Estimativa do erro de discretização analítico na solução de equações diferenciais utilizando o Método de Volumes Finitos

As análises de erros são conduzidas antes de qualquer projeto a ser desenvolvido. A necessidade do conhecimento do comportamento do erro numérico em malhas estruturadas e não-estruturadas surge com o aumento do uso destas malhas nos métodos de discretização. Desta forma, o objetivo deste trabalho foi criar uma metodologia para analisar os erros de discretização gerados através do truncamento na Série de Taylor, aplicados às equações de Poisson e de Advecção-Difusão estacionárias uni e bidimensionais, utilizando-se o Método de Volumes Finitos em malhas do tipo Voronoi. A escolha dessas equações se dá devido a sua grande utilização em testes de novos modelos matemáticos e função de interpolação. Foram usados os esquemas Central Difference Scheme (CDS) e Upwind Difference Scheme(UDS) nos termos advectivos. Verificou-se a influência do tipo de condição de contorno e a posição do ponto gerador do volume na solução numérica. Os resultados analíticos foram confrontados com resultados experimentais para dois tipos de malhas de Voronoi, uma malha cartesiana e outra triangular comprovando a influência da forma do volume finito na solução numérica obtida. Foi percebido no estudo que a discretização usando o esquema CDS tem erros menores do que a discretização usando o esquema UDS conforme literatura. Também se percebe a diferença nos erros em volumes vizinhos nas malhas triangulares o que faz com que não se tenha uma uniformidade nos gráficos dos erros estudados. Percebeu-se que as malhas cartesianas com nó no centróide do volume tem menor erro de discretização do que malhas triangulares. Mas o uso deste tipo de malha depende da geometria do problema estudado

Equivalent differential equations for nonlinear dynamical systems

A technique for obtaining approximate periodic solutions to nonlinear ordinary differential equations is investigated. The approach is based on defining an equivalent differential equation whose exact periodic solution is known. Emphasis is placed on the mathematical justification of the approach. The relationship between the differential equation error and the solution error is investigated, and, under certain conditions, bounds are obtained on the latter. The technique employed is to consider the equation governing the exact solution error as a two point boundary value problem. Among other things, the analysis indicates that if an exact periodic solution to the original system exists, it is always possible to bound the error by selecting an appropriate equivalent system.

Three equivalence criteria for minimizing the differential equation error are compared, namely, minimum mean square error, minimum mean absolute value error, and minimum maximum absolute value error. The problem is analyzed by way of example, and it is concluded that, on the average, the minimum mean square error is the most appropriate criterion to use.

A comparison is made between the use of linear and cubic auxiliary systems for obtaining approximate solutions. In the examples considered, the cubic system provides noticeable improvement over the linear system in describing periodic response.

A comparison of the present approach to some of the more classical techniques is included. It is shown that certain of the standard approaches where a solution form is assumed can yield erroneous qualitative results.

I. Numerical solution of exact pair equations. II. Numerical solution of first-order pair equations

Part I

Numerical solutions to the S-limit equations for the helium ground state and excited triplet state and the hydride ion ground state are obtained with the second and fourth difference approximations. The results for the ground states are superior to previously reported values. The coupled equations resulting from the partial wave expansion of the exact helium atom wavefunction were solved giving accurate S-, P-, D-, F-, and G-limits. The G-limit is -2.90351 a.u. compared to the exact value of the energy of -2.90372 a.u.

Part II

The pair functions which determine the exact first-order wavefunction for the ground state of the three-electron atom are found with the matrix finite difference method. The second- and third-order energies for the (1s1s)¹S, (1s2s)³S, and (1s2s)¹S states of the two-electron atom are presented along with contour and perspective plots of the pair functions. The total energy for the three-electron atom with a nuclear charge Z is found to be E(Z) = -1.125•Z² +1.022805•Z-0.408138-0.025515•(1/Z)+O(1/Z²)a.u.

Stability of parametrically excited differential equations

Sufficient stability criteria for classes of parametrically excited differential equations are developed and applied to example problems of a dynamical nature.

Stability requirements are presented in terms of 1) the modulus of the amplitude of the parametric terms, 2) the modulus of the integral of the parametric terms and 3) the modulus of the derivative of the parametric terms.

