Wet tundra polygon centers and distance between polygon centroids on Samoylov Island, Lena Delta, Siberia, Russia, with links to shape files

Subgrid processes occur in various ecosystems and landscapes but, because of their small scale, they are not represented or poorly parameterized in climate models. These local heterogeneities are often important or even fundamental for energy and carbon balances. This is especially true for northern peatlands and in particular for the polygonal tundra, where methane emissions are strongly influenced by spatial soil heterogeneities. We present a stochastic model for the surface topography of polygonal tundra using Poisson-Voronoi diagrams and we compare the results with available recent field studies. We analyze seasonal dynamics of water table variations and the landscape response under different scenarios of precipitation income. We upscale methane fluxes by using a simple idealized model for methane emission. Hydraulic interconnectivities and large-scale drainage may also be investigated through percolation properties and thresholds in the Voronoi graph. The model captures the main statistical characteristics of the landscape topography, such as polygon area and surface properties as well as the water balance. This approach enables us to statistically relate large-scale properties of the system to the main small-scale processes within the single polygons.

Estado del arte en procesos de zonificacion

Los procesos de partición espacial implican la división de un espacio geográfico en diferentes unidades o zonas según un conjunto específico de criterios. En ámbitos relacionados con las ciencias geoespaciales, la delimitación de estas zonas se realiza por agrupación de otras unidades básicas de área existentes en el espacio de trabajo. En este artículo se ofrece una revisión de los métodos de solución diseñados para este tipo de problemas, comenzando por una introducción a las técnicas heurísticas y modelos matemáticos más utilizados desde los años 60, para finalizar describiendo los recientes algoritmos aplicados a diagramas de Voronoi. También se revisan las aplicaciones en las que se han implementado algunos de estos modelos, quedando patente que son herramientas diseñadas para el tratamiento de problemas específicos, dada la dificultad de diseñar modelos genéricos y versátiles para este tipo de particiones espaciales o zonificaciones

Zonificación del espacio por agrupación de unidades superficiales. Aplicación a la gestión de sistemas extensivos del tipo cereal-ovino

