Numerical simulation of drop impact and jet buckling problems using the eXtended Pom-Pom model

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Damage Detection in Flexible Plate Using Lamb Waves

This paper presents an experimental technique for structural health monitoring (SHM) based on Lamb waves approach in an aluminum plate using piezoelectric material as actuators and sensors. Lamb waves are a form of elastic perturbation that remains guided between two parallel free surfaces, such as the upper and lower surfaces of a plate, beam or shelf. Lamb waves are formed when the actuator excites the surface of the structure with a pulse after receiving a signal. Two PZTs were placed in the plate surface and one of them was used to send a predefined wave through the structure. Thus, the other PZT (adjacent) becomes the sensor. Using this methodology, this paper presents one case of damage detection considering the aluminum plate in the free-free-free-free boundary condition. The damage was simulated by adding additional mass on the plate. It is proposed two damage detection indexes obtained from the experimental signal, involving the Fast Fourier Transform (FFT) and the power spectral density (PSD) that were computed using the output signal. The results show the viability of the presented methodology to damage detection in smart structures

Propagation of ship waves on a sloping bottom

The numerical model FUNWAVE was adapted in order to simulate the generation and propagation of ship waves to shore, including phenomena such as refraction, diffraction, currents and breaking of waves. Results are shown for Froude numbers equal to 0.8, 1.0 and 1.1, in order to verify the refraction of the wave pattern, identify breaking conditions and to investigate the wave generation scheme as a moving pressure at the free surface. © 2009 World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd.

Application of a bounded upwinding scheme to complex fluid dynamics problems

This paper is concerned with an overview of upwinding schemes, and further nonlinear applications of a recently introduced high resolution upwind differencing scheme, namely the ADBQUICKEST [V.G. Ferreira, F.A. Kurokawa, R.A.B. Queiroz, M.K. Kaibara, C.M. Oishi, J.A.Cuminato, A.F. Castelo, M.F. Tomé, S. McKee, assessment of a high-order finite difference upwind scheme for the simulation of convection-diffusion problems, International Journal for Numerical Methods in Fluids 60 (2009) 1-26]. The ADBQUICKEST scheme is a new TVD version of the QUICKEST [B.P. Leonard, A stable and accurate convective modeling procedure based on quadratic upstream interpolation, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 19 (1979) 59-98] for solving nonlinear balance laws. The scheme is based on the concept of NV and TVD formalisms and satisfies a convective boundedness criterion. The accuracy of the scheme is compared with other popularly used convective upwinding schemes (see, for example, Roe (1985) [19], Van Leer (1974) [18] and Arora & Roe (1997) [17]) for solving nonlinear conservation laws (for example, Buckley-Leverett, shallow water and Euler equations). The ADBQUICKEST scheme is then used to solve six types of fluid flow problems of increasing complexity: namely, 2D aerosol filtration by fibrous filters; axisymmetric flow in a tubular membrane; 2D two-phase flow in a fluidized bed; 2D compressible Orszag-Tang MHD vortex; axisymmetric jet onto a flat surface at low Reynolds number and full 3D incompressible flows involving moving free surfaces. The numerical simulations indicate that this convective upwinding scheme is a good generic alternative for solving complex fluid dynamics problems. © 2012.

Monitoramento da integridade em estruturas aeronáuticas

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEIS

Numerical and experimental investigations of three-dimensional container filling with Newtonian viscous fluids

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Numerical solution of the FENE-CR model in complex flows

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

Numerical simulation of drop impact and jet buckling problems using the eXtended Pom-Pom model

This work presents numerical simulations of two fluid flow problems involving moving free surfaces: the impacting drop and fluid jet buckling. The viscoelastic model used in these simulations is the eXtended Pom-Pom (XPP) model. To validate the code, numerical predictions of the drop impact problem for Newtonian and Oldroyd-B fluids are presented and compared with other methods. In particular, a benchmark on numerical simulations for a XPP drop impacting on a rigid plate is performed for a wide range of the relevant parameters. Finally, to provide an additional application of free surface flows of XPP fluids, the viscous jet buckling problem is simulated and discussed. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Monte Carlo-Simulationen zum kritischen Verhalten dünner Ising-Filme

