Numerical model of solid phase transformations governed by nucleation and growth: microstructure development during isothermal crystallization

A simple numerical model which calculates the kinetics of crystallization involving randomly distributed nucleation and isotropic growth is presented. The model can be applied to different thermal histories and no restrictions are imposed on the time and the temperature dependences of the nucleation and growth rates. We also develop an algorithm which evaluates the corresponding emerging grain-size distribution. The algorithm is easy to implement and particularly flexible, making it possible to simulate several experimental conditions. Its simplicity and minimal computer requirements allow high accuracy for two- and three-dimensional growth simulations. The algorithm is applied to explore the grain morphology development during isothermal treatments for several nucleation regimes. In particular, thermal nucleation, preexisting nuclei, and the combination of both nucleation mechanisms are analyzed. For the first two cases, the universal grain-size distribution is obtained. The high accuracy of the model is stated from its comparison to analytical predictions. Finally, the validity of the Kolmogorov-Johnson-Mehl-Avrami model SSSR, is verified for all the cases studied

Operator expansion: definition and molecular integral applications

Es defineix l'expansió general d'operadors com una combinació lineal de projectors i s'exposa la seva aplicació generalitzada al càlcul d'integrals moleculars. Com a exemple numèric, es fa l'aplicació al càlcul d'integrals de repulsió electrònica entre quatre funcions de tipus s centrades en punts diferents, i es mostren tant resultats del càlcul com la definició d'escalat respecte a un valor de referència, que facilitarà el procés d'optimització de l'expansió per uns paràmetres arbitraris. Es donen resultats ajustats al valor exacte

Good-visibility computation using graphics hardware

Aquesta tesi tracta del disseny, implementació i discussió d'algoritmes per resoldre problemes de visibilitat i bona-visibilitat utilitzant el hardware gràfic de l'ordinador. Concretament, s'obté una discretització dels mapes de multi-visibilitat i bona-visibilitat a partir d'un conjunt d'objectes de visió i un conjunt d'obstacles. Aquests algoritmes són útils tant per fer càlculs en dues dimensions com en tres dimensions. Fins i tot ens permeten calcular-los sobre terrenys.

Analysis and Simulation of Transverse Random Fracture of Long Fibre Reinforced Composites

La present tesi proposa una metodología per a la simulació probabilística de la fallada de la matriu en materials compòsits reforçats amb fibres de carboni, basant-se en l'anàlisi de la distribució aleatòria de les fibres. En els primers capítols es revisa l'estat de l'art sobre modelització matemàtica de materials aleatoris, càlcul de propietats efectives i criteris de fallada transversal en materials compòsits. El primer pas en la metodologia proposada és la definició de la determinació del tamany mínim d'un Element de Volum Representatiu Estadístic (SRVE) . Aquesta determinació es du a terme analitzant el volum de fibra, les propietats elàstiques efectives, la condició de Hill, els estadístics de les components de tensió i defromació, la funció de densitat de probabilitat i les funcions estadístiques de distància entre fibres de models d'elements de la microestructura, de diferent tamany. Un cop s'ha determinat aquest tamany mínim, es comparen un model periòdic i un model aleatori, per constatar la magnitud de les diferències que s'hi observen. Es defineix, també, una metodologia per a l'anàlisi estadístic de la distribució de la fibra en el compòsit, a partir d'imatges digitals de la secció transversal. Aquest anàlisi s'aplica a quatre materials diferents. Finalment, es proposa un mètode computacional de dues escales per a simular la fallada transversal de làmines unidireccionals, que permet obtenir funcions de densitat de probabilitat per a les variables mecàniques. Es descriuen algunes aplicacions i possibilitats d'aquest mètode i es comparen els resultats obtinguts de la simulació amb valors experimentals.