The methods employed to show stability are Liapunov’s Direct Method and the Gronwall Lemma. The type of stability is generally referred to as asymptotic stability in the sense of Liapunov.

The results indicate that if the equation of the system with the parametric terms set equal to zero exhibits stability and possesses bounded operators, then the system will be stable under sufficiently small modulus of the parametric terms or sufficiently small modulus of the integral of the parametric terms (high frequency). On the other hand, if the equation of the system exhibits individual stability for all values that the parameter assumes in the time interval, then the actual system will be stable under sufficiently small modulus of the derivative of the parametric terms (slowly varying).

Vectorial solution of Kukhtarev equations for doubly doped crystals and optimal choice of recording directions in nonvolatile holographic storage

Vectorial Kukhtarev equations modified for the nonvolatile holographic recording in doubly doped crystals are analyzed, in which the bulk photovoltaic effect and the external electrical field are both considered. On the basis of small modulation approximation, both the analytic solution to the space-charge field with time in the recording phase and in the readout phase are deduced. The analytic solutions can be easily simplified to adapt the one-center model, and they have the same analytic expressions given those when the grating vector is along the optical axis. Based on the vectorial analyses of the band transport model an optimal recording direction is given to maximize the refractive index change in doubly doped LiNbO3:Fe: Mn crystals. (c) 2007 Optical Society of America.

Um método sintético de difusão para aceleração do esquema de fonte de espalhamento em cálculos SN unidimensionais de fonte fixa

O esquema iterativo de fonte de espalhamento (SI) é tradicionalmente aplicado para a convergência da solução numérica de malha fina para problemas de transporte de nêutrons monoenergéticos na formulação de ordenadas discretas com fonte fixa. O esquema SI é muito simples de se implementar sob o ponto de vista computacional; porém, o esquema SI pode apresentar taxa de convergência muito lenta, principalmente para meios difusivos (baixa absorção) com vários livres caminhos médios de extensão. Nesta dissertação descrevemos uma técnica de aceleração baseada na melhoria da estimativa inicial para a distribuição da fonte de espalhamento no interior do domínio de solução. Em outras palavras, usamos como estimativa inicial para o fluxo escalar médio na grade de discretização de malha fina, presentes nos termos da fonte de espalhamento das equações discretizadas SN usadas nas varreduras de transporte, a solução numérica da equação da difusão de nêutrons em grade espacial de malha grossa com condições de contorno especiais, que aproximam as condições de contorno prescritas que são clássicas em cálculos SN, incluindo condições de contorno do tipo vácuo. Para aplicarmos esta solução gerada pela equação da difusão em grade de discretização de malha grossa nas equações discretizadas SN de transporte na grade de discretização de malha fina, primeiro implementamos uma reconstrução espacial dentro de cada nodo de discretização, e então determinamos o fluxo escalar médio em grade de discretização de malha fina para usá-lo nos termos da fonte de espalhamento. Consideramos um número de experimentos numéricos para ilustrar a eficiência oferecida pela presente técnica (DSA) de aceleração sintética de difusão.

Estimativa de erros no cálculo de gradientes em malhas de Voronoi

O presente trabalho propõe analisar metodologias para o cálculo do gradiente em malhas não-estruturadas do tipo Voronoi que são utilizadas no método de Volumes Finitos. Quatro metodologias para o cálculo do gradiente são testadas e comparadas com soluções analíticas. As técnicas utilizadas são: Método do Balanço de Forças, Método do Mínimo Resíduo Quadrático, Método da Média dos Gradientes Projetos e Método da Média dos Gradientes Projetados Corrigidos. Uma análise por série de Taylor também foi feita, e as equações analíticas comparadas com resultados numéricos. Os testes são realizados em malhas cartesianas e malhas triangulares, que em um trabalho anterior apresentaram alguns resultados inconsistentes. A influência do ponto gerador e do ângulo de rotação é analisada. É verificado que a posição do ponto gerador e a metodologia utilizada em cada malha influencia no cálculo do gradiente. Dependendo da malha e da metodologia utilizada, as equações analíticas indicaram que existem erros associados, que prejudicam o cálculo do gradiente.