Some recent applications of non-linear models to the engineering practice

The Department of Structural Analysis of the University of Santander has been for a longtime involved in the solution of the country´s practical engineering problems. Some of these have required the use of non-conventional methods of analysis, in order to achieve adequate engineering answers. As an example of the increasing application of non-linear computer codes in the nowadays engineering practice, some cases will be briefly presented. In each case, only the main features of the problem involved and the solution used to solve it will be shown

The segmental approximation in multijunction solar cells

The segmental approach has been considered to analyze dark and light I-V curves. The photovoltaic (PV) dependence of the open-circuit voltage (Voc), the maximum power point voltage (Vm), the efficiency (?) on the photogenerated current (Jg), or on the sunlight concentration ratio (X), are analyzed, as well as other photovoltaic characteristics of multijunction solar cells. The characteristics being analyzed are split into monoexponential (linear in the semilogarithmic scale) portions, each of which is characterized by a definite value of the ideality factor A and preexponential current J0. The monoexponentiality ensures advantages, since at many steps of the analysis, one can use the analytical dependences instead of numerical methods. In this work, an experimental procedure for obtaining the necessary parameters has been proposed, and an analysis of GaInP/GaInAs/Ge triple-junction solar cell characteristics has been carried out. It has been shown that up to the sunlight concentration ratios, at which the efficiency maximum is achieved, the results of calculation of dark and light I-V curves by the segmental method fit well with the experimental data. An important consequence of this work is the feasibility of acquiring the resistanceless dark and light I-V curves, which can be used for obtaining the I-V curves characterizing the losses in the transport part of a solar cell.

Método da propagação de feixe de ângulo largo para análise de guias de ondas ópticos não-lineares

Este trabalho propõe uma extensão do método de propagação de feixe (BPM - Beam Propagation Method) para a análise de guias de ondas ópticos e acopladores baseados em materiais não-lineares do tipo Kerr. Este método se destina à investigação de estruturas onde a utilização da equação escalar de Helmholtz (EEH) em seu limite paraxial não mais se aplica. Os métodos desenvolvidos para este fim são denominados na literatura como métodos de propagação de feixe de ângulo largo. O formalismo aqui desenvolvido é baseado na técnica das diferenças finitas e nos esquemas de Crank-Nicholson (CN) e Douglas generalizado (GD). Estes esquemas apresentam como característica o fato de apresentarem um erro de truncamento em relação ao passo de discretização transversal, Δx, proporcional a O(Δx2) para o primeiro e O(Δx4). A convergência do método em ambos esquemas é otimizada pela utilização de um algoritmo interativo para a correção do campo no meio não-linear. O formalismo de ângulo largo é obtido pela expansão da EEH para os esquemas CN e GD em termos de polinômios aproximantes de Padé de ordem (1,0) e (1,1) para CN e GD, e (2,2) e (3,3) para CN. Os aproximantes de ordem superior a (1,1) apresentam sérios problemas de estabilidade. Este problema é eliminado pela rotação dos aproximantes no plano complexo. Duas condições de contorno nos extremos da janela computacional são também investigadas: 1) (TBC - Transparent Boundary Condition) e 2) condição de contorno absorvente (TAB - Transparent Absorbing Boundary). Estas condições de contorno possuem a facilidade de evitar que reflexões indesejáveis sejam transmitidas para dentro da janela computacional. Um estudo comparativo da influência destas condições de contorno na solução de guias de ondas ópticos não-lineares é também abordada neste trabalho.

Análise teórica-experimental de perfis de aço formados a frio devido à instabilidade por distorção na flexão

Apresenta-se neste trabalho um estudo teórico-experimental sobre a instabilidade de perfis formados a frio submetidos à flexão. A instabilidade distorcional se faz comum na presença de tensões de compressão atuando sobre perfis enrijecidos e fabricados com aços de elevada resistência mecânica. A parte teórica abrange os métodos de cálculo analíticos e numéricos para a análise de instabilidade distorcional de perfis de seção aberta formados a frio. Na parte experimental inclui-se o estudo de perfis formados a frio com seções do tipo U enrijecidos submetidos aos ensaios à flexão. Nestes ensaios variou-se a altura de alma e espessura de chapa procurando-se abranger maior número de condições geométricas para análise da estabilidade distorcional. Inclui-se também a análise de instabilidade numérica dos perfis do programa experimental através do método de resistência direta via método das faixas finitas. Com base nos resultados experimentais, numéricos e na análise teórica do problema, verificou-se o procedimento adotado pela NBR14762/2001 e efetuou-se comparação entre curvas de resistência propostas para o dimensionamento de perfis formados a frio à flexão. Foi verificado que o fenômeno de instabilidade distorcional pode ser o estado limite último crítico para o dimensionamento dos perfis formados a frio.

