Nucleation studies on graphics processing units

Ein System in einem metastabilen Zustand muss eine bestimmte Barriere in derrnfreien Energie überwinden um einen Tropfen der stabilen Phase zu formen.rnHerkömmliche Untersuchungen nehmen hierbei kugelförmige Tropfen an. Inrnanisotropen Systemen (wie z.B. Kristallen) ist diese Annahme aber nicht ange-rnbracht. Bei tiefen Temperaturen wirkt sich die Anisotropie des Systems starkrnauf die freie Energie ihrer Oberfläche aus. Diese Wirkung wird oberhalb derrnAufrauungstemperatur T R schwächer. Das Ising-Modell ist ein einfaches Mo-rndell, welches eine solche Anisotropie aufweist. Wir führen großangelegte Sim-rnulationen durch, um die Effekte, die mit einer endlichen Simulationsbox ein-rnhergehen, sowie statistische Ungenauigkeiten möglichst klein zu halten. DasrnAusmaß der Simulationen die benötigt werden um sinnvolle Ergebnisse zu pro-rnduzieren, erfordert die Entwicklung eines skalierbaren Simulationsprogrammsrnfür das Ising-Modell, welcher auf verschiedenen parallelen Architekturen (z.B.rnGrafikkarten) verwendet werden kann. Plattformunabhängigkeit wird durch ab-rnstrakte Schnittstellen erreicht, welche plattformspezifische Implementierungs-rndetails verstecken. Wir benutzen eine Systemgeometrie die es erlaubt eine Ober-rnfläche mit einem variablen Winkel zur Kristallebene zu untersuchen. Die Ober-rnfläche ist in Kontakt mit einer harten Wand, wobei der Kontaktwinkel Θ durchrnein Oberflächenfeld eingestellt werden kann. Wir leiten eine Differenzialglei-rnchung ab, welche das Verhalten der freien Energie der Oberfläche in einemrnanisotropen System beschreibt. Kombiniert mit thermodynamischer Integrationrnkann die Gleichung benutzt werden, um die anisotrope Oberflächenspannungrnüber einen großen Winkelbereich zu integrieren. Vergleiche mit früheren Mes-rnsungen in anderen Geometrien und anderen Methoden zeigen hohe Überein-rnstimung und Genauigkeit, welche vor allem durch die im Vergleich zu früherenrnMessungen wesentlich größeren Simulationsdomänen erreicht wird. Die Temper-rnaturabhängigkeit der Oberflächensteifheit κ wird oberhalb von T R durch diernKrümmung der freien Energie der Oberfläche für kleine Winkel gemessen. DiesernMessung lässt sich mit Simulationsergebnissen in der Literatur vergleichen undrnhat bessere Übereinstimmung mit theoretischen Voraussagen über das Skalen-rnverhalten von κ. Darüber hinaus entwickeln wir ein Tieftemperatur-Modell fürrndas Verhalten um Θ = 90 Grad weit unterhalb von T R. Der Winkel bleibt bis zu einemrnkritischen Feld H C quasi null; oberhalb des kritischen Feldes steigt der Winkelrnrapide an. H C wird mit der freien Energie einer Stufe in Verbindung gebracht,rnwas es ermöglicht, das kritische Verhalten dieser Größe zu analysieren. Die harternWand muss in die Analyse einbezogen werden. Durch den Vergleich freier En-rnergien bei geschickt gewählten Systemgrößen ist es möglich, den Beitrag derrnKontaktlinie zur freien Energie in Abhängigkeit von Θ zu messen. Diese Anal-rnyse wird bei verschiedenen Temperaturen durchgeführt. Im letzten Kapitel wirdrneine 2D Fluiddynamik Simulation für Grafikkarten parallelisiert, welche u. a.rnbenutzt werden kann um die Dynamik der Atmosphäre zu simulieren. Wir im-rnplementieren einen parallelen Evolution Galerkin Operator und erreichen