Modelling stereoscopic vision systems for robotic applications

Aquesta tesi s'emmarca dins del projecte CICYT TAP 1999-0443-C05-01. L'objectiu d'aquest projecte és el disseny, implementació i avaluació de robots mòbils, amb un sistema de control distribuït, sistemes de sensorització i xarxa de comunicacions per realitzar tasques de vigilància. Els robots han de poder-se moure per un entorn reconeixent la posició i orientació dels diferents objectes que l'envolten. Aquesta informació ha de permetre al robot localitzar-se dins de l'entorn on es troba per poder-se moure evitant els possibles obstacles i dur a terme la tasca encomanada. El robot ha de generar un mapa dinàmic de l'entorn que serà utilitzat per localitzar la seva posició. L'objectiu principal d'aquest projecte és aconseguir que un robot explori i construeixi un mapa de l'entorn sense la necessitat de modificar el propi entorn. Aquesta tesi està enfocada en l'estudi de la geometria dels sistemes de visió estereoscòpics formats per dues càmeres amb l'objectiu d'obtenir informació geomètrica 3D de l'entorn d'un vehicle. Aquest objectiu tracta de l'estudi del modelatge i la calibració de càmeres i en la comprensió de la geometria epipolar. Aquesta geometria està continguda en el que s'anomena emph{matriu fonamental}. Cal realitzar un estudi del càlcul de la matriu fonamental d'un sistema estereoscòpic amb la finalitat de reduir el problema de la correspondència entre dos plans imatge. Un altre objectiu és estudiar els mètodes d'estimació del moviment basats en la geometria epipolar diferencial per tal de percebre el moviment del robot i obtenir-ne la posició. Els estudis de la geometria que envolta els sistemes de visió estereoscòpics ens permeten presentar un sistema de visió per computador muntat en un robot mòbil que navega en un entorn desconegut. El sistema fa que el robot sigui capaç de generar un mapa dinàmic de l'entorn a mesura que es desplaça i determinar quin ha estat el moviment del robot per tal de emph{localitzar-se} dins del mapa. La tesi presenta un estudi comparatiu dels mètodes de calibració de càmeres més utilitzats en les últimes dècades. Aquestes tècniques cobreixen un gran ventall dels mètodes de calibració clàssics. Aquest mètodes permeten estimar els paràmetres de la càmera a partir d'un conjunt de punts 3D i de les seves corresponents projeccions 2D en una imatge. Per tant, aquest estudi descriu un total de cinc tècniques de calibració diferents que inclouen la calibració implicita respecte l'explicita i calibració lineal respecte no lineal. Cal remarcar que s'ha fet un gran esforç en utilitzar la mateixa nomenclatura i s'ha estandaritzat la notació en totes les tècniques presentades. Aquesta és una de les dificultats principals a l'hora de poder comparar les tècniques de calibració ja què cada autor defineix diferents sistemes de coordenades i diferents conjunts de paràmetres. El lector és introduït a la calibració de càmeres amb la tècnica lineal i implícita proposada per Hall i amb la tècnica lineal i explicita proposada per Faugeras-Toscani. A continuació es passa a descriure el mètode a de Faugeras incloent el modelatge de la distorsió de les lents de forma radial. Seguidament es descriu el conegut mètode proposat per Tsai, i finalment es realitza una descripció detallada del mètode de calibració proposat per Weng. Tots els mètodes són comparats tant des del punt de vista de model de càmera utilitzat com de la precisió de la calibració. S'han implementat tots aquests mètodes i s'ha analitzat la precisió presentant resultats obtinguts tant utilitzant dades sintètiques com càmeres reals. Calibrant cada una de les càmeres del sistema estereoscòpic es poden establir un conjunt de restriccions geomètri ques entre les dues imatges. Aquestes relacions són el que s'anomena geometria epipolar i estan contingudes en la matriu fonamental. Coneixent la geometria epipolar es pot: simplificar el problema de la correspondència reduint l'espai de cerca a llarg d'una línia epipolar; estimar el moviment d'una càmera quan aquesta està muntada sobre un robot mòbil per realitzar tasques de seguiment o de navegació; reconstruir una escena per aplicacions d'inspecció, propotipatge o generació de motlles. La matriu fonamental s'estima a partir d'un conjunt de punts en una imatges i les seves correspondències en una segona imatge. La tesi presenta un estat de l'art de les tècniques d'estimació de la matriu fonamental. Comença pels mètode lineals com el dels set punts o el mètode dels vuit punts, passa pels mètodes iteratius com el mètode basat en el gradient o el CFNS, fins arribar las mètodes robustos com el M-Estimators, el LMedS o el RANSAC. En aquest treball es descriuen fins a 15 mètodes amb 19 implementacions diferents. Aquestes tècniques són comparades tant des del punt de vista algorísmic com des del punt de vista de la precisió que obtenen. Es presenten el resultats obtinguts tant amb imatges reals com amb imatges sintètiques amb diferents nivells de soroll i amb diferent quantitat de falses correspondències. Tradicionalment, l'estimació del moviment d'una càmera està basada en l'aplicació de la geometria epipolar entre cada dues imatges consecutives. No obstant el cas tradicional de la geometria epipolar té algunes limitacions en el cas d'una càmera situada en un robot mòbil. Les diferencies entre dues imatges consecutives són molt petites cosa que provoca inexactituds en el càlcul de matriu fonamental. A més cal resoldre el problema de la correspondència, aquest procés és molt costós en quant a temps de computació i no és gaire efectiu per aplicacions de temps real. En aquestes circumstàncies les tècniques d'estimació del moviment d'una càmera solen basar-se en el flux òptic i en la geometria epipolar diferencial. En la tesi es realitza un recull de totes aquestes tècniques degudament classificades. Aquests mètodes són descrits unificant la notació emprada i es remarquen les semblances i les diferencies entre el cas discret i el cas diferencial de la geometria epipolar. Per tal de poder aplicar aquests mètodes a l'estimació de moviment d'un robot mòbil, aquest mètodes generals que estimen el moviment d'una càmera amb sis graus de llibertat, han estat adaptats al cas d'un robot mòbil que es desplaça en una superfície plana. Es presenten els resultats obtinguts tant amb el mètodes generals de sis graus de llibertat com amb els adaptats a un robot mòbil utilitzant dades sintètiques i seqüències d'imatges reals. Aquest tesi finalitza amb una proposta de sistema de localització i de construcció d'un mapa fent servir un sistema estereoscòpic situat en un robot mòbil. Diverses aplicacions de robòtica mòbil requereixen d'un sistema de localització amb l'objectiu de facilitar la navegació del vehicle i l'execució del les trajectòries planificades. La localització es sempre relativa al mapa de l'entorn on el robot s'està movent. La construcció de mapes en un entorn desconegut és una tasca important a realitzar per les futures generacions de robots mòbils. El sistema que es presenta realitza la localització i construeix el mapa de l'entorn de forma simultània. A la tesi es descriu el robot mòbil GRILL, que ha estat la plataforma de treball emprada per aquesta aplicació, amb el sistema de visió estereoscòpic que s'ha dissenyat i s'ha muntat en el robot. També es descriu tots el processos que intervenen en el sistema de localització i construcció del mapa. La implementació d'aquest processos ha estat possible gràcies als estudis realitzats i presentats prèviament (calibració de càmeres, estimació de la matriu fonamental, i estimació del moviment) sense els quals no s'hauria pogut plantejar aquest sistema. Finalment es presenten els mapes en diverses trajectòries realitzades pel robot GRILL en el laboratori. Les principals contribucions d'aquest treball són: ·Un estat de l'art sobre mètodes de calibració de càmeres. El mètodes són comparats tan des del punt de vista del model de càmera utilitzat com de la precisió dels mètodes. ·Un estudi dels mètodes d'estimació de la matriu fonamental. Totes les tècniques estudiades són classificades i descrites des d'un punt de vista algorísmic. ·Un recull de les tècniques d'estimació del moviment d'una càmera centrat en el mètodes basat en la geometria epipolar diferencial. Aquestes tècniques han estat adaptades per tal d'estimar el moviment d'un robot mòbil. ·Una aplicació de robòtica mòbil per tal de construir un mapa dinàmic de l'entorn i localitzar-se per mitja d'un sistema estereoscòpic. L'aplicació presentada es descriu tant des del punt de vista del maquinari com del programari que s'ha dissenyat i implementat.

