Prediction of Transonic Limit-Cycle Oscillations Using an Aeroelastic Harmonic Balance Method

This work proposes a novel approach to compute transonic limit-cycle oscillations using high-fidelity analysis. Computational-Fluid-Dynamics based harmonic balance methods have proven to be efficient tools to predict periodic phenomena. This paper’s contribution is to present a new methodology to determine the unknown frequency of oscillations, enabling harmonic balance methods to accurately capture limit-cycle oscillations; this is achieved by defining a frequency-updating procedure based on a coupled computational-fluid-dynamics/computational-structural-dynamics harmonic balance formulation to find the limit-cycle oscillation condition. A pitch/plunge airfoil and delta wing aerodynamic and respective linear structural models are used to validate the new method against conventional time-domain simulations. Results show consistent agreement between the proposed and time-marching methods for both limit-cycle oscillation amplitude and frequency while producing at least a one-order-of-magnitude reduction in computational time.

Interpreting signals from astrophysical transient experiments

Time domain astronomy has come of age with astronomers now able to monitor the sky at high cadence both across the electromagnetic spectrum and using neutrinos and gravitational waves. The advent of new observing facilities permits new science, but the ever increasing throughput of facilities demands efficient communication of coincident detections and better subsequent coordination among the scientific community so as to turn detections into scientific discoveries. To discuss the revolution occurring in our ability to monitor the Universe and the challenges it brings, on 2012 April 25-26 a group of scientists from observational and theoretical teams studying transients met with representatives of the major international transient observing facilities at the Kavli Royal Society International Centre, UK. This immediately followed the Royal Society Discussion meeting "New windows on transients across the Universe" held in London. Here we present a summary of the Kavli meeting at which the participants discussed the science goals common to the transient astronomy community and analysed how to better meet the challenges ahead as ever more powerful observational facilities come on stream.

Structure and dynamics of aqueous 2-propanol: A THz-TDS, NMR and neutron diffraction study

Aqueous liquid mixtures, in particular, those involving amphiphilic species, play an important role in many physical, chemical and biological processes. Of particular interest are alcohol/water mixtures; however, the structural dynamics of such systems are still not fully understood. Herein, a combination of terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS) and NMR relaxation time analysis has been applied to investigate 2-propanol/water mixtures across the entire composition range; while neutron diffraction studies have been carried out at two specific concentrations. Excellent agreement is seen between the techniques with a maximum in both the relative absorption coefficient and the activation energy to molecular motion occurring at ∼90 mol% H₂O. Furthermore, this is the same value at which well-established excess thermodynamic functions exhibit a maximum/minimum. Additionally, both neutron diffraction and THz-TDS have been used to provide estimates of the size of the hydration shell around 2-propanol in solution. Both methods determine that between 4 and 5 H₂O molecules per 2-propanol are found in the 2-propanol/water clusters at 90 mol% H₂O. Based on the acquired data, a description of the structure of 2-propanol/water across the composition range is presented.

CSI 2264: Simultaneous Optical and Infrared Light Curves of Young Disk-bearing Stars in NGC 2264 with CoRoT and Spitzer—Evidence for Multiple Origins of Variability

We present the Coordinated Synoptic Investigation of NGC 2264, a continuous 30 day multi-wavelength photometric monitoring campaign on more than 1000 young cluster members using 16 telescopes. The unprecedented combination of multi-wavelength, high-precision, high-cadence, and long-duration data opens a new window into the time domain behavior of young stellar objects. Here we provide an overview of the observations, focusing on results from Spitzer and CoRoT. The highlight of this work is detailed analysis of 162 classical T Tauri stars for which we can probe optical and mid-infrared flux variations to 1% amplitudes and sub-hour timescales. We present a morphological variability census and then use metrics of periodicity, stochasticity, and symmetry to statistically separate the light curves into seven distinct classes, which we suggest represent different physical processes and geometric effects. We provide distributions of the characteristic timescales and amplitudes and assess the fractional representation within each class. The largest category (>20%) are optical "dippers" with discrete fading events lasting ~1-5 days. The degree of correlation between the optical and infrared light curves is positive but weak; notably, the independently assigned optical and infrared morphology classes tend to be different for the same object. Assessment of flux variation behavior with respect to (circum)stellar properties reveals correlations of variability parameters with Hα emission and with effective temperature. Overall, our results point to multiple origins of young star variability, including circumstellar obscuration events, hot spots on the star and/or disk, accretion bursts, and rapid structural changes in the inner disk. Based on data from the Spitzer and CoRoT missions. The CoRoT space mission was developed and is operated by the French space agency CNES, with participation of ESA's RSSD and Science Programmes, Austria, Belgium, Brazil, Germany, and Spain.

