directly from localized structures in the field.

A distributed equivalent magnetic current based FDTD method for the calculation of E-fields induced by gradient coils

This paper evaluates a new, low-frequency finite-difference time-domain method applied to the problem of induced E-fields/eddy currents in the human body resulting from the pulsed magnetic field gradients in MRI. In this algorithm, a distributed equivalent magnetic current is proposed as the electromagnetic source and is obtained by quasistatic calculation of the empty coil's vector potential or measurements therein. This technique circumvents the discretization of complicated gradient coil geometries into a mesh of Yee cells, and thereby enables any type of gradient coil modelling or other complex low frequency sources. The proposed method has been verified against an example with an analytical solution. Results are presented showing the spatial distribution of gradient-induced electric fields in a multi-layered spherical phantom model and a complete body model. (C) 2004 Elsevier Inc. All rights reserved.

The programming language python in earth system simulations

-scale vary from a planetary scale and million years for convection problems to 100km and 10 years for fault systems simulations. Various techniques are in use to deal with the time dependency (e.g. Crank-Nicholson), with the non-linearity (e.g. Newton-Raphson) and weakly coupled equations (e.g. non-linear Gauss-Seidel). Besides these high-level solution algorithms discretization methods (e.g. finite element method (FEM), boundary element method (BEM)) are used to deal with spatial derivatives. Typically, large-scale, three dimensional meshes are required to resolve geometrical complexity (e.g. in the case of fault systems) or features in the solution (e.g. in mantel convection simulations). The modelling environment escript allows the rapid implementation of new physics as required for the development of simulation codes in earth sciences. Its main object is to provide a programming language, where the user can define new models and rapidly develop high-level solution algorithms. The current implementation is linked with the finite element package finley as a PDE solver. However, the design is open and other discretization technologies such as finite differences and boundary element methods could be included. escript is implemented as an extension of the interactive programming environment python (see www.python.org). Key concepts introduced are Data objects, which are holding values on nodes or elements of the finite element mesh, and linearPDE objects, which are defining linear partial differential equations to be solved by the underlying discretization technology. In this paper we will show the basic concepts of escript and will show how escript is used to implement a simulation code for interacting fault systems. We will show some results of large-scale, parallel simulations on an SGI Altix system. Acknowledgements: Project work is supported by Australian Commonwealth Government through the Australian Computational Earth Systems Simulator Major National Research Facility, Queensland State Government Smart State Research Facility Fund, The University of Queensland and SGI.

A study on the flow characteristics of an industrial radiant tube burner

The thesis presents an experimentally validated modelling study of the flow of combustion air in an industrial radiant tube burner (RTB). The RTB is used typically in industrial heat treating furnaces. The work has been initiated because of the need for improvements in burner lifetime and performance which are related to the fluid mechanics of the com busting flow, and a fundamental understanding of this is therefore necessary. To achieve this, a detailed three-dimensional Computational Fluid Dynamics (CFD) model has been used, validated with experimental air flow, temperature and flue gas measurements. Initially, the work programme is presented and the theory behind RTB design and operation in addition to the theory behind swirling flows and methane combustion. NOx reduction techniques are discussed and numerical modelling of combusting flows is detailed in this section. The importance of turbulence, radiation and combustion modelling is highlighted, as well as the numerical schemes that incorporate discretization, finite volume theory and convergence. The study first focuses on the combustion air flow and its delivery to the combustion zone. An isothermal computational model was developed to allow the examination of the flow characteristics as it enters the burner and progresses through the various sections prior to the discharge face in the combustion area. Important features identified include the air recuperator swirler coil, the step ring, the primary/secondary air splitting flame tube and the fuel nozzle. It was revealed that the effectiveness of the air recuperator swirler is significantly compromised by the need for a generous assembly tolerance. Also, there is a substantial circumferential flow maldistribution introduced by the swirier, but that this is effectively removed by the positioning of a ring constriction in the downstream passage. Computations using the k-ε turbulence model show good agreement with experimentally measured velocity profiles in the combustion zone and proved the use of the modelling strategy prior to the combustion study. Reasonable mesh independence was obtained with 200,000 nodes. Agreement was poorer with the RNG  k-ε and Reynolds Stress models. The study continues to address the combustion process itself and the heat transfer process internal to the RTB. A series of combustion and radiation model configurations were developed and the optimum combination of the Eddy Dissipation (ED) combustion model and the Discrete Transfer (DT) radiation model was used successfully to validate a burner experimental test. The previously cold flow validated k-ε turbulence model was used and reasonable mesh independence was obtained with 300,000 nodes. The combination showed good agreement with temperature measurements in the inner and outer walls of the burner, as well as with flue gas composition measured at the exhaust. The inner tube wall temperature predictions validated the experimental measurements in the largest portion of the thermocouple locations, highlighting a small flame bias to one side, although the model slightly over predicts the temperatures towards the downstream end of the inner tube. NOx emissions were initially over predicted, however, the use of a combustion flame temperature limiting subroutine allowed convergence to the experimental value of 451 ppmv. With the validated model, the effectiveness of certain RTB features identified previously is analysed, and an analysis of the energy transfers throughout the burner is presented, to identify the dominant mechanisms in each region. The optimum turbulence-combustion-radiation model selection was then the baseline for further model development. One of these models, an eccentrically positioned flame tube model highlights the failure mode of the RTB during long term operation. Other models were developed to address NOx reduction and improvement of the flame profile in the burner combustion zone. These included a modified fuel nozzle design, with 12 circular section fuel ports, which demonstrates a longer and more symmetric flame, although with limited success in NOx reduction. In addition, a zero bypass swirler coil model was developed that highlights the effect of the stronger swirling combustion flow. A reduced diameter and a 20 mm forward displaced flame tube model shows limited success in NOx reduction; although the latter demonstrated improvements in the discharge face heat distribution and improvements in the flame symmetry. Finally, Flue Gas Recirculation (FGR) modelling attempts indicate the difficulty of the application of this NOx reduction technique in the Wellman RTB. Recommendations for further work are made that include design mitigations for the fuel nozzle and further burner modelling is suggested to improve computational validation. The introduction of fuel staging is proposed, as well as a modification in the inner tube to enhance the effect of FGR.

