Desenvolvimento de um método numérico para simular escoamentos viscoelásticos axissimétricos com superfícies livres: Modelo PTT

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

Modelagem sísmica via métodos das diferenças finitas: caso da bacia do Amazonas

Este trabalho tem por objetivo apresentar os resultados da modelagem sísmica em meios com fortes descontinuidades de propriedades físicas, com ênfase na existência de difrações e múltiplas reflexões, tendo a Bacia do Amazonas como referência à modelagem. As condições de estabilidade e de fronteiras utilizadas no cálculo do campo de ondas sísmicas foram analisadas numericamente pelo método das diferenças finitas, visando melhor compreensão e controle da interpretação de dados sísmicos. A geologia da Bacia do Amazonas é constituída por rochas sedimentares depositadas desde o Ordoviciano até o Recente que atingem espessuras da ordem de 5 km. Os corpos de diabásio, presentes entre os sedimentos paleozóicos, estão dispostos na forma de soleiras, alcançam espessuras de centenas de metros e perfazem um volume total de aproximadamente 90000 Km³. A ocorrência de tais estruturas é responsável pela existência de reflexões múltiplas durante a propagação da onda sísmica o que impossibilita melhor interpretação dos horizontes refletores que se encontram abaixo destas soleiras. Para representar situações geológicas desse tipo foram usados um modelo (sintético) acústico de velocidades e um código computacional elaborado via método das diferenças finitas com aproximação de quarta ordem no espaço e no tempo da equação da onda. A aplicação dos métodos de diferenças finitas para o estudo de propagação de ondas sísmicas melhorou a compreensão sobre a propagação em meios onde existem heterogeneidades significativas, tendo como resultado boa resolução na interpretação dos eventos de reflexão sísmica em áreas de interesse. Como resultado dos experimentos numéricos realizados em meio de geologia complexa, foi observada a influência significativa das reflexões múltiplas devido à camada de alta velocidade, isto provocou maior perda de energia e dificultou a interpretação dos alvos. Por esta razão recomenda-se a integração de dados de superfície com os de poço, com o objetivo de obter melhor imagem dos alvos abaixo das soleiras de diabásio.

Projeto de um monopolo Hi para aplicações no sistema brasileiro de TV digital

A presente pesquisa trata o projeto e análise de uma antena monopolo planar com geometria modificada visando sua utilização para recepção do sinal de TV digital operante no Brasil na faixa de 470 MHz a 806 MHz. Faixa essa contida no espectro de UHF – Ultra High Frequency (300 MHz a 3 GHz). Para desenvolvimento desse trabalho foi tomado como referência à antena denominada “The Hi Monopole”. Que originalmente foi apresentada para operar em sistemas UWB (Ultra Wide Band) em 3,1 a 10,6 GHz. Para o desenvolvimento do trabalho proposto, diferentes técnicas de adequação da antena podem ser utilizadas para operação em banda larga, tais como: modificação na estrutura da antena, carregamento resistivo, chaveamento, utilização de elementos parasitas e estruturas de casamento. O projeto de antenas banda larga pode ser realizado a partir de três abordagens diferentes: domínio do tempo, domínio da frequência e método de expansão por singularidades. O método no domínio da frequência foi empregado neste trabalho para o projeto da antena proposta, algumas das técnicas supracitadas foram analisadas almejando o aumento da largura de banda, sendo confeccionado um protótipo da antena para validar os conceitos empregados. A antena foi então projetada para a faixa de 470 MHz a 890 MHz. O protótipo construído para essa mesma faixa apresentou bons resultados, o que valida à técnica empregada. Aspectos positivos e negativos do uso desta técnica são discutidos ao longo do trabalho. O programa computacional comercial CST® MICROWAVE STUDIO, baseado na Técnica da Integração Finita (FIT), foi usado para simulações no domínio da frequência.