Numerical Response of Breeding Birds Following Experimental Selection Harvesting in Northern Hardwood Forests

Silvicultural treatments have been shown to alter the composition of species assemblages in numerous taxa. However, the intensity and persistence of these effects have rarely been documented. We used a before-after, control-impact (BACI) paired design, i.e., five pairs of 25-ha study plots, 1-control and 1-treated plot, to quantify changes in the density of eight forest bird species in response to selection harvesting over six breeding seasons, one year pre- and five years postharvest. Focal species included mature forest associates, i.e., Northern Parula (Setophaga americana) and Black-throated Green Warbler (Setophaga virens), forest generalists, i.e., Yellow-bellied Sapsucker (Sphyrapicus varius) and Swainson’s Thrush (Catharus ustulatus), early-seral specialists, i.e., Mourning Warbler (Geothlypis philadelphia) and Chestnut-sided Warbler (Setophaga pensylvanica), species associated with shrubby forest gaps, i.e., Black-throated Blue Warbler (Setophaga caerulescens), and mid-seral species, i.e., American Redstart (Setophaga ruticilla). As predicted, we found a negative numerical response to the treatment in the Black-throated Green Warbler, no treatment effect in the Yellow-bellied Sapsucker, and a positive treatment effect in early-seral specialists. We only detected a year effect in the Northern Parula and the American Redstart. There was evidence for a positive treatment effect on the Swainson’s Thrush when the regeneration started to reach the pole stage, i.e., fifth year postharvest. These findings suggest that selection harvesting has the potential to maintain diverse avian assemblages while allowing sustainable management of timber supply, but future studies should determine whether mature-forest associates can sustain second- and third-entry selection harvest treatments.

