Investigation of the cold crucible melting process: experimental and numerical study

The dynamic process of melting different materials in a cold crucible is being studied experimentally with parallel numerical modelling work. The numerical simulation uses a variety of complementing models: finite volume, integral equation and pseudo-spectral methods combined to achieve the accurate description of the dynamic melting process. Results show the temperature history of the melting process with a comparison of the experimental and computed heat losses in the various parts of the equipment. The free surface visual observations are compared to the numerically predicted surface shapes.

A preliminary investigation of the evacuation of the WTC North Tower using computer simulation

This paper concerns a preliminary numerical simulation study of the evacuation of the World Trade Centre North Tower on 11 September 2001 using the buildingEXODUS evacuation simulation software. The analysis makes use of response time data derived from a study of survivor accounts appearing in the public domain. While exact geometric details of the building were not available for this study, the building geometry was approximated from descriptions available in the public domain. The study attempts to reproduce the events of 11 September 2001 and pursue several ‘what if’ questions concerning the evacuation. In particular, the study explores the likely outcome had a single staircase survived in tact from top to bottom.

Comparing the implementation of two-dimensional numerical quadrature on GPU, FPGA and ClearSpeed systems to study electron scattering by atoms

The use of accelerators, with compute architectures different and distinct from the CPU, has become a new research frontier in high-performance computing over the past ?ve years. This paper is a case study on how the instruction-level parallelism offered by three accelerator technologies, FPGA, GPU and ClearSpeed, can be exploited in atomic physics. The algorithm studied is the evaluation of two electron integrals, using direct numerical quadrature, a task that arises in the study of intermediate energy electron scattering by hydrogen atoms. The results of our ‘productivity’ study show that while each accelerator is viable, there are considerable differences in the implementation strategies that must be followed on each.

Modal Representation of the Resonant Body within a Finite Difference Framework for Simulation of String Instruments

This paper investigates numerical simulation of a string coupled
transversely to a resonant body. Starting from a complete nite
difference formulation, a second model is derived in which the
body is represented in modal form. The main advantage of this hybrid form is that the body model is scalable, i.e. the computational
complexity can be adjusted to the available processing power. Numerical results are calculated and discussed for simplied models
in the form of string-string coupling and string-plate coupling.

Optimising the locations of thermally sensitive equipment in an aircraft crown compartment

A Design of Experiments (DoE) analysis was undertaken to generate a list of configurations for CFD numerical simulation of an aircraft crown compartment. Fitted regression models were built to predict the convective heat transfer coefficients of thermally sensitive dissipating elements located inside this compartment. These are namely the SEPDC and the Route G. Currently they are positioned close to the fuselage and it is of interest to optimise the heat transfer for reliability and performance purposes. Their locations and the external fuselage surface temperature were selected as input variables for the DoE. The models fit the CFD data with values ranging from 0.878 to 0.978, and predict that the optimum locations in terms of heat transfer are when the elements are positioned as close to the crown floor as possible ( and ?min. limits), where they come in direct contact with the air flow from the cabin ventilation system, and when they are positioned close to the centreline ( and ?CL). The methodology employed allows aircraft thermal designers to optimise equipment placement in confined areas of an aircraft during the design phase. The determined models should be incorporated into global aircraft numerical models to improve accuracy and reduce model size and computational time. © 2012 Elsevier Masson SAS. All rights reserved.

An Energy Conserving Finite Difference Scheme for Simulation of Collisions

Nonlinear phenomena play an essential role in the sound production process of many musical instruments. A common source of these effects is object collision, the numerical simulation of which is known to give rise to stability
issues. This paper presents a method to construct numerical schemes that conserve the total energy in simulations of one-mass systems involving collisions, with no conditions imposed on any of the physical or numerical parameters.
This facilitates the adaptation of numerical models to experimental data, and allows a more free parameter adjustment in sound synthesis explorations. The energy preservedness of the proposed method is tested and demonstrated though several examples, including a bouncing ball and a non-linear oscillator, and implications regarding the wider applicability are discussed.

A Hamiltonian approach to simulation of acoustic systems involving nonlinear interactions

Nonlinear interactions take place in most systems that arise in music acoustics, usually as a result of player-instrument coupling. Several time-stepping methods exist for the numerical simulation of such systems. These methods generally involve the discretization of the Newtonian description of the system. However, it is not always possible to prove the stability of the resulting algorithms, especially when dealing with systems where the underlying force is a non-analytic function of the phase space variables. On the other hand, if the discretization is carried out on the Hamiltonian description of the system, it is possible to prove the stability of the derived numerical schemes. This Hamiltonian approach is applied to a series of test models of single or multiple nonlinear collisions and the energetic properties of the derived schemes are discussed. After establishing that the schemes respect the principle of conservation of energy, a nonlinear single-reed model is formulated and coupled to a digital bore, in order to synthesize clarinet-like sounds.