RESUMEN Los procesos de diseño de zonas o diseño del territorio implican la partición de un espacio geográfico, organizado en un conjunto de unidades de área, en diferentes regiones o zonas según un conjunto especifico de criterios que varían en función del campo de aplicación. En la mayoría de los casos, el objetivo fundamental consiste en crear zonas de tamaño aproximadamente igual respecto a uno o varios atributos de medida -de carácter cuantitativo- (zonas con igual número de habitantes, igual promedio de ventas...). Sin embargo, están apareciendo nuevas aplicaciones, algunas en el contexto de las políticas de desarrollo sostenible, cuya finalidad es la definición de regiones con un tamaño predeterminado, no necesariamente similar. Además, en estos casos las zonas han de formarse en torno a un conjunto específico de posiciones, semillas o generadores. Este tipo de particiones no han sido lo suficientemente investigadas, de manera que no se conocen modelos de solución para la delimitación automática de las zonas. En esta tesis se ha diseñado un nuevo método basado en una versión discreta del diagrama de Voronoi con peso aditivo adaptativo (DVPAA), que permite la partición de un espacio bidimensional en zonas de un tamaño específico, considerando tanto la posición como el peso de cada uno de los generadores. El método consiste en resolver repetidamente un tradicional diagrama de Voronoi con peso aditivo, de forma que los pesos de cada generador se actualizan en cada iteración. En el proceso de cálculo de distancias se usa una métrica basada en el camino más corto, lo que garantiza que la partición obtenida esté formada por un conjunto de zonas conexas. La heurística diseñada se integra en una aplicación prototipo, desarrollada en un entorno SIG (Sistemas de Información Geográfica), que permite el trazado automático de zonas según los criterios anteriormente expuestos. Para analizar la viabilidad del método se ha utilizado como caso de estudio la gestión de los recursos pastorales para la ganadería extensiva en tres municipios de Castilla-La Mancha. Las pruebas realizadas ponen de manifiesto que la heurística diseñada, adaptada a los criterios que se plantean en el contexto de la gestión de sistemas extensivos agropecuarios, es válida para resolver este tipo de problemas de partición. El método propuesto se caracteriza por su eficacia en el tratamiento de un gran número de unidades superficiales en formato vectorial, generando soluciones que convergen con relativa rapidez y verifican los criterios establecidos. En el caso estudiado, aunque la posición prefijada de los generadores reduce considerablemente la complejidad del problema, existen algunas configuraciones espaciales de estos elementos para las que el algoritmo no encuentra una solución satisfactoria, poniéndose de manifiesto una de las limitaciones de este modelo. Tal y como se ha podido comprobar, la localización de los generadores puede tener un considerable impacto en la zonificación resultante, por lo que, de acuerdo con Kalcsics et al. (2005), una selección "inadecuada" difícilmente puede generar regiones válidas que verifiquen los criterios establecidos. ABSTRACT Tenitory or zone design processes entail partitioning a geographic space, organized as a set of basic areal units, into different regions or zones according to a specific set of entena that are dependent on the application context. In most cases the aim is to create zones that have approximately equal sizes with respect to one or several measure attributes (zones with equal numbers of inhabitants, same average sales, etc). However, some of the new applications that have emerged, particularly in the context of sustainable development policies, are aimed at defining zones of a predetermined, though not necessarily similar, size. In addition, the zones should be built around a given set of positions, seeds or generators. This type of partitioning has not been sufñciently researched; therefore there are no known approaches for automated zone delimitation. This thesis proposes a new method based on a discrete versión of the Adaptive Additively Weighted Voronoi Diagram (AAWVD) that makes it possible to partition a 2D space into zones of specific sizes, taking both the position and the weight of each (seed) generator into account. The method consists of repeatedly solving a traditional additively weighted Voronoi diagram, so that the weights of each generator are updated at every iteration. The partition s zones are geographically connected nsing a metric based 011 the shortest path. The proposed heuristic lias been included in an application, developed in a GIS environment that allows the automated zone delimitation according to the mentioned criteria. The management of the extensive farming system of three municipalities of Castilla-La Mancha (Spain) has been used as study case to analyze the viability of the method. The tests carried out have established that the proposed method, adapted to the criteria of this application field, is valid for solving this type of partition problem. The applied algorithm is capable of handling a high number of vector areal units, generating solutions that converge in a reasonable CPU time and comply with the imposed constraints. Although the complexity of this problem is greatly reduced when the generator's positions are fixed, in many cases, these positions impose a spatial confignration that the algorithm proposed is unable to solve, thus revealing one of the limitations of this method. It has been shown that the location of the generators has a considerable impact on the final solution, so that, as Kalcsics et al. (2005) observed, an "inadequate" selection can hardly generate valid zones that comply with the established criteria.

Representing microstates of static granular matter in a stress phase space

A stress phase space is proposed to compare the static packings of a granular system (microstates) that are compatible to a macrostate described by external stresses. The equivalent stress of each particle of a static packing can be obtained from the mechanical interaction forces, and the associated volume is given by the respective Voronoi cell. Therefore, particles can be located at different stress levels and grouped into categories or configurations, which are defined in base of the geometrical features of the local arrangement (in particular, of the number of forces that keep them force-balanced). They can be represented as points in a stress phase space. The nature of this space is analyzed in detail. The integration limits of the stress variables that avoid or limit tensile states and the capability of each configuration to represent specific stress states establish its main features. Furthermore, if some stress variables are used, instead of the usual components of the Cauchy stress tensor, then some symmetries can be found. Results obtained from molecular dynamics simulations are used to check this nature. Finally, some statistical ensembles are written in terms of the coordinates of this phase space. These require some assumptions that are made in base on continuum mechanics principles.

Intrinsic compressibility and volume compression in solvated proteins by molecular dynamics simulation at high pressure.