Cross-layer Framework for Fine-grained Channel Access in Next Generation High-density WiFi Networks

Densely deployed WiFi networks will play a crucial role in providing the capacity for next generation mobile internet. However, due to increasing interference, overlapped channels in WiFi networks and throughput efficiency degradation, densely deployed WiFi networks is not a guarantee to obtain higher throughput. An emergent challenge is how to efficiently utilize scarce spectrum resources, by matching physical layer resources to traffic demand. In this aspect, access control allocation strategies play a pivotal role but remain too coarse-grained. As a solution, this research proposes a flexible framework for fine-grained channel width adaptation and multi-channel access in WiFi networks. This approach, named SFCA (Sub-carrier Fine-grained Channel Access), adopts DOFDM (Discontinuous Orthogonal Frequency Division Multiplexing) at the PHY layer. It allocates the frequency resource with a sub-carrier granularity, which facilitates the channel width adaptation for multi-channel access and thus brings more flexibility and higher frequency efficiency. The MAC layer uses a frequency-time domain backoff scheme, which combines the popular time-domain BEB scheme with a frequency-domain backoff to decrease access collision, resulting in higher access probability for the contending nodes. SFCA is compared with FICA (an established access scheme) showing significant outperformance. Finally we present results for next generation 802.11ac WiFi networks.

Parameter Optimisation for Woodwind Single-Reed Models

Time-domain modelling of single-reed woodwind instruments usually involves a lumped model of the excitation mechanism. The parameters of this lumped model have to be estimated for use in numerical simulations. Several attempts have been made to estimate these parameters, including observations of the mechanics of isolated reeds, measurements under artificial or real playing conditions and estimations based on numerical simulations. In this study an optimisation routine is presented, that can estimate reed-model parameters, given the pressure and flow signals in the mouthpiece. The method is validated, tested on a series of numerically synthesised data. In order to incorporate the actions of the player in the parameter estimation process, the optimisation routine has to be applied to signals obtained under real playing conditions. The estimated parameters can then be used to resynthesise the pressure and flow signals in the mouthpiece. In the case of measured data, as opposed to numerically synthesised data, special care needs to be taken while modelling the bore of the instrument. In fact, a careful study of various experimental datasets revealed that for resynthesis to work, the bore termination impedance should be known very precisely from theory. An example is given, where the above requirement is satisfied, and the resynthesised signals closely match the original signals generated by the player.

A hybrid mixed cost-function TEQ initialization algorithm for ADSL modems

In this paper, we present a hybrid mixed cost-function adaptive initialization algorithm for the time domain equalizer in a discrete multitone (DMT)-based asymmetric digital subscriber loop. Using our approach, a higher convergence rate than that of the commonly used least-mean square algorithm is obtained, whilst attaining bit rates close to the optimum maximum shortening SNR and the upper bound SNR. Moreover, our proposed method outperforms the minimum mean-squared error design for a range of TEQ filter lengths.

Power Spectral Density Side-Channel Attack Overlapping Window Method

Cryptographic algorithms have been designed to be computationally secure, however it has been shown that when they are implemented in hardware, that these devices leak side channel information that can be used to mount an attack that recovers the secret encryption key. In this paper an overlapping window power spectral density (PSD) side channel attack, targeting an FPGA device running the Advanced Encryption Standard is proposed. This improves upon previous research into PSD attacks by reducing the amount of pre-processing (effort) required. It is shown that the proposed overlapping window method requires less processing effort than that of using a sliding window approach, whilst overcoming the issues of sampling boundaries. The method is shown to be effective for both aligned and misaligned data sets and is therefore recommended as an improved approach in comparison with existing time domain based correlation attacks.

Variable Window Power Spectral Density Attack

Side channel attacks permit the recovery of the secret key held within a cryptographic device. This paper presents a new EM attack in the frequency domain, using a power spectral density analysis that permits the use of variable spectral window widths for each trace of the data set and demonstrates how this attack can therefore overcome both inter-and intra-round random insertion type countermeasures. We also propose a novel re-alignment method exploiting the minimal power markers exhibited by electromagnetic emanations. The technique can be used for the extraction and re-alignment of round data in the time domain.