IMEX finite volume methods for the shallow water equations

Die Flachwassergleichungen (SWE) sind ein hyperbolisches System von Bilanzgleichungen, die adäquate Approximationen an groß-skalige Strömungen der Ozeane, Flüsse und der Atmosphäre liefern. Dabei werden Masse und Impuls erhalten. Wir unterscheiden zwei charakteristische Geschwindigkeiten: die Advektionsgeschwindigkeit, d.h. die Geschwindigkeit des Massentransports, und die Geschwindigkeit von Schwerewellen, d.h. die Geschwindigkeit der Oberflächenwellen, die Energie und Impuls tragen. Die Froude-Zahl ist eine Kennzahl und ist durch das Verhältnis der Referenzadvektionsgeschwindigkeit zu der Referenzgeschwindigkeit der Schwerewellen gegeben. Für die oben genannten Anwendungen ist sie typischerweise sehr klein, z.B. 0.01. Zeit-explizite Finite-Volume-Verfahren werden am öftersten zur numerischen Berechnung hyperbolischer Bilanzgleichungen benutzt. Daher muss die CFL-Stabilitätsbedingung eingehalten werden und das Zeitinkrement ist ungefähr proportional zu der Froude-Zahl. Deswegen entsteht bei kleinen Froude-Zahlen, etwa kleiner als 0.2, ein hoher Rechenaufwand. Ferner sind die numerischen Lösungen dissipativ. Es ist allgemein bekannt, dass die Lösungen der SWE gegen die Lösungen der Seegleichungen/ Froude-Zahl Null SWE für Froude-Zahl gegen Null konvergieren, falls adäquate Bedingungen erfüllt sind. In diesem Grenzwertprozess ändern die Gleichungen ihren Typ von hyperbolisch zu hyperbolisch.-elliptisch. Ferner kann bei kleinen Froude-Zahlen die Konvergenzordnung sinken oder das numerische Verfahren zusammenbrechen. Insbesondere wurde bei zeit-expliziten Verfahren falsches asymptotisches Verhalten (bzgl. der Froude-Zahl) beobachtet, das diese Effekte verursachen könnte.Ozeanographische und atmosphärische Strömungen sind typischerweise kleine Störungen eines unterliegenden Equilibriumzustandes. Wir möchten, dass numerische Verfahren für Bilanzgleichungen gewisse Equilibriumzustände exakt erhalten, sonst können künstliche Strömungen vom Verfahren erzeugt werden. Daher ist die Quelltermapproximation essentiell. Numerische Verfahren die Equilibriumzustände erhalten heißen ausbalanciert.rnrnIn der vorliegenden Arbeit spalten wir die SWE in einen steifen, linearen und einen nicht-steifen Teil, um die starke Einschränkung der Zeitschritte durch die CFL-Bedingung zu umgehen. Der steife Teil wird implizit und der nicht-steife explizit approximiert. Dazu verwenden wir IMEX (implicit-explicit) Runge-Kutta und IMEX Mehrschritt-Zeitdiskretisierungen. Die Raumdiskretisierung erfolgt mittels der Finite-Volumen-Methode. Der steife Teil wird mit Hilfe von finiter Differenzen oder au eine acht mehrdimensional Art und Weise approximniert. Zur mehrdimensionalen Approximation verwenden wir approximative Evolutionsoperatoren, die alle unendlich viele Informationsausbreitungsrichtungen berücksichtigen. Die expliziten Terme werden mit gewöhnlichen numerischen Flüssen approximiert. Daher erhalten wir eine Stabilitätsbedingung analog zu einer rein advektiven Strömung, d.h. das Zeitinkrement vergrößert um den Faktor Kehrwert der Froude-Zahl. Die in dieser Arbeit hergeleiteten Verfahren sind asymptotisch erhaltend und ausbalanciert. Die asymptotischer Erhaltung stellt sicher, dass numerische Lösung das "korrekte" asymptotische Verhalten bezüglich kleiner Froude-Zahlen besitzt. Wir präsentieren Verfahren erster und zweiter Ordnung. Numerische Resultate bestätigen die Konvergenzordnung, so wie Stabilität, Ausbalanciertheit und die asymptotische Erhaltung. Insbesondere beobachten wir bei machen Verfahren, dass die Konvergenzordnung fast unabhängig von der Froude-Zahl ist.

Equazioni stocastiche backward nel mercato delle emissioni

In questa tesi viene esposto il modello EU ETS (European Union Emission Trading Scheme) per la riduzione delle emissoni di gas serra, il quale viene formalizzato matematicamente da un sistema di FBSDE (Forward Backward Stochastic Differential Equation). Da questo sistema si ricava un'equazione differenziale non lineare con condizione al tempo finale non continua che viene studiata attraverso la teoria delle soluzioni viscosità. Inoltre il modello viene implementato numericamente per ottenere alcune simulazioni dei processi coinvolti.