Constant pressure and temperature molecular dynamics techniques have been employed to investigate the changes in structure and volumes of two globular proteins, superoxide dismutase and lysozyme, under pressure. Compression (the relative changes in the proteins' volumes), computed with the Voronoi technique, is closely related with the so-called protein intrinsic compressibility, estimated by sound velocity measurements. In particular, compression computed with Voronoi volumes predicts, in agreement with experimental estimates, a negative bound water contribution to the apparent protein compression. While the use of van der Waals and molecular volumes underestimates the intrinsic compressibilities of proteins, Voronoi volumes produce results closer to experimental estimates. Remarkably, for two globular proteins of very different secondary structures, we compute identical (within statistical error) protein intrinsic compressions, as predicted by recent experimental studies. Changes in the protein interatomic distances under compression are also investigated. It is found that, on average, short distances compress less than longer ones. This nonuniform contraction underlines the peculiar nature of the structural changes due to pressure in contrast with temperature effects, which instead produce spatially uniform changes in proteins. The structural effects observed in the simulations at high pressure can explain protein compressibility measurements carried out by fluorimetric and hole burning techniques. Finally, the calculation of the proteins static structure factor shows significant shifts in the peaks at short wavenumber as pressure changes. These effects might provide an alternative way to obtain information concerning compressibilities of selected protein regions.

Método multigrid algébrico: reutilização das estruturas multigrid no transporte de contaminantes

A necessidade de obter solução de grandes sistemas lineares resultantes de processos de discretização de equações diferenciais parciais provenientes da modelagem de diferentes fenômenos físicos conduz à busca de técnicas numéricas escaláveis. Métodos multigrid são classificados como algoritmos escaláveis.Um estimador de erros deve estar associado à solução numérica do problema discreto de modo a propiciar a adequada avaliação da solução obtida pelo processo de aproximação. Nesse contexto, a presente tese caracteriza-se pela proposta de reutilização das estruturas matriciais hierárquicas de operadores de transferência e restrição dos métodos multigrid algébricos para acelerar o tempo de solução dos sistemas lineares associados à equação do transporte de contaminantes em meio poroso saturado. Adicionalmente, caracteriza-se pela implementação das estimativas residuais para os problemas que envolvem dados constantes ou não constantes, os regimes de pequena ou grande advecção e pela proposta de utilização das estimativas residuais associadas ao termo de fonte e à condição inicial para construir procedimentos adaptativos para os dados do problema. O desenvolvimento dos códigos do método de elementos finitos, do estimador residual e dos procedimentos adaptativos foram baseados no projeto FEniCS, utilizando a linguagem de programação PYTHONR e desenvolvidos na plataforma Eclipse. A implementação dos métodos multigrid algébricos com reutilização considera a biblioteca PyAMG. Baseado na reutilização das estruturas hierárquicas, os métodos multigrid com reutilização com parâmetro fixo e automática são propostos, e esses conceitos são estendidos para os métodos iterativos não-estacionários tais como GMRES e BICGSTAB. Os resultados numéricos mostraram que o estimador residual captura o comportamento do erro real da solução numérica, e fornece algoritmos adaptativos para os dados cuja malha retornada produz uma solução numérica similar à uma malha uniforme com mais elementos. Adicionalmente, os métodos com reutilização são mais rápidos que os métodos que não empregam o processo de reutilização de estruturas. Além disso, a eficiência dos métodos com reutilização também pode ser observada na solução do problema auxiliar, o qual é necessário para obtenção das estimativas residuais para o regime de grande advecção. Esses resultados englobam tanto os métodos multigrid algébricos do tipo SA quanto os métodos pré-condicionados por métodos multigrid algébrico SA, e envolvem o transporte de contaminantes em regime de pequena e grande advecção, malhas estruturadas e não estruturadas, problemas bidimensionais, problemas tridimensionais e domínios com diferentes escalas.