Analysis of multirate behavior in electronic systems

Esta tese insere-se na área da simulação de circuitos de RF e microondas, e visa o estudo de ferramentas computacionais inovadoras que consigam simular, de forma eficiente, circuitos não lineares e muito heterogéneos, contendo uma estrutura combinada de blocos analógicos de RF e de banda base e blocos digitais, a operar em múltiplas escalas de tempo. Os métodos numéricos propostos nesta tese baseiam-se em estratégias multi-dimensionais, as quais usam múltiplas variáveis temporais definidas em domínios de tempo deformados e não deformados, para lidar, de forma eficaz, com as disparidades existentes entre as diversas escalas de tempo. De modo a poder tirar proveito dos diferentes ritmos de evolução temporal existentes entre correntes e tensões com variação muito rápida (variáveis de estado activas) e correntes e tensões com variação lenta (variáveis de estado latentes), são utilizadas algumas técnicas numéricas avançadas para operar dentro dos espaços multi-dimensionais, como, por exemplo, os algoritmos multi-ritmo de Runge-Kutta, ou o método das linhas. São também apresentadas algumas estratégias de partição dos circuitos, as quais permitem dividir um circuito em sub-circuitos de uma forma completamente automática, em função dos ritmos de evolução das suas variáveis de estado. Para problemas acentuadamente não lineares, são propostos vários métodos inovadores de simulação a operar estritamente no domínio do tempo. Para problemas com não linearidades moderadas é proposto um novo método híbrido frequência-tempo, baseado numa combinação entre a integração passo a passo unidimensional e o método seguidor de envolvente com balanço harmónico. O desempenho dos métodos é testado na simulação de alguns exemplos ilustrativos, com resultados bastante promissores. Uma análise comparativa entre os métodos agora propostos e os métodos actualmente existentes para simulação RF, revela ganhos consideráveis em termos de rapidez de computação.

Optical processing devices and techniques for next generation optical networks

Este trabalho surge do interesse em substituir os nós de rede óptica baseados maioritariamente em electrónica por nós de rede baseados em tecnologia óptica. Espera-se que a tecnologia óptica permita maiores débitos binários na rede, maior transparência e maior eficiência através de novos paradigmas de comutação. Segundo esta visão, utilizou-se o MZI-SOA, um dispositivo semicondutor integrado hibridamente, para realizar funcionalidades de processamento óptico de sinal necessárias em nós de redes ópticas de nova geração. Nas novas redes ópticas são utilizados formatos de modulação avançados, com gestão da fase, pelo que foi estudado experimentalmente e por simulação o impacto da utilização destes formatos no desempenho do MZI-SOA na conversão de comprimento de onda e formato, em várias condições de operação. Foram derivadas regras de utilização para funcionamento óptimo. Foi também estudado o impacto da forma dos pulsos do sinal no desempenho do dispositivo. De seguida, o MZI-SOA foi utilizado para realizar funcionalidades temporais ao nível do bit e do pacote. Foi investigada a operação de um conversor de multiplexagem por divisão no comprimento de onda para multiplexagem por divisão temporal óptica, experimentalmente e por simulação, e de um compressor e descompressor de pacotes, por simulação. Para este último, foi investigada a operação com o MZI-SOA baseado em amplificadores ópticos de semicondutor com geometria de poço quântico e ponto quântico. Foi também realizado experimentalmente um ermutador de intervalos temporais que explora o MZI-SOA como conversor de comprimento de onda e usa um banco de linhas de atraso ópticas para introduzir no sinal um atraso seleccionável. Por fim, foi estudado analiticamente, experimentalmente e por simulação o impacto de diafonia em redes ópticas em diversas situações. Extendeu-se um modelo analítico de cálculo de desempenho para contemplar sinais distorcidos e afectados por diafonia. Estudou-se o caso de sinais muito filtrados e afectados por diafonia e mostrou-se que, para determinar correctamente as penalidades que ocorrem, ambos os efeitos devem ser considerados simultaneamente e não em separado. Foi estudada a escalabilidade limitada por diafonia de um comutador de intervalos temporais baseado em MZI-SOA a operar como comutador espacial. Mostrou-se também que sinais afectados fortemente por não-linearidades podem causar penalidades de diafonia mais elevadas do que sinais não afectados por não-linearidades. Neste trabalho foi demonstrado que o MZI-SOA permite construir vários e pertinentes circuitos ópticos, funcionando como bloco fundamental de construção, tendo sido o seu desempenho analisado, desde o nível de componente até ao nível de sistema. Tendo em conta as vantagens e desvantagens do MZI-SOA e os desenvolvimentos recentes de outras tecnologias, foram sugeridos tópicos de investigação com o intuito de evoluir para as redes ópticas de nova geração.

