Towards convection-resolving, global atmospheric simulations with the Model for Prediction Across Scales (MPAS) v3.1: an extreme scaling experiment, links to sourcecode of model and grides

The Model for Prediction Across Scales (MPAS) is a novel set of Earth system simulation components and consists of an atmospheric model, an ocean model and a land-ice model. Its distinct features are the use of unstructured Voronoi meshes and C-grid discretisation to address shortcomings of global models on regular grids and the use of limited area models nested in a forcing data set, with respect to parallel scalability, numerical accuracy and physical consistency. This concept allows one to include the feedback of regional land use information on weather and climate at local and global scales in a consistent way, which is impossible to achieve with traditional limited area modelling approaches. Here, we present an in-depth evaluation of MPAS with regards to technical aspects of performing model runs and scalability for three medium-size meshes on four different high-performance computing (HPC) sites with different architectures and compilers. We uncover model limitations and identify new aspects for the model optimisation that are introduced by the use of unstructured Voronoi meshes. We further demonstrate the model performance of MPAS in terms of its capability to reproduce the dynamics of the West African monsoon (WAM) and its associated precipitation in a pilot study. Constrained by available computational resources, we compare 11-month runs for two meshes with observations and a reference simulation from the Weather Research and Forecasting (WRF) model. We show that MPAS can reproduce the atmospheric dynamics on global and local scales in this experiment, but identify a precipitation excess for the West African region. Finally, we conduct extreme scaling tests on a global 3?km mesh with more than 65 million horizontal grid cells on up to half a million cores. We discuss necessary modifications of the model code to improve its parallel performance in general and specific to the HPC environment. We confirm good scaling (70?% parallel efficiency or better) of the MPAS model and provide numbers on the computational requirements for experiments with the 3?km mesh. In doing so, we show that global, convection-resolving atmospheric simulations with MPAS are within reach of current and next generations of high-end computing facilities.

Distributed Extremum-Seeking Control with Applications to High-Altitude Balloons

The real-time optimization of large-scale systems is a difficult problem due to the need for complex models involving uncertain parameters and the high computational cost of solving such problems by a decentralized approach. Extremum-seeking control (ESC) is a model-free real-time optimization technique which can estimate unknown parameters and can optimize nonlinear time-varying systems using only a measurement of the cost function to be minimized. In this thesis, we develop a distributed version of extremum-seeking control which allows large-scale systems to be optimized without models and with minimal computing power. First, we develop a continuous-time distributed extremum-seeking controller. It has three main components: consensus, parameter estimation, and optimization. The consensus provides each local controller with an estimate of the cost to be minimized, allowing them to coordinate their actions. Using this cost estimate, parameters for a local input-output model are estimated, and the cost is minimized by following a gradient descent based on the estimate of the gradient. Next, a similar distributed extremum-seeking controller is developed in discrete-time. Finally, we consider an interesting application of distributed ESC: formation control of high-altitude balloons for high-speed wireless internet. These balloons must be steered into a favourable formation where they are spread out over the Earth and provide coverage to the entire planet. Distributed ESC is applied to this problem, and is shown to be effective for a system of 1200 ballons subjected to realistic wind currents. The approach does not require a wind model and uses a cost function based on a Voronoi partition of the sphere. Distributed ESC is able to steer balloons from a few initial launch sites into a formation which provides coverage to the entire Earth and can maintain a similar formation as the balloons move with the wind around the Earth.