Estudo de sistemas de protecção térmica húmidos sujeitos a condições de incêndio

O presente trabalho tem como principal objectivo o estudo e a interpretação dos mecanismos de transferência de calor e massa no interior de um meio poroso húmido actuando como barreira térmica de protecção em condições de incêndio, visando, sobretudo, melhorar o desempenho destes sistemas. A barreira térmica estudada é constituída por camadas de fibra de vidro, cuja face exposta à chama é protegida por uma folha de alumínio perfurada. A realização deste estudo envolveu a concepção, realização e operação de uma montagem experimental, com a qual se obteve a evolução temporal da temperatura e da taxa de evaporação de água no interior de uma amostra da barreira térmica, submetida à acção directa de uma chama. A análise do processo de protecção foi complementada com resultados obtidos por simulação numérica do processo, designadamente a evolução das propriedades térmicas, que determinam os mecanismos de transferência de calor e massa no interior da barreira. Para esse efeito foi desenvolvido um modelo matemático de simulação do processo de protecção para as barreiras em estudo, que permitiu obter resultados que acompanham bem as evoluções verificadas nos ensaios experimentais. A barreira térmica estudada mostrou claramente possuir um bom desempenho no processo de protecção, face às barreiras térmicas secas. Com a realização deste estudo identificaram-se e quantificaram-se os mecanismos de transferência de calor e massa dominantes nas diversas fases do processo de protecção, o que permitiu extrair conclusões valiosas quanto às características dos meios porosos que contribuem para o seu bom desempenho como barreiras térmicas húmidas.

Development of numerical methodologies for parameter identification and shape optimization in metal forming simulations

Por parte da indústria de estampagem tem-se verificado um interesse crescente em simulações numéricas de processos de conformação de chapa, incluindo também métodos de engenharia inversa. Este facto ocorre principalmente porque as técnicas de tentativa-erro, muito usadas no passado, não são mais competitivas a nível económico. O uso de códigos de simulação é, atualmente, uma prática corrente em ambiente industrial, pois os resultados tipicamente obtidos através de códigos com base no Método dos Elementos Finitos (MEF) são bem aceites pelas comunidades industriais e científicas Na tentativa de obter campos de tensão e de deformação precisos, uma análise eficiente com o MEF necessita de dados de entrada corretos, como geometrias, malhas, leis de comportamento não-lineares, carregamentos, leis de atrito, etc.. Com o objetivo de ultrapassar estas dificuldades podem ser considerados os problemas inversos. No trabalho apresentado, os seguintes problemas inversos, em Mecânica computacional, são apresentados e analisados: (i) problemas de identificação de parâmetros, que se referem à determinação de parâmetros de entrada que serão posteriormente usados em modelos constitutivos nas simulações numéricas e (ii) problemas de definição geométrica inicial de chapas e ferramentas, nos quais o objetivo é determinar a forma inicial de uma chapa ou de uma ferramenta tendo em vista a obtenção de uma determinada geometria após um processo de conformação. São introduzidas e implementadas novas estratégias de otimização, as quais conduzem a parâmetros de modelos constitutivos mais precisos. O objetivo destas estratégias é tirar vantagem das potencialidades de cada algoritmo e melhorar a eficiência geral dos métodos clássicos de otimização, os quais são baseados em processos de apenas um estágio. Algoritmos determinísticos, algoritmos inspirados em processos evolucionários ou mesmo a combinação destes dois são usados nas estratégias propostas. Estratégias de cascata, paralelas e híbridas são apresentadas em detalhe, sendo que as estratégias híbridas consistem na combinação de estratégias em cascata e paralelas. São apresentados e analisados dois métodos distintos para a avaliação da função objetivo em processos de identificação de parâmetros. Os métodos considerados são uma análise com um ponto único ou uma análise com elementos finitos. A avaliação com base num único ponto caracteriza uma quantidade infinitesimal de material sujeito a uma determinada história de deformação. Por outro lado, na análise através de elementos finitos, o modelo constitutivo é implementado e considerado para cada ponto de integração. Problemas inversos são apresentados e descritos, como por exemplo, a definição geométrica de chapas e ferramentas. Considerando o caso da otimização da forma inicial de uma chapa metálica a definição da forma inicial de uma chapa para a conformação de um elemento de cárter é considerado como problema em estudo. Ainda neste âmbito, um estudo sobre a influência da definição geométrica inicial da chapa no processo de otimização é efetuado. Este estudo é realizado considerando a formulação de NURBS na definição da face superior da chapa metálica, face cuja geometria será alterada durante o processo de conformação plástica. No caso dos processos de otimização de ferramentas, um processo de forjamento a dois estágios é apresentado. Com o objetivo de obter um cilindro perfeito após o forjamento, dois métodos distintos são considerados. No primeiro, a forma inicial do cilindro é otimizada e no outro a forma da ferramenta do primeiro estágio de conformação é otimizada. Para parametrizar a superfície livre do cilindro são utilizados diferentes métodos. Para a definição da ferramenta são também utilizados diferentes parametrizações. As estratégias de otimização propostas neste trabalho resolvem eficientemente problemas de otimização para a indústria de conformação metálica.