Wave equation depth migration using complex Padé approximation

Propomos um novo método de migração em profundidade baseado na solução da equação da onda com densidade constante no domínio da freqüência. Uma aproximação de Padé complexa é usada para aproximar o operador de evolução aplicado na extrapolação do campo de ondas. Esse método reduz as imprecisões e instabilidades devido às ondas evanescentes e produz imagens com menos ruídos numéricos que aquelas obtidas usando-se a aproximação de Padé real para o operador exponencial, principalmente em meios com fortes variações de velocidades. Testes em dados de afastamento nulo do modelo de sal SEG/EAGE e nos dados de tiro comum 2-D Marmousi foram realizados. Os resultados obtidos mostram que o método de migração proposto consegue lidar com fortes variações laterais e também tem uma boa resposta para refletores com mergulhos íngremes. Os resultados foram comparados àqueles resultados obtidos com os métodos split-step Fourier (SSF), phase shift plus interpolarion (PSPI) e Fourier diferenças-finitas (FFD).

Migração FFD 3D em profundidade usando aproximação de Padé complexa

Implementações dos métodos de migração diferença finita e Fourier (FFD) usam fatoração direcional para acelerar a performance e economizar custo computacional. Entretanto essa técnica introduz anisotropia numérica que podem erroneamente posicionar os refletores em mergulho ao longo das direções em que o não foi aplicado a fatoração no operador de migração. Implementamos a migração FFD 3D, sem usar a técnica do fatoração direcional, no domínio da frequência usando aproximação de Padé complexa. Essa aproximação elimina a anisotropia numérica ao preço de maior custo computacional buscando a solução do campo de onda para um sistema linear de banda larga. Experimentos numéricos, tanto no modelo homogêneo e heterogêneo, mostram que a técnica da fatoração direcional produz notáveis erros de posicionamento dos refletores em meios com forte variação lateral de velocidade. Comparamos a performance de resolução do algoritmo de FFD usando o método iterativo gradiente biconjugado estabilizado (BICGSTAB) e o multifrontal massively parallel direct solver (MUMPS). Mostrando que a aproximação de Padé complexa é um eficiente precondicionador para o BICGSTAB, reduzindo o número de iterações em relação a aproximação de Padé real. O método iterativo BICGSTAB é mais eficiente que o método direto MUMPS, quando usamos apenas um termo da expansão de Padé complexa. Para maior ângulo de abertura do operador, mais termos da série são requeridos no operador de migração, e neste caso, a performance do método direto é mais eficiente. A validação do algoritmo e as propriedades da evolução computacional foram avaliadas para a resposta ao impulso do modelo de sal SEG/EAGE.

Modelagem sísmica por diferenças finitas em meios bidimensionais com difratores

Este trabalho tem por objetivo a modelagem sísmica em meios com fortes descontinuidades de propriedades físicas, com ênfase na existência de difrações. Como parte deste estudo foi feita a análise numérica visando as condições de estabilidade e de fronteiras utilizadas no cálculo do campo de ondas sísmicas. Para a validação do programa de diferenças finitas foi feita a comparação cinemática com a Teoria do Raio para um modelo simples. O motivo deste estudo é ter uma melhor compreensão e controle sobre os problemas de modelagem, visando contribuir para a solução de problemas na interpretação de dados sísmicos. Segundo vários autores na literatura geológica, Derby (1877), Evans (1906), Paiva (1929) e Moura (1938). A Bacia do Amazonas é constituída por rochas sedimentares depositadas desde o Ordoviciano até o recente, atingindo espessuras da ordem de 5 km. Os corpos de diabásio, presentes entre os sedimentos paleozóicos, estão dispostos na forma de soleiras, alcançando espessuras de centenas de metros, perfazendo um volume total de 90.000 quilômetros cúbicos. A ocorrência de tais estruturas é responsável pela existência de reflexões múltiplas durante a propagação da onda sísmica, impossibilitando uma melhor interpretação dos horizontes refletores que se encontram abaixo das soleiras. Para representar situações geológicas desse tipo foi usado um modelo acústico de velocidades. Para o cálculo dos sismogramas foi utilizado um programa de diferenças finitas com aproximação de quarta ordem da equação da onda acústica no espaço e no tempo. As aplicações dos métodos de diferenças finitas para o estudo de propagação de ondas sísmicas têm melhorado a compreensão sobre a propagação em meios onde existem heterogeneidades significativas, tendo como resultado boa resolução na interpretação dos eventos de reflexão sísmica em áreas de interesse. Como resultado dos experimentos numéricos realizados em meio de geologia complexa, foi observado a influência significativa das múltiplas devido a camada de alta velocidade, o que faz com que haja maior perda de energia dificultando a interpretação dos alvos. Por esta razão recomendo a integração de dados de superfície com os dados de poço, com o objetivo de se obter uma melhor imagem dos alvos abaixo das soleiras de diabásio.