Cirurgia de fraturas ósseas na osteoporose: Fraturas da coluna vertebral

As fraturas que ocorrem no osso osteoporótico são por definição estrita fraturas patológicas. Podem estar relacionadas com quedas da própria altura ou de traumatismos de baixa energia cinética e envolvem habitualmente a anca, o punho, a coluna vertebral e o ombro. As fraturas osteoporóticas a que se associa a sarcopenia, representam um sério problema de saúde pública em todo o mundo, com uma proporção epidémica e um impacto devastador na morbilidade e mortalidade dos pacientes, assim como nos custos socioeconómicos. Apesar dos avanços registados na prevenção e no tratamento farmacológico da osteoporose bem como no tratamento cirúrgico das fraturas ósseas, continuam a ser desenvolvidos novos biomateriais metálicos e substitutos sintéticos do osso com a intenção de se conseguir alcançar melhores resultados clínicos. Dentro deste contexto incluem-se os cimentos hidráulicos, os parafusos expansivos, os parafusos dinâmicos, as malhas metálicas de titânio, as placas bloqueadas, entre outros, em conjugação com técnicas minimamente invasivas e com diferentes estratégias cirúrgicas. O objetivo central deste trabalho assenta nas modalidades cirúrgicas mais usadas para o tratamento das fraturas em osso osteoporótico, com especial destaque para as fraturas da coluna vertebral.

Cirurgia de fraturas ósseas na osteoporose: Fraturas da coluna vertebral

As fraturas que ocorrem no osso osteoporótico são por definição estrita fraturas patológicas. Podem estar relacionadas com quedas da própria altura ou de traumatismos de baixa energia cinética e envolvem habitualmente a anca, o punho, a coluna vertebral e o ombro. As fraturas osteoporóticas a que se associa a sarcopenia, representam um sério problema de saúde pública em todo o mundo, com uma proporção epidémica e um impacto devastador na morbilidade e mortalidade dos pacientes, assim como nos custos socioeconómicos. Apesar dos avanços registados na prevenção e no tratamento farmacológico da osteoporose bem como no tratamento cirúrgico das fraturas ósseas, continuam a ser desenvolvidos novos biomateriais metálicos e substitutos sintéticos do osso com a intenção de se conseguir alcançar melhores resultados clínicos. Dentro deste contexto incluem-se os cimentos hidráulicos, os parafusos expansivos, os parafusos dinâmicos, as malhas metálicas de titânio, as placas bloqueadas, entre outros, em conjugação com técnicas minimamente invasivas e com diferentes estratégias cirúrgicas. O objetivo central deste trabalho assenta nas modalidades cirúrgicas mais usadas para o tratamento das fraturas em osso osteoporótico, com especial destaque para as fraturas da coluna vertebral.

Rotina computacional de obtenção, tratamento e visualização de dados oceanográficos

Atualmente, sensores remotos e computadores de alto desempenho estão sendo utilizados como instrumentos principais na coleta e produção de dados oceanográficos. De posse destes dados, é possível realizar estudos que permitem simular e prever o comportamento do oceano por meio de modelos numéricos regionais. Dentre os fatores importantes no estudo da oceanografia, podem ser destacados àqueles referentes aos impactos ambientais, de contaminação antrópica, utilização de energias renováveis, operações portuárias e etc. Contudo, devido ao grande volume de dados gerados por instituições ambientais, na forma de resultados de modelos globais como o HYCOM (Hybrid Coordinate Ocean Model) e dos programas de Reanalysis da NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration), torna-se necessária a criação de rotinas computacionais para realizar o tratamento de condições iniciais e de contorno, de modo que possam ser aplicadas a modelos regionais como o TELEMAC3D (www.opentelemac.org). Problemas relacionados a baixa resolução, ausência de dados e a necessidade de interpolação para diferentes malhas ou sistemas de coordenadas verticais, tornam necessária a criação de um mecanismo computacional que realize este tratamento adequadamente. Com isto, foram desenvolvidas rotinas na linguagem de programação Python, empregando interpoladores de vizinho mais próximo, de modo que, a partir de dados brutos dos modelos HYCOM e do programa de Reanalysis da NOAA, foram preparadas condições iniciais e de contorno para a realização de uma simulação numérica teste. Estes resultados foram confrontados com outro resultado numérico onde, as condições foram construídas a partir de um método de interpolação mais sofisticado, escrita em outra linguagem, e que já vem sendo utilizada no laboratório. A análise dos resultados permitiu concluir que, a rotina desenvolvida no âmbito deste trabalho, funciona adequadamente para a geração de condições iniciais e de contorno do modelo TELEMAC3D. Entretanto, um interpolador mais sofisticado deve ser desenvolvido de forma a aumentar a qualidade nas interpolações, otimizar o custo computacional, e produzir condições que sejam mais realísticas para a utilização do modelo TELEMAC3D.