Applications of Reissner's principle to structural dynamics

The analysis and prediction of the dynamic behaviour of s7ructural components plays an important role in modern engineering design. :n this work, the so-called "mixed" finite element models based on Reissnen's variational principle are applied to the solution of free and forced vibration problems, for beam and :late structures. The mixed beam models are obtained by using elements of various shape functions ranging from simple linear to complex cubic and quadratic functions. The elements were in general capable of predicting the natural frequencies and dynamic responses with good accuracy. An isoparametric quadrilateral element with 8-nodes was developed for application to thin plate problems. The element has 32 degrees of freedom (one deflection, two bending and one twisting moment per node) which is suitable for discretization of plates with arbitrary geometry. A linear isoparametric element and two non-conforming displacement elements (4-node and 8-node quadrilateral) were extended to the solution of dynamic problems. An auto-mesh generation program was used to facilitate the preparation of input data required by the 8-node quadrilateral elements of mixed and displacement type. Numerical examples were solved using both the mixed beam and plate elements for predicting a structure's natural frequencies and dynamic response to a variety of forcing functions. The solutions were compared with the available analytical and displacement model solutions. The mixed elements developed have been found to have significant advantages over the conventional displacement elements in the solution of plate type problems. A dramatic saving in computational time is possible without any loss in solution accuracy. With beam type problems, there appears to be no significant advantages in using mixed models.

Temporal finite elements in the dynamic analysis of structures

This thesis demonstrates that the use of finite elements need not be confined to space alone, but that they may also be used in the time domain, It is shown that finite element methods may be used successfully to obtain the response of systems to applied forces, including, for example, the accelerations in a tall structure subjected to an earthquake shock. It is further demonstrated that at least one of these methods may be considered to be a practical alternative to more usual methods of solution. A detailed investigation of the accuracy and stability of finite element solutions is included, and methods of applications to both single- and multi-degree of freedom systems are described. Solutions using two different temporal finite elements are compared with those obtained by conventional methods, and a comparison of computation times for the different methods is given. The application of finite element methods to distributed systems is described, using both separate discretizations in space and time, and a combined space-time discretization. The inclusion of both viscous and hysteretic damping is shown to add little to the difficulty of the solution. Temporal finite elements are also seen to be of considerable interest when applied to non-linear systems, both when the system parameters are time-dependent and also when they are functions of displacement. Solutions are given for many different examples, and the computer programs used for the finite element methods are included in an Appendix.

Fast reconstruction of harmonic functions from Cauchy data using the Dirichlet-to-Neumann map and integral equations

We propose and investigate a method for the stable determination of a harmonic function from knowledge of its value and its normal derivative on a part of the boundary of the (bounded) solution domain (Cauchy problem). We reformulate the Cauchy problem as an operator equation on the boundary using the Dirichlet-to-Neumann map. To discretize the obtained operator, we modify and employ a method denoted as Classic II given in [J. Helsing, Faster convergence and higher accuracy for the Dirichlet–Neumann map, J. Comput. Phys. 228 (2009), pp. 2578–2576, Section 3], which is based on Fredholm integral equations and Nyström discretization schemes. Then, for stability reasons, to solve the discretized integral equation we use the method of smoothing projection introduced in [J. Helsing and B.T. Johansson, Fast reconstruction of harmonic functions from Cauchy data using integral equation techniques, Inverse Probl. Sci. Eng. 18 (2010), pp. 381–399, Section 7], which makes it possible to solve the discretized operator equation in a stable way with minor computational cost and high accuracy. With this approach, for sufficiently smooth Cauchy data, the normal derivative can also be accurately computed on the part of the boundary where no data is initially given.