Análise elastoplástica bidimensional de meios reforçados com fibras

De modo a satisfazer aspectos de resistência, custo ou conforto, o aperfeiçoamento do desempenho das estruturas é uma meta sempre almejada na Engenharia. Melhorias têm sido alcançadas dado ao crescente uso de materiais compósitos, pois estes apresentam propriedades físicas diferenciadas capazes de atender as necessidades de projeto. Associado ao emprego de compósitos, o estudo da plasticidade demonstra uma interessante alternativa para aumentar o desempenho estrutural ao conferir uma capacidade resistente adicional ao conjunto. Entretanto, alguns problemas podem ser encontrados na análise elastoplástica de compósitos, além das próprias dificuldades inerentes à incorporação de fibras na matriz, no caso de compósitos reforçados. A forma na qual um compósito reforçado por fibras e suas fases têm sua representação e simulação é de extrema importância para garantir que os resultados obtidos sejam compatíveis com a realidade. À medida que se desenvolvem modelos mais refinados, surgem problemas referentes ao custo computacional, além da necessidade de compatibilização dos graus de liberdade entre os nós das malhas de elementos finitos da matriz e do reforço, muitas vezes exigindo a coincidência das referidas malhas. O presente trabalho utiliza formulações que permitem a representação de compósitos reforçados com fibras sem que haja a necessidade de coincidência entre malhas. Além disso, este permite a simulação do meio e do reforço em regime elastoplástico com o objetivo de melhor estudar o real comportamento. O modelo constitutivo adotado para a plasticidade é o de von Mises 2D associativo com encruamento linear positivo e a solução deste modelo foi obtida através de um processo iterativo. A formulação de elementos finitos posicional é adotada com descrição Lagrangeana Total e apresenta as posições do corpo no espaço como parâmetros nodais. Com o intuito de averiguar a correta implementação das formulações consideradas, exemplos para validação e apresentação das funcionalidades do código computacional desenvolvido foram analisados.

Um modelo multiescala concorrente para representar o processo de fissuração do concreto.

Este trabalho propõe uma técnica de modelagem multiescala concorrente do concreto considerando duas escalas distintas: a mesoescala, onde o concreto é modelado como um material heterogêneo, e a macroescala, na qual o concreto é tratado como um material homogêneo. A heterogeneidade da estrutura mesoscópica do concreto é idealizada considerando três fases distintas, compostas pelos agregados graúdos e argamassa (matriz), estes considerados materiais homogêneos, e zona de transição interfacial (ZTI), tratada como a parte mais fraca entre as três fases. O agregado graúdo é gerado a partir de uma curva granulométrica e posicionado na matriz de forma aleatória. Seu comportamento mecânico é descrito por um modelo constitutivo elástico-linear, devido a sua maior resistência quando comparado com as outras duas fases do concreto. Elementos finitos contínuos com alta relação de aspecto em conjunto com um modelo constitutivo de dano são usados para representar o comportamento não linear do concreto, decorrente da iniciação de fissuras na ZTI e posterior propagação para a matriz, dando lugar à formação de macrofissuras. Os elementos finitos de interface com alta relação de aspecto são inseridos entre todos os elementos regulares da matriz e entre os da matriz e agregados, representando a ZTI, tornando-se potenciais caminhos de propagação de fissuras. No estado limite, quando a espessura do elemento de interface tende a zero (h ?0) e, consequentemente, a relação de aspecto tende a infinito, estes elementos apresentam a mesma cinemática da aproximação contínua de descontinuidades fortes (ACDF), sendo apropriados para representar a formação de descontinuidades associados a fissuras, similar aos modelos coesivos. Um modelo de dano à tração é proposto para representar o comportamento mecânico não linear das interfaces, associado à formação de fissuras, ou até mesmo ao eventual fechamento destas. A fim de contornar os problemas causados pela malha de elementos finitos de transição entre as malhas da macro e da mesoescala, que, em geral, apresentam diferenças expressivas 5 de refinamento, utiliza-se uma técnica recente de acoplamento de malhas não conformes. Esta técnica é baseada na definição de elementos finitos de acoplamento (EFAs), os quais são capazes de estabelecer a continuidade de deslocamento entre malhas geradas de forma completamente independentes, sem aumentar a quantidade total de graus de liberdade do problema, podendo ser utilizados tanto para acoplar malhas não sobrepostas quanto sobrepostas. Para tornar possível a análise em multiescala em casos nos quais a região de localização de deformações não pode ser definida a priori, propõe-se uma técnica multiescala adaptativa. Nesta abordagem, usa-se a distribuição de tensões da escala macroscópica como um indicador para alterar a modelagem das regiões críticas, substituindo-se a macroescala pela mesoescala durante a análise. Consequentemente, a malha macroscópica é automaticamente substituída por uma malha mesoscópica, onde o comportamento não linear está na iminência de ocorrer. Testes numéricos são desenvolvidos para mostrar a capacidade do modelo proposto de representar o processo de iniciação e propagação de fissuras na região tracionada do concreto. Os resultados numéricos são comparados com os resultados experimentais ou com aqueles obtidos através da simulação direta em mesoescala (SDM).