Controle de uma microrrede ilhada baseada em geração eólica-diesel com alto nível de inserção de geração eólica

The insertion of distributed generation units in the electric power systems have contributed to the popularization of microgrid concepts. With the microgrids, several potential benefits can be achieved in regard to power quality and supply reliability. However, several technical challenges related to the control and operation of microgrids, which are associated with high insertion of generation systems based on static converters, must be overcame. Among the opportunities in the context of microgrids, there is the islanded operation of microgrids temporarily disconnected from the electric power systems and also the autonomous operation of geographically isolated microgrids. The frequency in large power systems is traditionally controlled by the generation units based on traditional synchronous generator. The insertion of distributed generation units based on static power converters may bring difficulties to the frequency control in microgrids, due to the reduction of the equivalent inertia of conventional synchronous generators present in islanded and isolated microgrids. In this context, it becomes necessary the proposition of new operational and control strategies for microgrids control, taking into account the presence of distributed generation units based on full-rated converter. This paper proposes an operational and control strategy for the islanded operation of a winddiesel microgrid with high insertion level of wind generation. The microgrid adopted in this study comprises of a wind energy conversion system with synchronous generator based on full rated converter, a diesel generator (DIG) and a dump load. Due to the high insertion level of wind generation, the wind unit operates in Vf mode and the diesel generator operates in PQ mode. The diesel generator and the dump load are used to regulate the DC-link voltage of the wind generation unit. The proposed control allows the islanded operation of the microgrid only with wind generation, wind-only mode (WO), and with wind-diesel generation, wind-diesel mode (WD). For the wind-only mode, with 100% of penetration level of wind generation, it is proposed a DC-link voltage control loop based on the use of a DC dump load. For the winddiesel mode, it is proposed a DC-link voltage control loop added to the diesel generator, which is connected to the AC side of the microgrid, in coordinated action with the dump load. The proposed operational and control strategy does not require the use of batteries and aims to maximize the energy production from wind generation, ensuring the uninterrupted operation of the microgrid. The results have showed that the operational and control strategy allowed the stable operation of the islanded microgrid and that the DC-link voltage control loop added to the diesel generator and the dump load proved to be effective during the typical variations of wind speed and load.

Infância, uma passagem que é de permanência...

A infância é um tecido vivo, dinâmico, cujos fios se entrecruzam na educação. Fios invisíveis, duradouros, que criam laços, permanentes nas suas malhas. Tecer os fios da infância, entrecruzando-os com a educação da sensibilidade é escutar a criança como um todo, constituída por várias partes e múltiplas dimensões, da qual fazem parte muitas pessoas, uma história e uma cultura, que se misturam e se combinam, fazendo de todas as crianças seres humanos únicos e especiais. O relatório que a seguir se apresenta tem como objetivo documentar as aprendizagens realizadas ao longo dos estágios desenvolvidos em contextos de Educação Pré-Escolar e de Ensino do 1.º Ciclo do Ensino Básico. Assim, são narradas experiências-chave, sentidas como as aprendizagens mais significativas ao longo deste processo, que abordam a importância da escuta da criança, do brincar na natureza, da criatividade, incidindo também na importância da afetividade na educação e a escrita criativa e colaborativa e ainda o papel da reflexão na prática do educador, que apesar de aprofundada numa experiência relativa ao contexto de EPE, é transversal às duas práticas pedagógicas.

Os fractais no urbanismo

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Arquitectura com Especialização em Urbanismo, apresentada na Universidade de Lisboa - Faculdade de Arquitectura.