Optical and mechanical analysis on a biological cell in optical tweezers

La réponse mécanique d’une cellule à une force externe permet d’inférer sa structure et fonction. Les pinces optiques s’avèrent une approche particulièrement attrayante pour la manipulation et caractérisation biophysique sophistiquée des cellules de façon non invasive. Cette thèse explore l’utilisation de trois types de pinces optiques couramment utilisées : 1) statiques (static), 2) à exposition partagée (time-sharing) et 3) oscillantes (oscillating). L’utilisation d’un code basé sur la méthode des éléments finis en trois dimensions (3DFEM) nous permet de modéliser ces trois types de piégeage optique afin d’extraire les propriétés mécaniques cellulaires à partir des expériences. La combinaison des pinces optiques avec la mécanique des cellules requiert des compétences interdisciplinaires. Une revue des approches expérimentales sur le piégeage optique et les tests unicellulaires est présentée. Les bases théoriques liant l’interaction entre la force radiative optique et la réponse mécanique de la cellule aussi. Pour la première fois, une simulation adaptée (3DFEM) incluant la diffusion lumineuse et la distribution du stress radiatif permet de prédire la déformation d’une cellule biconcave –analogue aux globules rouges—dans un piège statique double (static dual-trap). À l’équilibre, on observe que la déformation finale est donnée par l’espacement entre les deux faisceaux lasers: la cellule peut être étirée ou même comprimée. L’exposition partagée (time-sharing) est la technique qui permet de maintenir plusieurs sites de piégeage simultanément à partir du même faisceau laser. Notre analyse quantitative montre que, même oscillantes, la force optique et la déformation sont omniprésentes dans la cellule : la déformation viscoélastique et la dissipation de l’énergie sont analysées. Une autre cellule-type, la tige cubique, est étudiée : cela nous permet d’élucider de nouvelles propriétés sur la symétrie de la réponse mécanique. Enfin, l’analyse de la déformation résolue en temps dans un piége statique ou à exposition partagée montre que la déformation dépend simultanément de la viscoélasticité, la force externe et sa forme tridimensionnelle. La technique à force oscillante (oscillating tweezers) montre toutefois un décalage temporel, entre la force et la déformation, indépendant de la forme 3D; cette approche donnerait directement accès au tenseur viscoélastique complexe de la cellule.

Étude numérique des phénomènes transitoires dans une turbine axiale de type hélice durant l’emballement

Ce mémoire présente l’étude numérique d’un emballement de turbine hydraulique axiale à échelle modèle. Cet état transitoire est simulé du point de meilleur rendement jusqu’à l’atteinte de 95% de la vitesse d’emballement. Pour ce faire, une méthodologie numérique est développée à l’aide du logiciel commercial ANSYS CFX en utilisant une approche "Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes" avec modèle de turbulence k-ε. Cette méthodologie numérique a été validée grâce à des mesures expérimentales de pression acquises en situation d’emballement sur les aubes d’une roue de turbine axiale étudiée au Laboratoire de Machines Hydrauliques de l’Université Laval. La validation des simulations numériques a été réalisée grâce à des comparaisons dans les domaines temporel et fréquentiel entre les pressions mesurées expérimentalement et calculées numériquement. Les analyses fréquentielles en transitoire ont été effectuées à l’aide de transformées en ondelettes afin de représenter l’évolution temporelle du spectre de fréquence. Des analyses qualitatives de phénomènes hydrauliques prenant place dans la turbine sont aussi présentées. Les analyses effectuées ont permis de confirmer le développement d’un tourbillon en précession par rapport à la roue dans l’aspirateur provocant les fluctuations de pression dominantes à des fréquences subsynchrones. La comparaison entre les données expérimentales et numériques a permis de valider une stratégie de simulation transitoire et d’en définir les limites en vue de prochaines simulations d’emballement. Des tests supplémentaires sont suggérés pour améliorer la précision ou le niveau de confiance de la méthode.

Receptor MIMO em FPGA baseado no esquema de Alamouti

A oferta de serviços baseados em comunicações sem fios tem vindo a crescer exponencialmente na última década. Cada vez mais são exigidas maiores taxas de transmissão assim como uma melhor QoS, sem comprometer a potência de transmissão ou argura de banda disponível. A tecnologia MIMO consegue oferecer um aumento da capacidade destes sistemas sem requerer aumento da largura de banda ou da potência transmitida. O trabalho desenvolvido nesta dissertação consistiu no estudo dos sistemas MIMO, caracterizados pela utilização de múltiplas antenas para transmitir e receber a informação. Com um sistema deste tipo consegue-se obter um ganho de diversidade espacial utilizando códigos espaço-temporais, que exploram simultaneamente o domínio espacial e o domínio do tempo. Nesta dissertação é dado especial ênfase à codificação por blocos no espaço-tempo de Alamouti, a qual será implementada em FPGA, nomeadamente a parte de recepção. Esta implementação é efectuada para uma configuração de antenas 2x1, utilizando vírgula flutuante e para três tipos de modulação: BPSK, QPSK e 16-QAM. Por fim será analisada a relação entre a precisão alcançada na representação numérica dos resultados e os recursos consumidos pela FPGA. Com a arquitectura adoptada conseguem se obter taxas de transferência na ordem dos 29,141 Msimb/s (sem pipelines) a 262,674 Msimb/s (com pipelines), para a modulação BPSK.

Estudo numérico e experimental sobre o comportamento dinâmico de um edifício

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização em Estruturas