Monte Carlo-Simulationen zum kritischen Verhalten dünnerIsing-Filme Dünne Ising-Filme können als vereinfachtes Modell zurBeschreibung von binären Mischungen oder von Flüssigkeitenin schlitzartigen Kapillaren dienen. Infolge dereingeschränkten Geometrie unterscheidet sich das kritischeVerhalten dieser Systeme signifikant von dem einesBulk-Systems, es kommt zu einem Crossover von zwei- zudreidimensionalem kritischen Verhalten. Zusätzlichverschiebt sich der Phasenübergang in den ungesättigtenBereich, ein Effekt, der als 'capillary condensation'bezeichnet wird. In der vorliegenden Arbeit wurden die kritischenEigenschaften von Ising-Filmen im Rahmen einer MonteCarlo-Simulation untersucht. Zur Verbesserung der Effizienzwurde ein Cluster-Algorithmus verwendet, der um einenGhost-Spin-Term zur Behandlung der Magnetfelder erweitertwar. Bei der Datenanalyse kamen moderneMulti-Histogramm-Techniken zur Anwendung. Für alle untersuchten Schichtdicken konnten kritischeTemperatur und Magnetfeld sehr präzise bestimmt werden. DieSkalenhypothese von Fisher und Nakanishi, die dieVerschiebung des kritischen Punktes gegenüber seinesBulk-Wertes beschreibt, wurde sowohl für Systeme mit freienOberflächen als auch für Systeme mit schwachemOberflächenfeld bestätigt. Der Wert des Gap-Exponenten derOberfläche wurde mit $Delta_1$=0.459(13) in Übereinstimmungmit den Literaturwerten abgeschätzt. Die Observablen Magnetisierung und magnetischeSuszeptibilität sowie deren auf die Oberfläche bezogenenEntsprechungen zeigen kein reines zweidimensionaleskritisches Verhalten. Zu ihrer Beschreibung in der Nähe deskritischen Punktes wurden effektive Exponenten für dieeinzelnen Schichtdicken bestimmt.

Molecular plating of thin lanthanide layers with improved material properties for nuclear applications