Projeto de antenas multibandas integradas para terminais 4G

O presente trabalho apresenta um projeto e análise de uma antena monopolo planar multibanda operante nas frequências de 2000 MHz, 2500 MHz e 3500 MHz para aplicação em dispositivos móveis 3G e 4G. Dentre essas faixas estão contidos os espectros 3G (1895- 2165 MHz), 4G (2500-2690 MHz) e 4G (3400-3600 MHz) utilizadas pelo LTE e WIMAX 3,5. Para o desenvolvimento desse estudo foi tomado como referência uma antena dual-band de Hua- Ming Chen projetada para operar em sistemas ISM 1800 MHz, redes Wireless e Bluetooth 2400 MHz. O projeto proposto neste trabalho é uma modificação na estrutura da antena dual-band adaptada para tripla ressonância simultânea em frequências utilizadas em redes móveis 4G. Para alcançar o objetivo proposto utilizou-se para simulação o software CST® MICROWAVE STUDIO baseado no método Integração Finita no Domínio, as simulações foram feitas no domínio do tempo. Após obtenção satisfatória dos resultados simulados, um protótipo da antena foi confeccionado para medição e teste, os resultados apresentados são coerentes aos obtidos na simulação, o que valida o método proposto.

Desenvolvimento de uma metodologia numérica para escoamentos viscoelásticos não-isotérmicos

Pós-graduação em Matematica Aplicada e Computacional - FCT

Modelos dinâmicos simplificados, para verificação do comportamento de rede de satélites amarrados por cabos flexíveis, usando-se o método explícito das diferenças finitas

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

A novel self consistent calculation approach for the capacitance-voltage characteristics of semiconductor quantum wire transistors based on a split-gate configuration

Purpose - The purpose of this paper is to develop an efficient numerical algorithm for the self-consistent solution of Schrodinger and Poisson equations in one-dimensional systems. The goal is to compute the charge-control and capacitance-voltage characteristics of quantum wire transistors. Design/methodology/approach - The paper presents a numerical formulation employing a non-uniform finite difference discretization scheme, in which the wavefunctions and electronic energy levels are obtained by solving the Schrodinger equation through the split-operator method while a relaxation method in the FTCS scheme ("Forward Time Centered Space") is used to solve the two-dimensional Poisson equation. Findings - The numerical model is validated by taking previously published results as a benchmark and then applying them to yield the charge-control characteristics and the capacitance-voltage relationship for a split-gate quantum wire device. Originality/value - The paper helps to fulfill the need for C-V models of quantum wire device. To do so, the authors implemented a straightforward calculation method for the two-dimensional electronic carrier density n(x,y). The formulation reduces the computational procedure to a much simpler problem, similar to the one-dimensional quantization case, significantly diminishing running time.

Nerve fiber layer in glaucomatous hemifield loss: a case-control study with time- and spectral-domain optical coherence tomography