Avaliação de métodos numéricos de análise linear de estabilidade para perfis de aço formados a frio.

Para o projeto de estruturas com perfis de aço formados a frio, é fundamental a compreensão dos fenômenos da instabilidade local e global, uma vez que estes apresentam alta esbeltez e baixa rigidez à torção. A determinação do carregamento crítico e a identificação do modo de instabilidade contribuem para o entendimento do comportamento dessas estruturas. Este trabalho avalia três metodologias para a análise linear de estabilidade de perfis de aço formados a frio isolados, com o objetivo de determinar os carregamentos críticos elásticos de bifurcação e os modos de instabilidade associados. Estritamente, analisa-se perfis de seção U enrijecido e Z enrijecido isolados, de diversos comprimentos e diferentes condições de vinculação e carregamento. Determinam-se os carregamentos críticos elásticos de bifurcação e os modos de instabilidade globais e locais por meio de: (i) análise com o Método das Faixas Finitas (MFF), através do uso do programa computacional CUFSM; (ii) análise com elementos finitos de barra baseados na Teoria Generalizada de Vigas (MEF-GBT), via uso do programa GBTUL; e (iii) análise com elementos finitos de casca (MEF-cascas) por meio do uso do programa ABAQUS. Algumas restrições e ressalvas com relação ao uso do MFF são apresentadas, assim como limitações da Teoria Generalizada de Viga e precauções a serem tomadas nos modelos de cascas. Analisa-se também a influência do grau de discretização da seção transversal. No entanto, não é feita avaliação em relação aos procedimentos normativos e tampouco análises não lineares, considerando as imperfeições geométricas iniciais, tensões residuais e o comportamento elastoplástico do material.

Elastografia em imagens de ultrassom utilizando elementos de contorno.

Este trabalho apresenta uma nova metodologia para elastografia virtual em imagens simuladas de ultrassom utilizando métodos numéricos e métodos de visão computacional. O objetivo é estimar o módulo de elasticidade de diferentes tecidos tendo como entrada duas imagens da mesma seção transversal obtidas em instantes de tempo e pressões aplicadas diferentes. Esta metodologia consiste em calcular um campo de deslocamento das imagens com um método de fluxo óptico e aplicar um método iterativo para estimar os módulos de elasticidade (análise inversa) utilizando métodos numéricos. Para o cálculo dos deslocamentos, duas formulações são utilizadas para fluxo óptico: Lucas-Kanade e Brox. A análise inversa é realizada utilizando duas técnicas numéricas distintas: o Método dos Elementos Finitos (MEF) e o Método dos Elementos de Contorno (MEC), sendo ambos implementados em Unidades de Processamento Gráfico de uso geral, GpGPUs ( \"General Purpose Graphics Units\" ). Considerando uma quantidade qualquer de materiais a serem determinados, para a implementação do Método dos Elementos de Contorno é empregada a técnica de sub-regiões para acoplar as matrizes de diferentes estruturas identificadas na imagem. O processo de otimização utilizado para determinar as constantes elásticas é realizado de forma semi-analítica utilizando cálculo por variáveis complexas. A metodologia é testada em três etapas distintas, com simulações sem ruído, simulações com adição de ruído branco gaussiano e phantoms matemáticos utilizando rastreamento de ruído speckle. Os resultados das simulações apontam o uso do MEF como mais preciso, porém computacionalmente mais caro, enquanto o MEC apresenta erros toleráveis e maior velocidade no tempo de processamento.

Modelagem do absorvedor e do gerador de ciclos de refrigeração por absorção de calor com o par amônia/água baseados na tecnologia de filme descendente sobre placas inclinadas.