In der vorliegenden Arbeit werden Experimente beschrieben, die zu einem vertieften Verständnis fundamentaler Prozesse bei der elektrochemischen Herstellung von Dünnschichten, sog. Targets, für kernphysikalische und -chemische Studien führten. Targets wurden mittels 'Molecular Plating' (MP) hergestellt, indem eine Elektrodeposition aus organischem Medium in der Regel bei konstantem Strom in Zwei-Elektroden-Zellen. Die Resultate erlaubten, optimierte Herstellungs-bedingungen zu ermitteln, welche die Produktion deutlich verbesserter Targets erlaubten. MP bei konstantem Strom ist ein massentransportkontrollierter Prozess. Der angelegte Strom wird durch einen konstanten Fluss elektroaktiver Spezies zur Kathode – auf der die Schicht wächst – und Anode aufrechterhalten. Die Untersuchungen zeigten, dass das Zellenpotential des Elektrodepositionsystems immer durch den Ohm'schen Spannungsabfall auf Grund des Widerstandes der verwendeten Lösung dominiert wurde. Dies erlaubte die Herleitung einer Beziehung zwischen dem Zellenpotential und der Konzentration der elektroaktiven Spezies. Die Beziehung erlaubt die Erklärung des gemessenen zeitlichen Verlaufs des Zellenpotentials während der Abscheidung als Funktion der Elektrolytkonzentration. Dies dient als Basis, auf der nun ein umfassenderes Bild der Prozesse, die für die charakteristischen Minima im Potentialverlauf einer Abscheidung verantwortlich sind, gewonnen werden kann. Es konnte gezeigt werden, dass die Minima mit der fast vollständigen Entfernung (durch Abscheidung) der aus einem gelösten Salz erzeugten Nd-Ionen korrespondieren. Die abgeschiedene Spezies wurde als Nd3+ identifiziert, vermutlich als Carboxylat, Oxid oder Hydroxid, was auf Grund der hohen negative Werte des Standardredoxpotentials der Lanthanide verständlich erscheint. Von den vorliegenden elektroaktiven Spezies tragen die Nd3+ Ionen nur zu knapp 20% zum Gesamtstrom bei. Durch Elektrolyse tragen auch die Lösungsmittelkomponenten zu diese Strom bei. Die Gegenwart von elektrolysiertem Lösungsmittel wurde in Analysen der Dünnschichten bestätigt. Diese waren immer mit chemi- und physisorbierten Lösungsmittelmolekülen bedeckt. Die Analyse der Dünnschichten zeigte, dass die Oberflächen von einem furchenartiges Netz durchzogen waren, und dass diese während des Trocknen der Schichten nach dem MP entstanden. Ob die Schichten an Luft oder in inerter Atmosphäre trockneten, hatte keinen Einfluss. Es wurden Experimente mit mehreren Lösungsmitteln durchgeführt, die sich deutlich in ihren physikalischen Eigenschaften, v.a. dem Siedepunkt, unterschieden. Furchenfreie Dünnschichten konnten insbesondere bei MP in N,N-dimethylformamide (DMF) erzeugt werden. Die Verwendung von DMF in Kombination mit einer Abscheidung auf sehr glatten Substraten erlaubte die Produktion von sehr homogenen, glatten und defektfreien Schichten. Diese waren vermutlich geringeren inneren Spannungen während des Trocknens ausgesetzt, als Schichten auf raueren Substraten oder solche, die aus flüchtigeren Lösungsmitteln hergestellt wurden. Die Oberflächenrauigkeit des Substrats und das gewählte Lösungsmittel wurden so als Schlüsselfaktoren für die Produktion hochqualitativer Schichten identifiziert. Es konnte gezeigt werden, dass mit MP eine sehr effiziente Methode zur Herstellung homogener Schichten mit exzellenter Ausbeute ist. In weiteren Experimenten mit dem primordialen Alpha-Emitter 147Sm als Modellisotop wurde die Eignung solcher Schichten als Alpha-Quelle untersucht. Sowohl die Energieauflösung als auch der Anteil der Alpha-Teilchen, die den Detektor erreichten, waren von den Quelleneigenschaften abhängig. Die Effekte wurden verschiedenen Variablen der Dünnschicht zugeordnet, welche die Alpha-Spektren beeinflussten. Dominant war die Wahl des Lösungsmittels und die Rauigkeit des Substrats. Dies beeinflusste Schichtdicke und -morphologie sowie die Art des Schichtwachstums und veränderte die Detektionseffizienz in Alpha-Messungen bis zu 15%. Nur homogene, ebene Schichten, die aus DMF auf glatten Substraten abgeschieden wurden, eignen sich optimal als Alpha-Quelle. Die gewonnenen Ergebnisse erlauben die optimierte Herstellung nuklearer Targets durch MP. Künftige Anwendungen beinhalten insbesondere die Herstellung von Targets für neutroneninduzierte Spaltexperimente und untergrundarmeAlpha-Messungen sehr kleiner Aktivitäten.

Human immunodeficiency virus type 1 and influenza virus exit via different membrane microdomains

Directed release of human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) into the cleft of the virological synapse that can form between infected and uninfected T cells, for example, in lymph nodes, is thought to contribute to the systemic spread of this virus. In contrast, influenza virus, which causes local infections, is shed into the airways of the respiratory tract from free surfaces of epithelial cells. We now demonstrate that such differential release of HIV-1 and influenza virus is paralleled, at the subcellular level, by viral assembly at different microsegments of the plasma membrane of HeLa cells. HIV-1, but not influenza virus, buds through microdomains containing the tetraspanins CD9 and CD63. Consequently, the anti-CD9 antibody K41, which redistributes its antigen and also other tetraspanins to cell-cell adhesion sites, interferes with HIV-1 but not with influenza virus release. Altogether, these data strongly suggest that the bimodal egress of these two pathogenic viruses, like their entry into target cells, is guided by specific sets of host cell proteins.