Purpose: To evaluate the retinal nerve fiber layer measurements with time-domain (TD) and spectral-domain (SD) optical coherence tomography (OCT), and to test the diagnostic ability of both technologies in glaucomatous patients with asymmetric visual hemifield loss. Methods: 36 patients with primary open-angle glaucoma with visual field loss in one hemifield (affected) and absent loss in the other (non-affected), and 36 age-matched healthy controls had the study eye imaged with Stratus-OCT (Carl Zeiss Meditec Inc., Dublin, California, USA) and 3 D OCT-1000 (Topcon, Tokyo, Japan). Peripapillary retinal nerve fiber layer measurements and normative classification were recorded. Total deviation values were averaged in each hemifield (hemifield mean deviation) for each subject. Visual field and retinal nerve fiber layer "asymmetry indexes" were calculated as the ratio between affected versus non-affected hemifields and corresponding hemiretinas. Results: Retinal nerve fiber layer measurements in non-affected hemifields (mean [SD] 87.0 [17.1] mu m and 84.3 [20.2] mu m, for TD and SD-OCT, respectively) were thinner than in controls (119.0 [12.2] mu m and 117.0 [17.7] mu m, P<0.001). The optical coherence tomography normative database classified 42% and 67% of hemiretinas corresponding to non-affected hemifields as abnormal in TD and SD-OCT, respectively (P=0.01). Retinal nerve fiber layer measurements were consistently thicker with TD compared to SD-OCT. Retinal nerve fiber layer thickness asymmetry index was similar in TD (0.76 [0.17]) and SD-OCT (0.79 [0.12]) and significantly greater than the visual field asymmetry index (0.36 [0.20], P<0.001). Conclusions: Normal hemifields of glaucoma patients had thinner retinal nerve fiber layer than healthy eyes, as measured by TD and SD-OCT. Retinal nerve fiber layer measurements were thicker with TD than SD-OCT. SD-OCT detected abnormal retinal nerve fiber layer thickness more often than TD-OCT.

Processing of high resolution magic angle spinning spectra of breast cancer cells by the filter diagonalization method

Proton nuclear magnetic resonance (H-1 NMR) spectroscopy for detection of biochemical changes in biological samples is a successful technique. However, the achieved NMR resolution is not sufficiently high when the analysis is performed with intact cells. To improve spectral resolution, high resolution magic angle spinning (HR-MAS) is used and the broad signals are separated by a T-2 filter based on the CPMG pulse sequence. Additionally, HR-MAS experiments with a T-2 filter are preceded by a water suppression procedure. The goal of this work is to demonstrate that the experimental procedures of water suppression and T-2 or diffusing filters are unnecessary steps when the filter diagonalization method (FDM) is used to process the time domain HR-MAS signals. Manipulation of the FDM results, represented as a tabular list of peak positions, widths, amplitudes and phases, allows the removal of water signals without the disturbing overlapping or nearby signals. Additionally, the FDM can also be used for phase correction and noise suppression, and to discriminate between sharp and broad lines. Results demonstrate the applicability of the FDM post-acquisition processing to obtain high quality HR-MAS spectra of heterogeneous biological materials.

Numerical simulation of interdigitated back contact hetero-junction solar cells

The goal of this thesis is the application of an opto-electronic numerical simulation to heterojunction silicon solar cells featuring an all back contact architecture (Interdigitated Back Contact Hetero-Junction IBC-HJ). The studied structure exhibits both metal contacts, emitter and base, at the back surface of the cell with the objective to reduce the optical losses due to the shadowing by front contact of conventional photovoltaic devices. Overall, IBC-HJ are promising low-cost alternatives to monocrystalline wafer-based solar cells featuring front and back contact schemes, in fact, for IBC-HJ the high concentration doping diffusions are replaced by low-temperature deposition processes of thin amorphous silicon layers. Furthermore, another advantage of IBC solar cells with reference to conventional architectures is the possibility to enable a low-cost assembling of photovoltaic modules, being all contacts on the same side. A preliminary extensive literature survey has been helpful to highlight the specific critical aspects of IBC-HJ solar cells as well as the state-of-the-art of their modeling, processing and performance of practical devices. In order to perform the analysis of IBC-HJ devices, a two-dimensional (2-D) numerical simulation flow has been set up. A commercial device simulator based on finite-difference method to solve numerically the whole set of equations governing the electrical transport in semiconductor materials (Sentuarus Device by Synopsys) has been adopted. The first activity carried out during this work has been the definition of a 2-D geometry corresponding to the simulation domain and the specification of the electrical and optical properties of materials. In order to calculate the main figures of merit of the investigated solar cells, the spatially resolved photon absorption rate map has been calculated by means of an optical simulator. Optical simulations have been performed by using two different methods depending upon the geometrical features of the front interface of the solar cell: the transfer matrix method (TMM) and the raytracing (RT). The first method allows to model light prop-agation by plane waves within one-dimensional spatial domains under the assumption of devices exhibiting stacks of parallel layers with planar interfaces. In addition, TMM is suitable for the simulation of thin multi-layer anti reflection coating layers for the reduction of the amount of reflected light at the front interface. Raytracing is required for three-dimensional optical simulations of upright pyramidal textured surfaces which are widely adopted to significantly reduce the reflection at the front surface. The optical generation profiles are interpolated onto the electrical grid adopted by the device simulator which solves the carriers transport equations coupled with Poisson and continuity equations in a self-consistent way. The main figures of merit are calculated by means of a postprocessing of the output data from device simulation. After the validation of the simulation methodology by means of comparison of the simulation result with literature data, the ultimate efficiency of the IBC-HJ architecture has been calculated. By accounting for all optical losses, IBC-HJ solar cells result in a theoretical maximum efficiency above 23.5% (without texturing at front interface) higher than that of both standard homojunction crystalline silicon (Homogeneous Emitter HE) and front contact heterojuction (Heterojunction with Intrinsic Thin layer HIT) solar cells. However it is clear that the criticalities of this structure are mainly due to the defects density and to the poor carriers transport mobility in the amorphous silicon layers. Lastly, the influence of the most critical geometrical and physical parameters on the main figures of merit have been investigated by applying the numerical simulation tool set-up during the first part of the present thesis. Simulations have highlighted that carrier mobility and defects level in amorphous silicon may lead to a potentially significant reduction of the conversion efficiency.