O elemento finito T6-3i na análise de placas e dinâmica de cascas.

O método dos elementos finitos é o método numérico mais difundido na análise de estruturas. Ao longo das últimas décadas foram formulados inúmeros elementos finitos para análise de cascas e placas. As formulações de elementos finitos lidam bem com o campo de deslocamentos, mas geralmente faltam testes que possam validar os resultados obtidos para o campo das tensões. Este trabalho analisa o elemento finito T6-3i, um elemento finito triangular de seis nós proposto dentro de uma formulação geometricamente exata, em relação aos seus resultados de tensões, comparando-os com as teorias analíticas de placas, resultados de tabelas para o cálculo de momentos em placas retangulares e do ANSYSr, um software comercial para análise estrutural, mostrando que o T6-3i pode apresentar resultados insatisfatórios. Na segunda parte deste trabalho, as potencialidades do T6-3i são expandidas, sendo proposta uma formulação dinâmica para análise não linear de cascas. Utiliza-se um modelo Lagrangiano atualizado e a forma fraca é obtida do Teorema dos Trabalhos Virtuais. São feitas simulações numéricas da deformação de domos finos que apresentam vários snap-throughs e snap-backs, incluindo domos com vincos curvos, mostrando a robustez, simplicidade e versatilidade do elemento na sua formulação e na geração das malhas não estruturadas necessárias para as simulações.

On the development of advanced techniques for mixed-elastohydrodynamic lubrification modelling of journal and sliding bearing systems.

The present thesis is focused on the development of a thorough mathematical modelling and computational solution framework aimed at the numerical simulation of journal and sliding bearing systems operating under a wide range of lubrication regimes (mixed, elastohydrodynamic and full film lubrication regimes) and working conditions (static, quasi-static and transient conditions). The fluid flow effects have been considered in terms of the Isothermal Generalized Equation of the Mechanics of the Viscous Thin Films (Reynolds equation), along with the massconserving p-Ø Elrod-Adams cavitation model that accordingly ensures the so-called JFO complementary boundary conditions for fluid film rupture. The variation of the lubricant rheological properties due to the viscous-pressure (Barus and Roelands equations), viscous-shear-thinning (Eyring and Carreau-Yasuda equations) and density-pressure (Dowson-Higginson equation) relationships have also been taken into account in the overall modelling. Generic models have been derived for the aforementioned bearing components in order to enable their applications in general multibody dynamic systems (MDS), and by including the effects of angular misalignments, superficial geometric defects (form/waviness deviations, EHL deformations, etc.) and axial motion. The bearing exibility (conformal EHL) has been incorporated by means of FEM model reduction (or condensation) techniques. The macroscopic in fluence of the mixedlubrication phenomena have been included into the modelling by the stochastic Patir and Cheng average ow model and the Greenwood-Williamson/Greenwood-Tripp formulations for rough contacts. Furthermore, a deterministic mixed-lubrication model with inter-asperity cavitation has also been proposed for full-scale simulations in the microscopic (roughness) level. According to the extensive mathematical modelling background established, three significant contributions have been accomplished. Firstly, a general numerical solution for the Reynolds lubrication equation with the mass-conserving p - Ø cavitation model has been developed based on the hybridtype Element-Based Finite Volume Method (EbFVM). This new solution scheme allows solving lubrication problems with complex geometries to be discretized by unstructured grids. The numerical method was validated in agreement with several example cases from the literature, and further used in numerical experiments to explore its exibility in coping with irregular meshes for reducing the number of nodes required in the solution of textured sliding bearings. Secondly, novel robust partitioned techniques, namely: Fixed Point Gauss-Seidel Method (PGMF), Point Gauss-Seidel Method with Aitken Acceleration (PGMA) and Interface Quasi-Newton Method with Inverse Jacobian from Least-Squares approximation (IQN-ILS), commonly adopted for solving uid-structure interaction problems have been introduced in the context of tribological simulations, particularly for the coupled calculation of dynamic conformal EHL contacts. The performance of such partitioned methods was evaluated according to simulations of dynamically loaded connecting-rod big-end bearings of both heavy-duty and high-speed engines. Finally, the proposed deterministic mixed-lubrication modelling was applied to investigate the in fluence of the cylinder liner wear after a 100h dynamometer engine test on the hydrodynamic pressure generation and friction of Twin-Land Oil Control Rings.