Caracterização experimental e modelação numérica de espumas metálicas

As espumas de alumínio são materiais ultraleves, o que as torna atractivas para um largo espectro de aplicações comerciais na área da defesa, na indústria automóvel e aeroespacial, entre outras. Actualmente, há um grande interesse na utilização de espumas de alumínio em componentes estruturais ultraleves, incorporados em sistemas de absorção de energia para protecção contra o impacto. O recurso à simulação numérica para resolver problemas de engenharia em várias áreas é cada vez mais comum. A modelação numérica dos materiais assume vital importância quando o problema envolve a análise de processos tecnológicos como, por exemplo, a conformação plástica de materiais, ou a análise de estruturas. Deste modo, torna-se imprescindível garantir que a modelação dos materiais é de tal forma rigorosa que permite simular o melhor possível o seu comportamento real nas condições concretas da análise a realizar. A forma mais comum de garantir o rigor dos modelos utilizados é a validação dos modelos numéricos tendo por base resultados experimentais. Neste trabalho, fez-se a caracterização do comportamento mecânico das espumas de alumínio com nome comercial ALPORAS!, obtidas pelo processo de fabrico denominado expansão directa do metal fundido por adição de um agente expansor. Esta caracterização consistiu num conjunto de ensaios experimentais quer no regime quasi-estático, quer no regime dinâmico. No regime quasi-estático realizaram-se ensaios de compressão uniaxial e de compressão multiaxial. Para a caracterização no regime dinâmico foram realizados ensaios em barras de Hopkinson de polimetil-metacrilato (PMMA). Com base nos resultados experimentais obtidos determinaram-se os parâmetros dos dois modelos constitutivos para espumas metálicas implementados no programa comercial Abaqus™/Explicit. Estes modelos, e os respectivos parâmetros determinados, foram validados reproduzindo numericamente alguns ensaios experimentais quasi-estáticos e dinâmicos. Assim, verificou-se a adequabilidade dos modelos em diversas condições quer em termos de esforços quer em termos de regime de taxa de deformação Por último, desenvolveu-se uma estrutura inovadora para absorção de energia durante um impacto, constituída por componentes perfilados em liga de alumínio e por componentes em espumas de alumínio. Esta estrutura foi testada exclusivamente com recurso à simulação numérica, utilizando os modelos constitutivos validados anteriormente.

A simulation investigation into the effects of sea level rise on tidal propagation in fjords

Senior thesis written for Oceanography 445

Controlo directo de binário de uma máquina assíncrona trifásica

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica Ramo de Automação e Electrónica Industrial

Hybrid adaptive control of a dragonfly model

Dragonflies show unique and superior flight performances than most of other insect species and birds. They are equipped with two pairs of independently controlled wings granting an unmatchable flying performance and robustness. In this paper, it is presented an adaptive scheme controlling a nonlinear model inspired in a dragonfly-like robot. It is proposed a hybrid adaptive (HA) law for adjusting the parameters analyzing the tracking error. At the current stage of the project it is considered essential the development of computational simulation models based in the dynamics to test whether strategies or algorithms of control, parts of the system (such as different wing configurations, tail) as well as the complete system. The performance analysis proves the superiority of the HA law over the direct adaptive (DA) method in terms of faster and improved tracking and parameter convergence.

Demux devices based on A-SiC:H

In this paper we present results about the functioning of a multilayered a-SiC:H heterostructure as a device for wavelength-division demultiplexing of optical signals. The device is composed of two stacked p-i-n photodiodes, both optimized for the selective collection of photogenerated carriers. Band gap engineering was used to adjust the photogeneration and recombination rates profiles of the intrinsic absorber regions of each photodiode to short and long wavelength absorption and carrier collection in the visible spectrum. The photocurrent signal using different input optical channels was analyzed at reverse and forward bias and under steady state illumination. This photocurrent is used as an input for a demux algorithm based on the voltage controlled sensitivity of the device. The device functioning is explained with results obtained by numerical simulation of the device, which permit an insight to the internal electric configuration of the double heterojunction.These results address the explanation of the device functioning in the frequency domain to a wavelength tunable photocapacitance due to the accumulation of space charge localized at the internal junction. The existence of a direct relation between the experimentally observed capacitive effects of the double diode and the quality of the semiconductor materials used to form the internal junction is highlighted.

Trajectory planning of redundant manipulators using genetic algorithms

The trajectory planning of redundant robots is an important area of research and efficient optimization algorithms are needed. This paper presents a new technique that combines the closed-loop pseudoinverse method with genetic algorithms. The results are compared with a genetic algorithm that adopts the direct kinematics. In both cases the trajectory planning is formulated as an optimization problem with constraints.