Theoretical considerations to the verification of dynamic multileaf collimated fields with a SLIC-type portal image detector

The verification possibilities of dynamically collimated treatment beams with a scanning liquid ionization chamber electronic portal image device (SLIC-EPID) are investigated. The ion concentration in the liquid of a SLIC-EPID and therefore the read-out signal is determined by two parameters of a differential equation describing the creation and recombination of the ions. Due to the form of this equation, the portal image detector describes a nonlinear dynamic system with memory. In this work, the parameters of the differential equation were experimentally determined for the particular chamber in use and for an incident open 6 MV photon beam. The mathematical description of the ion concentration was then used to predict portal images of intensity-modulated photon beams produced by a dynamic delivery technique, the sliding window approach. Due to the nature of the differential equation, a mathematical condition for 'reliable leaf motion verification' in the sliding window technique can be formulated. It is shown that the time constants for both formation and decay of the equilibrium concentration in the chamber is in the order of seconds. In order to guarantee reliable leaf motion verification, these time constants impose a constraint on the rapidity of the image-read out for a given maximum leaf speed. For a leaf speed of 2 cm s(-1), a minimum image acquisition frequency of about 2 Hz is required. Current SLIC-EPID systems are usually too slow since they need about a second to acquire a portal image. However, if the condition is fulfilled, the memory property of the system can be used to reconstruct the leaf motion. It is shown that a simple edge detecting algorithm can be employed to determine the leaf positions. The method is also very robust against image noise.

Lions-type compactness and Rubik actions on the Heisenberg group

In this paper we prove a Lions-type compactness embedding result for symmetric unbounded domains of the Heisenberg group. The natural group action on the Heisenberg group TeX is provided by the unitary group U(n) × {1} and its appropriate subgroups, which will be used to construct subspaces with specific symmetry and compactness properties in the Folland-Stein’s horizontal Sobolev space TeX. As an application, we study the multiplicity of solutions for a singular subelliptic problem by exploiting a technique of solving the Rubik-cube applied to subgroups of U(n) × {1}. In our approach we employ concentration compactness, group-theoretical arguments, and variational methods.

A model of the roles of essential kinases in the induction and expression of late long-term potentiation.

The induction of late long-term potentiation (L-LTP) involves complex interactions among second-messenger cascades. To gain insights into these interactions, a mathematical model was developed for L-LTP induction in the CA1 region of the hippocampus. The differential equation-based model represents actions of protein kinase A (PKA), MAP kinase (MAPK), and CaM kinase II (CAMKII) in the vicinity of the synapse, and activation of transcription by CaM kinase IV (CAMKIV) and MAPK. L-LTP is represented by increases in a synaptic weight. Simulations suggest that steep, supralinear stimulus-response relationships between stimuli (e.g., elevations in [Ca(2+)]) and kinase activation are essential for translating brief stimuli into long-lasting gene activation and synaptic weight increases. Convergence of multiple kinase activities to induce L-LTP helps to generate a threshold whereby the amount of L-LTP varies steeply with the number of brief (tetanic) electrical stimuli. The model simulates tetanic, -burst, pairing-induced, and chemical L-LTP, as well as L-LTP due to synaptic tagging. The model also simulates inhibition of L-LTP by inhibition of MAPK, CAMKII, PKA, or CAMKIV. The model predicts results of experiments to delineate mechanisms underlying L-LTP induction and expression. For example, the cAMP antagonist RpcAMPs, which inhibits L-LTP induction, is predicted to inhibit ERK activation. The model also appears useful to clarify similarities and differences between hippocampal L-LTP and long-term synaptic strengthening in other systems.

Comparative theoretical analysis of continuous wave laser cutting of metals at 1 and 10 um wavelength

We present a derivation and, based on it, an extension of a model originally proposed by V.G. Niziev to describe continuous wave laser cutting of metals. Starting from a local energy balance and by incorporating heat removal through heat conduction to the bulk material, we find a differential equation for the cutting profile. This equation is solved numerically and yields, besides the cutting profiles, the maximum cutting speed, the absorptivity profiles, and other relevant quantities. Our main goal is to demonstrate the model’s capability to explain some of the experimentally observed differences between laser cutting at around 1 and 10 μm wavelengths. To compare our numerical results to experimental observations, we perform simulations for exactly the same material and laser beam parameters as those used in a recent comparative experimental study. Generally, we find good agreement between theoretical and experimental results and show that the main differences between laser cutting with 1- and 10-μm beams arise from the different absorptivity profiles and absorbed intensities. Especially the latter suggests that the energy transfer, and thus the laser cutting process, is more efficient in the case of laser cutting with 1-μm beams.

Computational Comparison of Continuous and Discontinuous Galerkin Time-Stepping Methods for Nonlinear Initial Value Problems

This article centers on the computational performance of the continuous and discontinuous Galerkin time stepping schemes for general first-order initial value problems in R n , with continuous nonlinearities. We briefly review a recent existence result for discrete solutions from [6], and provide a numerical comparison of the two time discretization methods.