Estimação e compensação de não linearidades inerentes aos atuadores dos processos industriais

The oscillations presents in control loops can cause damages in petrochemical industry. Canceling, or even preventing such oscillations, would save up to large amount of dollars. Studies have identified that one of the causes of these oscillations are the nonlinearities present on industrial process actuators. This study has the objective to develop a methodology for removal of the harmful effects of nonlinearities. Will be proposed an parameter estimation method to Hammerstein model, whose nonlinearity is represented by dead-zone or backlash. The estimated parameters will be used to construct inverse models of compensation. A simulated level system was used as a test platform. The valve that controls inflow has a nonlinearity. Results and describing function analysis show an improvement on system response

Sistema inteligente para apoio à decisão na operação de uma malha de escoamento de petróleo

The petroleum production pipeline networks are inherently complex, usually decentralized systems. Strict operational constraints are applied in order to prevent serious problems like environmental disasters or production losses. This paper describes an intelligent system to support decisions in the operation of these networks, proposing a staggering for the pumps of transfer stations that compose them. The intelligent system is formed by blocks which interconnect to process the information and generate the suggestions to the operator. The main block of the system uses fuzzy logic to provide a control based on rules, which incorporate knowledge from experts. Tests performed in the simulation environment provided good results, indicating the applicability of the system in a real oil production environment. The use of the stagger proposed by the system allows a prioritization of the transfer in the network and a flow programming

Investigating the mesh dependency and upscaling of 3D grain-based models for the simulation of brittle fracture processes in low-porosity crystalline rock

The application of 3D grain-based modelling techniques is investigated in both small and large scale 3DEC models, in order to simulate brittle fracture processes in low-porosity crystalline rock. Mesh dependency in 3D grain-based models (GBMs) is examined through a number of cases to compare Voronoi and tetrahedral grain assemblages. Various methods are used in the generation of tessellations, each with a number of issues and advantages. A number of comparative UCS test simulations capture the distinct failure mechanisms, strength profiles, and progressive damage development using various Voronoi and tetrahedral GBMs. Relative calibration requirements are outlined to generate similar macro-strength and damage profiles for all the models. The results confirmed a number of inherent model behaviors that arise due to mesh dependency. In Voronoi models, inherent tensile failure mechanisms are produced by internal wedging and rotation of Voronoi grains. This results in a combined dependence on frictional and cohesive strength. In tetrahedral models, increased kinematic freedom of grains and an abundance of straight, connected failure pathways causes a preference for shear failure. This results in an inability to develop significant normal stresses causing cohesional strength dependence. In general, Voronoi models require high relative contact tensile strength values, with lower contact stiffness and contact cohesional strength compared to tetrahedral tessellations. Upscaling of 3D GBMs is investigated for both Voronoi and tetrahedral tessellations using a case study from the AECL’s Mine-by-Experiment at the Underground Research Laboratory. An upscaled tetrahedral model was able to reasonably simulate damage development in the roof forming a notch geometry by adjusting the cohesive strength. An upscaled Voronoi model underestimated the damage development in the roof and floor, and overestimated the damage in the side-walls. This was attributed to the discretization resolution limitations.

OS SENTIDOS DA FRONTEIRA A PARTIR DA DISCUSSÃO TERRITORIAL EM CLAUDE RAFFESTIN

A discussão sobre território em Claude Raffestin é o tema desta comunicação. Nela buscaremos discuti-lo não só centrado na perspectiva do Estado-nação. Com esta discussão buscamos compreender o sentido da fronteira política no Estado do Acre-Brasil, para a população transfronteiriça. A questão fronteiriça, como ressaltado em Raffestin deve ser compreendida a partir de sua historicidade, uma vez que o sentido de fronteira muda ao longo do tempo. E essa mudança é detrimento das modificações sociopolíticas e socioeconômicas. Os limites e fronteiras refletem o poder daqueles que moldam, influenciam ou controlam atividades. Desta forma é de fundamental importância a compreensão da construção dos territórios e fronteiras, pois é no território que se manifestam todas as espécies de relações de poder, traduzindo-se por malhas, redes centralidades que podem pura ou simplesmente estar ligadas a várias decisões. Os sujeitos que aí atuam fazem a diferença, seja construindo as tessituras ou articulando os pontos que quiserem para então, assegurar o controle sobre aquilo que pode ser possuído.