Diskontinuierliche Galerkin-Verfahren für die operationelle Wettervorhersage

In dieser Arbeit wird ein neuer Dynamikkern entwickelt und in das bestehendernnumerische Wettervorhersagesystem COSMO integriert. Für die räumlichernDiskretisierung werden diskontinuierliche Galerkin-Verfahren (DG-Verfahren)rnverwendet, für die zeitliche Runge-Kutta-Verfahren. Hierdurch ist ein Verfahrenrnhoher Ordnung einfach zu realisieren und es sind lokale Erhaltungseigenschaftenrnder prognostischen Variablen gegeben. Der hier entwickelte Dynamikkern verwendetrngeländefolgende Koordinaten in Erhaltungsform für die Orographiemodellierung undrnkoppelt das DG-Verfahren mit einem Kessler-Schema für warmen Niederschlag. Dabeirnwird die Fallgeschwindigkeit des Regens, nicht wie üblich implizit imrnKessler-Schema diskretisiert, sondern explizit im Dynamikkern. Hierdurch sindrndie Zeitschritte der Parametrisierung für die Phasenumwandlung des Wassers undrnfür die Dynamik vollständig entkoppelt, wodurch auch sehr große Zeitschritte fürrndie Parametrisierung verwendet werden können. Die Kopplung ist sowohl fürrnOperatoraufteilung, als auch für Prozessaufteilung realisiert.rnrnAnhand idealisierter Testfälle werden die Konvergenz und die globalenrnErhaltungseigenschaften des neu entwickelten Dynamikkerns validiert. Die Massernwird bis auf Maschinengenauigkeit global erhalten. Mittels Bergüberströmungenrnwird die Orographiemodellierung validiert. Die verwendete Kombination ausrnDG-Verfahren und geländefolgenden Koordinaten ermöglicht die Behandlung vonrnsteileren Bergen, als dies mit dem auf Finite-Differenzenverfahren-basierendenrnDynamikkern von COSMO möglich ist. Es wird gezeigt, wann die vollernTensorproduktbasis und wann die Minimalbasis vorteilhaft ist. Die Größe desrnEinflusses auf das Simulationsergebnis der Verfahrensordnung, desrnParametrisierungszeitschritts und der Aufteilungsstrategie wirdrnuntersucht. Zuletzt wird gezeigt dass bei gleichem Zeitschritt die DG-Verfahrenrnaufgrund der besseren Skalierbarkeit in der Laufzeit konkurrenzfähig zurnFinite-Differenzenverfahren sind.