Space-time Reconstruction of Oceanic Sea States via Variational Stereo Methods

We present a remote sensing observational method for the measurement of the spatio-temporal dynamics of ocean waves. Variational techniques are used to recover a coherent space-time reconstruction of oceanic sea states given stereo video imagery. The stereoscopic reconstruction problem is expressed in a variational optimization framework. There, we design an energy functional whose minimizer is the desired temporal sequence of wave heights. The functional combines photometric observations as well as spatial and temporal regularizers. A nested iterative scheme is devised to numerically solve, via 3-D multigrid methods, the system of partial differential equations resulting from the optimality condition of the energy functional. The output of our method is the coherent, simultaneous estimation of the wave surface height and radiance at multiple snapshots. We demonstrate our algorithm on real data collected off-shore. Statistical and spectral analysis are performed. Comparison with respect to an existing sequential method is analyzed.

Examples of PDEs all whose points are characteristic

Let π : FM ! M be the bundle of linear frames of a manifold M. A basis Lijk , j < k, of diffeomorphism invariant Lagrangians on J1 (FM) was determined in [J. Muñoz Masqué, M. E. Rosado, Invariant variational problems on linear frame bundles, J. Phys. A35 (2002) 2013-2036]. The notion of a characteristic hypersurface for an arbitrary first-order PDE system on an ar- bitrary bred manifold π : P → M, is introduced and for the systems dened by the Euler-Lagrange equations of Lijk every hypersurface is shown to be characteristic. The Euler-Lagrange equations of the natural basis of Lagrangian densities Lijk on the bundle of linear frames of a manifold M which are invariant under diffeomorphisms, are shown to be an underdetermined PDEs systems such that every hypersurface of M is characteristic for such equations. This explains why these systems cannot be written in the Cauchy-Kowaleska form, although they are known to be formally integrable by using the tools of geometric theory of partial differential equations, see [J. Muñoz Masqué, M. E. Rosado, Integrability of the eld equations of invariant variational problems on linear frame bundles, J. Geom. Phys. 49 (2004), 119-155]

The estimation of truncation error by tau-estimation revisited

The aim of this paper was to accurately estimate the local truncation error of partial differential equations, that are numerically solved using a finite difference or finite volume approach on structured and unstructured meshes. In this work, we approximated the local truncation error using the @t-estimation procedure, which aims to compare the residuals on a sequence of grids with different spacing. First, we focused the analysis on one-dimensional scalar linear and non-linear test cases to examine the accuracy of the estimation of the truncation error for both finite difference and finite volume approaches on different grid topologies. Then, we extended the analysis to two-dimensional problems: first on linear and non-linear scalar equations and finally on the Euler equations. We demonstrated that this approach yields a highly accurate estimation of the truncation error if some conditions are fulfilled. These conditions are related to the accuracy of the restriction operators, the choice of the boundary conditions, the distortion of the grids and the magnitude of the iteration error.

A Variational Stereo Method for the Three-Dimensional Reconstruction of Ocean Waves

We develop a novel remote sensing technique for the observation of waves on the ocean surface. Our method infers the 3-D waveform and radiance of oceanic sea states via a variational stereo imagery formulation. In this setting, the shape and radiance of the wave surface are given by minimizers of a composite energy functional that combines a photometric matching term along with regularization terms involving the smoothness of the unknowns. The desired ocean surface shape and radiance are the solution of a system of coupled partial differential equations derived from the optimality conditions of the energy functional. The proposed method is naturally extended to study the spatiotemporal dynamics of ocean waves and applied to three sets of stereo video data. Statistical and spectral analysis are carried out. Our results provide evidence that the observed omnidirectional wavenumber spectrum S(k) decays as k-2.5 is in agreement with Zakharov's theory (1999). Furthermore, the 3-D spectrum of the reconstructed wave surface is exploited to estimate wave dispersion and currents.

An efficient ‘a priori’ model reduction for boundary element models

The Boundary Element Method (BEM) is a discretisation technique for solving partial differential equations, which offers, for certain problems, important advantages over domain techniques. Despite the high CPU time reduction that can be achieved, some 3D problems remain today untreatable because the extremely large number of degrees of freedom—dof—involved in the boundary description. Model reduction seems to be an appealing choice for both, accurate and efficient numerical simulations. However, in the BEM the reduction in the number of degrees of freedom does not imply a significant reduction in the CPU time, because in this technique the more important part of the computing time is spent in the construction of the discrete system of equations. In this way, a reduction also in the number of weighting functions, seems to be a key point to render efficient boundary element simulations.