Analysis of the 207Bi, 194Hg/Au and 173Lu distribution in the irradiated MEGAPIE target

Samples obtained from different locations within the prototype liquid metal spallation target MEGAPIE irradiated in 2006 at PSI were analysed using γ-spectrometry. A variety of radionuclides formed by reaction of the target material, lead–bismuth eutectic (LBE), with the proton beam and secondary particles were identified. While nuclides representing the target material itself (207Bi) and nuclides of noble metals were found in LBE samples throughout the target, nuclides of electropositive metals were found to be quantitatively deposited on free surfaces and material interfaces within the target system. This behaviour is analysed in more detail based on results obtained for three nuclides representing groups of elements with distinct chemical behaviour, namely 207Bi, 194Hg/Au and 173Lu. Quantitative analysis results are given and compared with predictions obtained using nuclear physics calculations for those nuclides showing rather homogeneous distribution within the target. Possible reasons for the separation of radionuclides from the liquid metal and their deposition on surfaces are given, and consequences arising for nuclear facilities utilizing liquid metals are discussed.

Optical and structural properties of InAlN/GaN Bragg reflectors examined by transmission electron microscopy and electron energy loss spectroscopy

Molecular beam epitaxy growth of ten-period lattice-matched InAlN/GaN distributed Bragg reflectors (DBRs) with peak reflectivity centered around 400nm is reported including optical and transmission electron microscopy (TEM) measurements [1]. Good periodicity heterostructures with crack-free surfaces were confirmed, but, also a significant residual optical absorption below the bandgap was measured. The TEM characterization ascribes the origin of this problem to polymorfism and planar defects in the GaN layers and to the existence of an In-rich layer at the InAlN/GaN interfaces. In this work, several TEM based techniques have been combined.

Bifurcation diagrams for polymer blends with diffuse interfaces in confined and adaptive geometries

Dynamics of binary mixtures such as polymer blends, and fluids near the critical point, is described by the model-H, which couples momentum transport and diffusion of the components [1]. We present an extended version of the model-H that allows to study the combined effect of phase separation in a polymer blend and surface structuring of the film itself [2]. We apply it to analyze the stability of vertically stratified base states on extended films of polymer blends and show that convective transport leads to new mechanisms of instability as compared to the simpler diffusive case described by the Cahn- Hilliard model [3, 4]. We carry out this analysis for realistic parameters of polymer blends used in experimental setups such as PS/PVME. However, geometrically more complicated states involving lateral structuring, strong deflections of the free surface, oblique diffuse interfaces, checkerboard modes, or droplets of a component above of the other are possible at critical composition solving the Cahn Hilliard equation in the static limit for rectangular domains [5, 6] or with deformable free surfaces [6]. We extend these results for off-critical compositions, since balanced overall composition in experiments are unusual. In particular, we study steady nonlinear solutions of the Cahn-Hilliard equation for bidimensional layers with fixed geometry and deformable free surface. Furthermore we distinguished the cases with and without energetic bias at the free surface. We present bifurcation diagrams for off-critical films of polymer blends with free surfaces, showing their free energy, and the L2-norms of surface deflection and the concentration field, as a function of lateral domain size and mean composition. Simultaneously, we look at spatial dependent profiles of the height and concentration. To treat the problem of films with arbitrary surface deflections our calculations are based on minimizing the free energy functional at given composition and geometric constraints using a variational approach based on the Cahn-Hilliard equation. The problem is solved numerically using the finite element method (FEM).

Influence of imperfect interfaces on bending and vibration of laminated composite shells

This paper is devoted to modeling elastic behavior of laminated composite shells, with special emphasis on incorporating interfacial imperfection. The conditions of imposing traction continuity and displacement jump across each interface are used to model imperfect interfaces. Vanishing transverse shear stresses on two free surfaces of a shell eliminate the need for shear correction factors. A linear theory underlying elastostatics and kinetics of laminated composite shells in a general configuration is presented from Hamilton's principle. In the special case of vanishing interfacial parameters, this theory reduces to the conventional third-order zigzag theory for perfectly bonded laminated shells. Numerical results for bending and vibration problems of laminated circular cylindrical panels are tabulated and plotted to indicate the influence of the interfacial imperfection. (C) 2000 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.