The pale horse /

Preservation photocopy on alkaline paper.

Teleonomic entropy: measuring the phase-space of end-directed systems

We introduce a novel way of measuring the entropy of a set of values undergoing changes. Such a measure becomes useful when analyzing the temporal development of an algorithm designed to numerically update a collection of values such as artificial neural network weights undergoing adjustments during learning. We measure the entropy as a function of the phase-space of the values, i.e. their magnitude and velocity of change, using a method based on the abstract measure of entropy introduced by the philosopher Rudolf Carnap. By constructing a time-dynamic two-dimensional Voronoi diagram using Voronoi cell generators with coordinates of value- and value-velocity (change of magnitude), the entropy becomes a function of the cell areas. We term this measure teleonomic entropy since it can be used to describe changes in any end-directed (teleonomic) system. The usefulness of the method is illustrated when comparing the different approaches of two search algorithms, a learning artificial neural network and a population of discovering agents. (C) 2004 Elsevier Inc. All rights reserved.

Uma técnica de linearização por realimentação para compensação de agarramento em válvulas de controle pneumáticas

In control loops valve stiction is a very common problem. Generally, it is one of main causes of poor performance of industrial systems. Its most commonly observed effect is oscillation in the process variables. To circumvent the undesirable effects, friction compensators have been proposed in order to reduce the variability in the output. This work analyzes the friction compensation in pneumatic control valves by using feedback linearization technique. The valve model includes both dead zone and jump. Simulations show that the use of this more complete model results in controllers with superior performance. The method is also compared through simulations with the method known as Constant Reinforcement (CR), widely used in this problem.

Controle adaptativo com desacoplamento aplicado a um sistema de tanques acoplados MIMO

O controle de sistemas MIMO (Multiple Input Multiple Output) é muitas vezes realizado por várias malhas de controladores clássicos que operam com restrições e apresentam baixo desempenho. Técnicas de controle adaptativo são uma alternativa interessante para aumentar o rendimento desses sistemas, como por exemplo os controladores MRAC (Model Reference Adaptive Control), que quando bem projetados, permitem que a dinâmica da planta seja escolhida de maneira a seguir um modelo de referência. O presente trabalho apresenta uma estratégia de desacoplamento para um sistema MIMO de três tanques acoplados e o projeto de um controlador MRAC para o mesmo.

Controle adaptativo com desacoplamento aplicado a um sistema de tanques acoplados MIMO

O controle de sistemas MIMO (Multiple Input Multiple Output) é muitas vezes realizado por várias malhas de controladores clássicos que operam com restrições e apresentam baixo desempenho. Técnicas de controle adaptativo são uma alternativa interessante para aumentar o rendimento desses sistemas, como por exemplo os controladores MRAC (Model Reference Adaptive Control), que quando bem projetados, permitem que a dinâmica da planta seja escolhida de maneira a seguir um modelo de referência. O presente trabalho apresenta uma estratégia de desacoplamento para um sistema MIMO de três tanques acoplados e o projeto de um controlador MRAC para o mesmo.