Esse trabalho constitui o desenvolvimento da modelagem térmica e simulação por métodos numéricos de dois componentes fundamentais do ciclo de refrigeração por absorção de calor com o par amônia/água: o absorvedor e o gerador. A função do absorvedor é produzir mistura líquida com alta fração mássica de amônia a partir de mistura líquida com baixa fração mássica de amônia e mistura vapor mediante retirada de calor. A função do gerador é produzir mistura líquido/vapor a partir de mistura líquida mediante o fornecimento de calor. É proposto o uso da tecnologia de filmes descendentes sobre placas inclinadas e o método de diferenças finitas para dividir o comprimento da placa em volumes de controle discretos e realizar os balanços de massa, espécie de amônia e energia juntamente com as equações de transferência de calor e massa para o filme descendente. O objetivo desse trabalho é obter um modelo matemático simplificado para ser utilizado em controle e otimização. Esse modelo foi utilizado para calcular as trocas de calor e massa no absorvedor e gerador para diversas condições a partir de dados operacionais, tais como: dimensões desses componentes, ângulo de inclinação da placa, temperatura de superfície e condições de entrada da fase líquida e vapor. Esses resultados foram utilizados para estabelecer relações de causa e efeito entre as variáveis e parâmetros do problema. Os resultados mostraram que o ângulo de inclinação da placa ótimo tanto para o absorvedor como para o gerador é a posição vertical, ou 90°. A posição vertical proporciona o menor comprimento de equilíbrio (0,85 m para o absorvedor e 1,27 m para o gerador com as condições testadas) e se mostrou estável, pois até 75° não foram verificadas variações no funcionamento do absorvedor e gerador. Dentre as condições testadas para uma placa de 0,5 m verificou-se que as maiores efetividades térmicas no absorvedor e gerador foram respectivamente 0,9 e 0,7 e as maiores efetividades mássicas no absorvedor e gerador foram respectivamente 0,6 e 0,5. É esperado que os dados obtidos sejam utilizados em trabalhos futuros para a construção de um protótipo laboratorial e na validação do modelo.

A new code for the Hall-driven magnetic evolution of neutron stars

Over the past decade, the numerical modeling of the magnetic field evolution in astrophysical scenarios has become an increasingly important field. In the crystallized crust of neutron stars the evolution of the magnetic field is governed by the Hall induction equation. In this equation the relative contribution of the two terms (Hall term and Ohmic dissipation) varies depending on the local conditions of temperature and magnetic field strength. This results in the transition from the purely parabolic character of the equations to the hyperbolic regime as the magnetic Reynolds number increases, which presents severe numerical problems. Up to now, most attempts to study this problem were based on spectral methods, but they failed in representing the transition to large magnetic Reynolds numbers. We present a new code based on upwind finite differences techniques that can handle situations with arbitrary low magnetic diffusivity and it is suitable for studying the formation of sharp current sheets during the evolution. The code is thoroughly tested in different limits and used to illustrate the evolution of the crustal magnetic field in a neutron star in some representative cases. Our code, coupled to cooling codes, can be used to perform long-term simulations of the magneto-thermal evolution of neutron stars.

Integration of modular process simulators under the Generalized Disjunctive Programming framework for the structural flowsheet optimization

The optimization of chemical processes where the flowsheet topology is not kept fixed is a challenging discrete-continuous optimization problem. Usually, this task has been performed through equation based models. This approach presents several problems, as tedious and complicated component properties estimation or the handling of huge problems (with thousands of equations and variables). We propose a GDP approach as an alternative to the MINLP models coupled with a flowsheet program. The novelty of this approach relies on using a commercial modular process simulator where the superstructure is drawn directly on the graphical use interface of the simulator. This methodology takes advantage of modular process simulators (specially tailored numerical methods, reliability, and robustness) and the flexibility of the GDP formulation for the modeling and solution. The optimization tool proposed is successfully applied to the synthesis of a methanol plant where different alternatives are available for the streams, equipment and process conditions.

Rigorous Design of Complex Distillation Columns Using Process Simulators and the Particle Swarm Optimization Algorithm

We present a derivative-free optimization algorithm coupled with a chemical process simulator for the optimal design of individual and complex distillation processes using a rigorous tray-by-tray model. The proposed approach serves as an alternative tool to the various models based on nonlinear programming (NLP) or mixed-integer nonlinear programming (MINLP) . This is accomplished by combining the advantages of using a commercial process simulator (Aspen Hysys), including especially suited numerical methods developed for the convergence of distillation columns, with the benefits of the particle swarm optimization (PSO) metaheuristic algorithm, which does not require gradient information and has the ability to escape from local optima. Our method inherits the superstructure developed in Yeomans, H.; Grossmann, I. E.Optimal design of complex distillation columns using rigorous tray-by-tray disjunctive programming models. Ind. Eng. Chem. Res.2000, 39 (11), 4326–4335, in which the nonexisting trays are considered as simple bypasses of liquid and vapor flows. The implemented tool provides the optimal configuration of distillation column systems, which includes continuous and discrete variables, through the minimization of the total annual cost (TAC). The robustness and flexibility of the method is proven through the successful design and synthesis of three distillation systems of increasing complexity.