A Trans-dimensional inversion algorithm to model deformation sources with unconstrained shape in finite element domains

Ground deformation provides valuable insights on subsurface processes with pattens reflecting the characteristics of the source at depth. In active volcanic sites displacements can be observed in unrest phases; therefore, a correct interpretation is essential to assess the hazard potential. Inverse modeling is employed to obtain quantitative estimates of parameters describing the source. However, despite the robustness of the available approaches, a realistic imaging of these reservoirs is still challenging. While analytical models return quick but simplistic results, assuming an isotropic and elastic crust, more sophisticated numerical models, accounting for the effects of topographic loads, crust inelasticity and structural discontinuities, require much higher computational effort and information about the crust rheology may be challenging to infer. All these approaches are based on a-priori source shape constraints, influencing the solution reliability. In this thesis, we present a new approach aimed at overcoming the aforementioned limitations, modeling sources free of a-priori shape constraints with the advantages of FEM simulations, but with a cost-efficient procedure. The source is represented as an assembly of elementary units, consisting in cubic elements of a regular FE mesh loaded with a unitary stress tensors. The surface response due to each of the six stress tensor components is computed and linearly combined to obtain the total displacement field. In this way, the source can assume potentially any shape. Our tests prove the equivalence of the deformation fields due to our assembly and that of corresponding cavities with uniform boundary pressure. Our ability to simulate pressurized cavities in a continuum domain permits to pre-compute surface responses, avoiding remeshing. A Bayesian trans-dimensional inversion algorithm implementing this strategy is developed. 3D Voronoi cells are used to sample the model domain, selecting the elementary units contributing to the source solution and those remaining inactive as part of the crust.

Analisi dello stato dell’arte di scaffold biomimetici mediante l'utilizzo di tecnologie additive per la rigenerazione del tessuto osseo

Ogni giorno, nel mondo, si verificano migliaia di fratture ossee e la maggior parte di esse, con il passare del tempo, riescono a rimarginarsi in modo autonomo. In casi più importanti, le fratture ossee necessitano di interventi chirurgici. Per queste motivazioni, affianco ad autoinnesti, alloinnesti e xenoinnesti, negli ultimi anni si è iniziato a parlare in modo sempre più frequente di ingegneria tissutale. In questo tipo di ingegneria, vengono sviluppate delle impalcature in grado di emulare il tessuto osseo naturale. Lo scopo di questa tesi è analizzare le varie tipologie di produzione di scaffold ossei che si ottengono attraverso la tecnologia della stampa 3D. Nella parte introduttiva dell’elaborato, viene inserita una descrizione del tessuto osseo visto sia dal punto di vista cellulare e della composizione, sia dal punto di vista delle proprietà meccaniche. Successivamente, parlando di medicina rigenerativa, vengono descritti i mezzi di osteosintesi, gli innesti e le impalcature, o scaffold, da impiantare nel sito di interesse. Per quanto riguarda gli scaffold, devono soddisfare diversi requisiti, tra cui la biomimetica, la compatibilità con l’attività cellulare, requisiti di progettazione e proprietà meccaniche adeguate. Tali scaffold possono essere realizzati attraverso diverse geometrie interne. Nella seconda parte dell’elaborato, vengono analizzate le geometrie a cubo semplice, a cubo a faccia centrata/a diamante, a cubo a corpo centrato, a dodecaedro rombico, a traliccio di ottetto, a cubo troncato, modellate attraverso il metodo delle superfici minime triplamente periodiche e con tassellatura di Voronoi. Per i vari articoli analizzati sono stati investigati i metodi di produzione e i risultati ottenuti confrontando vantaggi e svantaggi fra le differenti geometrie.