On the impact of humidity observations in numerical weather prediction

The impact of humidity observations on forecast skill is explored by producing a series of global forecasts using initial data derived from the ERA-40 reanalyses system, in which all humidity data have been removed during the data assimilation. The new forecasts have been compared with the original ERA-40 analyses and forecasts made from them. Both sets of forecasts show virtually identical prediction skill in the extratropics and the tropics. Differences between the forecasts are small and undergo characteristic amplification rate. There are larger differences in temperature and geopotential in the tropics but the differences are small-scale and unstructured and have no noticeable effect on the skill of the wind forecasts. The results highlight the current very limited impact of the humidity observations, used to produce the initial state, on the forecasts.

Numerical simulation of baroclinic waves with a parameterized boundary layer

A dry three-dimensional baroclinic life cycle model is used to investigate the role of turbulent fluxes of heat and momentum within the boundary layer on mid-latitude cyclones. Simulations are performed of life cycles for two basic states, both with and without turbulent fluxes. The different basic states produce cyclones with contrasting frontal and mesoscale-flow structures. The analysis focuses on the generation of potential-vorticity (PV) in the boundary layer and its subsequent transport into the free troposphere. The dynamic mechanism through which friction mitigates a barotropic vortex is that of Ekman pumping. This has often been assumed to be also the dominant mechanism for baroclinic developments. The PV framework highlights an additional, baroclinic mechanism. Positive PV is generated baroclinically due to friction to the north-east of a surface low and is transported out of the boundary layer by a cyclonic conveyor belt flow. The result is an anomaly of increased static stability in the lower troposphere which restricts the growth of the baroclinic wave. The reduced coupling between lower and upper levels can be sufficient to change the character of the upper-level evolution of the mature wave. The basic features of the baroclinic damping mechanism are robust for different frontal structures, with and without turbulent heat fluxes, and for the range of surface roughness found over the oceans.

A cell by cell anisotropic adaptive mesh ALE scheme for the numerical solution of the Euler equations

In this paper a cell by cell anisotropic adaptive mesh technique is added to an existing staggered mesh Lagrange plus remap finite element ALE code for the solution of the Euler equations. The quadrilateral finite elements may be subdivided isotropically or anisotropically and a hierarchical data structure is employed. An efficient computational method is proposed, which only solves on the finest level of resolution that exists for each part of the domain with disjoint or hanging nodes being used at resolution transitions. The Lagrangian, equipotential mesh relaxation and advection (solution remapping) steps are generalised so that they may be applied on the dynamic mesh. It is shown that for a radial Sod problem and a two-dimensional Riemann problem the anisotropic adaptive mesh method runs over eight times faster.

Stratosphere-troposphere transport in a numerical simulation of midlatitude convection

The transport of stratospheric air deep into the troposphere via convection is investigated numerically using the UK Met Office Unified Model. A convective system that formed on 27 June 2004 near southeast England, in the vicinity an upper level potential vorticity anomaly and a lowered tropopause, provides the basis for analysis. Transport is diagnosed using a stratospheric tracer that can either be passed through or withheld from the model’s convective parameterization scheme. Three simulations are performed at increasingly finer resolutions, with horizontal grid lengths of 12, 4, and 1 km. In the 12 and 4 km simulations, tracer is transported deeply into the troposphere by the parameterized convection. In the 1 km simulation, for which the convective parameterization is disengaged, deep transport is still accomplished but with a much smaller magnitude. However, the 1 km simulation resolves stirring along the tropopause that does not exist in the coarser simulations. In all three simulations, the concentration of the deeply transported tracer is small, three orders of magnitude less than that of the shallow transport near the tropopause, most likely because of the efficient dilution of parcels in the lower troposphere.