Convergence analysis and validation of low cost distance metrics for computational cost reduction of the Iterative Closest Point algorithm

The Iterative Closest Point algorithm (ICP) is commonly used in engineering applications to solve the rigid registration problem of partially overlapped point sets which are pre-aligned with a coarse estimate of their relative positions. This iterative algorithm is applied in many areas such as the medicine for volumetric reconstruction of tomography data, in robotics to reconstruct surfaces or scenes using range sensor information, in industrial systems for quality control of manufactured objects or even in biology to study the structure and folding of proteins. One of the algorithm’s main problems is its high computational complexity (quadratic in the number of points with the non-optimized original variant) in a context where high density point sets, acquired by high resolution scanners, are processed. Many variants have been proposed in the literature whose goal is the performance improvement either by reducing the number of points or the required iterations or even enhancing the complexity of the most expensive phase: the closest neighbor search. In spite of decreasing its complexity, some of the variants tend to have a negative impact on the final registration precision or the convergence domain thus limiting the possible application scenarios. The goal of this work is the improvement of the algorithm’s computational cost so that a wider range of computationally demanding problems from among the ones described before can be addressed. For that purpose, an experimental and mathematical convergence analysis and validation of point-to-point distance metrics has been performed taking into account those distances with lower computational cost than the Euclidean one, which is used as the de facto standard for the algorithm’s implementations in the literature. In that analysis, the functioning of the algorithm in diverse topological spaces, characterized by different metrics, has been studied to check the convergence, efficacy and cost of the method in order to determine the one which offers the best results. Given that the distance calculation represents a significant part of the whole set of computations performed by the algorithm, it is expected that any reduction of that operation affects significantly and positively the overall performance of the method. As a result, a performance improvement has been achieved by the application of those reduced cost metrics whose quality in terms of convergence and error has been analyzed and validated experimentally as comparable with respect to the Euclidean distance using a heterogeneous set of objects, scenarios and initial situations.

Fluid-Fluid Reactions: Study of the Surface Renewal Theory in Chemical Engineering Courses

The Surface Renewal Theory (SRT) is one of the most unfamiliar models in order to characterize fluid-fluid and fluid-fluid-solid reactions, which are of considerable industrial and academicals importance. In the present work, an approach to the resolution of the SRT model by numerical methods is presented, enabling the visualization of the influence of different variables which control the heterogeneous overall process. Its use in a classroom allowed the students to reach a great understanding of the process.

Adaptive stepsize based on control theory for stochastic differential equations

The numerical solution of stochastic differential equations (SDEs) has been focussed recently on the development of numerical methods with good stability and order properties. These numerical implementations have been made with fixed stepsize, but there are many situations when a fixed stepsize is not appropriate. In the numerical solution of ordinary differential equations, much work has been carried out on developing robust implementation techniques using variable stepsize. It has been necessary, in the deterministic case, to consider the best choice for an initial stepsize, as well as developing effective strategies for stepsize control-the same, of course, must be carried out in the stochastic case. In this paper, proportional integral (PI) control is applied to a variable stepsize implementation of an embedded pair of stochastic Runge-Kutta methods used to obtain numerical solutions of nonstiff SDEs. For stiff SDEs, the embedded pair of the balanced Milstein and balanced implicit method is implemented in variable stepsize mode using a predictive controller for the stepsize change. The extension of these stepsize controllers from a digital filter theory point of view via PI with derivative (PID) control will also be implemented. The implementations show the improvement in efficiency that can be attained when using these control theory approaches compared with the regular stepsize change strategy. (C) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

Axisymmetric shock wave interaction with a cone: a benchmark test

Results of the benchmark test are presented of comparing numerical schemes solving shock wave of M-s = 2.38 in nitrogen and argon interacting with a 43 degrees semi-apex angle cone and corresponding experiments. The benchmark test was announced in Shock Waves Vol. 12, No. 4, in which we tried to clarify the effects of viscosity and heat conductivity on shock reflection in conical flows. This paper summarizes results of ten numerical and two experimental applications. State of the art in studies regarding the shock/cone interaction is clarified.

A note on the Balanced method

Recently the Balanced method was introduced as a class of quasi-implicit methods for solving stiff stochastic differential equations. We examine asymptotic and mean-square stability for several implementations of the Balanced method and give a generalized result for the mean-square stability region of any Balanced method. We also investigate the optimal implementation of the Balanced method with respect to strong convergence.