A simplified mathematical model for urban microclimate simulation

Techniques for modelling urban microclimates and urban block surfaces temperatures are desired by urban planners and architects for strategic urban designs at the early design stages. This paper introduces a simplified mathematical model for urban simulations (UMsim) including urban surfaces temperatures and microclimates. The nodal network model has been developed by integrating coupled thermal and airflow model. Direct solar radiation, diffuse radiation, reflected radiation, long-wave radiation, heat convection in air and heat transfer in the exterior walls and ground within the complex have been taken into account. The relevant equations have been solved using the finite difference method under the Matlab platform. Comparisons have been conducted between the data produced from the simulation and that from an urban experimental study carried out in a real architectural complex on the campus of Chongqing University, China in July 2005 and January 2006. The results show a satisfactory agreement between the two sets of data. The UMsim can be used to simulate the microclimates, in particular the surface temperatures of urban blocks, therefore it can be used to assess the impact of urban surfaces properties on urban microclimates. The UMsim will be able to produce robust data and images of urban environments for sustainable urban design.

Velocity-based moving mesh methods for nonlinear partial differential equations

This article describes a number of velocity-based moving mesh numerical methods formultidimensional nonlinear time-dependent partial differential equations (PDEs). It consists of a short historical review followed by a detailed description of a recently developed multidimensional moving mesh finite element method based on conservation. Finite element algorithms are derived for both mass-conserving and non mass-conserving problems, and results shown for a number of multidimensional nonlinear test problems, including the second order porous medium equation and the fourth order thin film equation as well as a two-phase problem. Further applications and extensions are referenced.

Numerical study of a M-cycle cross-flow heat exchanger for indirect evaporative cooling

In this paper, numerical analyses of the thermal performance of an indirect evaporative air cooler incorporating a M-cycle cross-flow heat exchanger has been carried out. The numerical model was established from solving the coupled governing equations for heat and mass transfer between the product and working air, using the finite-element method. The model was developed using the EES (Engineering Equation Solver) environment and validated by published experimental data. Correlation between the cooling (wet-bulb) effectiveness, system COP and a number of air flow/exchanger parameters was developed. It is found that lower channel air velocity, lower inlet air relative humidity, and higher working-to-product air ratio yielded higher cooling effectiveness. The recommended average air velocities in dry and wet channels should not be greater than 1.77 m/s and 0.7 m/s, respectively. The optimum flow ratio of working-to-product air for this cooler is 50%. The channel geometric sizes, i.e. channel length and height, also impose significant impact to system performance. Longer channel length and smaller channel height contribute to increase of the system cooling effectiveness but lead to reduced system COP. The recommend channel height is 4 mm and the dimensionless channel length, i.e., ratio of the channel length to height, should be in the range 100 to 300. Numerical study results indicated that this new type of M-cycle heat and mass exchanger can achieve 16.7% higher cooling effectiveness compared with the conventional cross-flow heat and mass exchanger for the indirect evaporative cooler. The model of this kind is new and not yet reported in literatures. The results of the study help with design and performance analyses of such a new type of indirect evaporative air cooler, and in further, help increasing market rating of the technology within building air conditioning sector, which is currently dominated by the conventional compression refrigeration technology.

Intercomparison of general circulation models for hot extrasolar planets

We compare five general circulation models (GCMs) which have been recently used to study hot extrasolar planet atmospheres (BOB, CAM, IGCM, MITgcm, and PEQMOD), under three test cases useful for assessing model convergence and accuracy. Such a broad, detailed intercomparison has not been performed thus far for extrasolar planets study. The models considered all solve the traditional primitive equations, but employ di↵erent numerical algorithms or grids (e.g., pseudospectral and finite volume, with the latter separately in longitude-latitude and ‘cubed-sphere’ grids). The test cases are chosen to cleanly address specific aspects of the behaviors typically reported in hot extrasolar planet simulations: 1) steady-state, 2) nonlinearly evolving baroclinic wave, and 3) response to fast timescale thermal relaxation. When initialized with a steady jet, all models maintain the steadiness, as they should—except MITgcm in cubed-sphere grid. A very good agreement is obtained for a baroclinic wave evolving from an initial instability in pseudospectral models (only). However, exact numerical convergence is still not achieved across the pseudospectral models: amplitudes and phases are observably di↵erent. When subject to a typical ‘hot-Jupiter’-like forcing, all five models show quantitatively di↵erent behavior—although qualitatively similar, time-variable, quadrupole-dominated flows are produced. Hence, as have been advocated in several past studies, specific quantitative predictions (such as the location of large vortices and hot regions) by GCMs should be viewed with caution. Overall, in the tests considered here, pseudospectral models in pressure coordinate (PEBOB and PEQMOD) perform the best and MITgcm in cubed-sphere grid performs the worst.

Effects of Cobalt Chloride in Junctional Epithelium and Reduced Enamel Epithelium of the Rat Maxillary First Molar

Cobalt is one of the main components of cast metal alloys broadly used in dentistry. It is the constituent of 45 to 70% of numerous prosthetic works. There are evidences that metal elements cause systemic and local toxicity. The purpose of the present study was to evaluate the effects of cobalt on the junctional epithelium and reduced enamel epithelium of the first superior molar in rats, during lactation. To do this, 1-day old rats were used, whose mothers received 300mg of cobalt chloride per liter of distilled water in the drinker, during lactation. After 21 days, the rat pups were killed with an anesthetic overdose. The heads were separated, fixed in ""alfac"", decalcified and embedded in paraffin. Frontal sections stained with hematoxylin and eosin were employed. Karyometric methods allowed to estimate the following parameters: biggest, smallest and mean diameters, D/d ratio, perimeter, area, volume, volume/area ratio, eccentricity, form coefficient and contour index. Stereologic methods allow to evaluate: cytoplasm/nucleus ratio, cell and cytoplasm volume, cell number density, external surface/basal membrane ratio, thickness of the epithelial layers and surface density. All the collected data were subjected to statistic analysis by the non-parametric Wilcoxon-Mann-Whitney test. The nuclei of the studied tissues showed smaller values after karyometry for: diameters; perimeter, area, volume and volume/area ratio. Stereologically, it was observed, in the junctional epithelium and in the reduced enamel epithelium, smaller cells with scarce cytoplasm, reflected in the greater number of cells per mm3 of tissue. In this study, cobalt caused epithelial atrophy, indicating a direct action on the junctional and enamel epithelium.

Evaluation of a bounded high order upwind scheme for 3D incompressible free surface flow computations

fit the context of normalized variable formulation (NVF) of Leonard and total variation diminishing (TVD) constraints of Harten. this paper presents an extension of it previous work by the authors for solving unsteady incompressible flow problems. The main contributions of the paper are threefold. First, it presents the results of the development and implementation of a bounded high order upwind adaptative QUICKEST scheme in the 3D robust code (Freeflow), for the numerical solution of the full incompressible Navier-Stokes equations. Second, it reports numerical simulation results for 1D hock tube problem, 2D impinging jet and 2D/3D broken clam flows. Furthermore, these results are compared with existing analytical and experimental data. And third, it presents the application of the numerical method for solving 3D free surface flow problems. (C) 2007 IMACS. Published by Elsevier B.V. All rights reserved,

An implicit technique for solving 3D low Reynolds number moving free surface flows

This paper describes the development of an implicit finite difference method for solving transient three-dimensional incompressible free surface flows. To reduce the CPU time of explicit low-Reynolds number calculations, we have combined a projection method with an implicit technique for treating the pressure on the free surface. The projection method is employed to uncouple the velocity and the pressure fields, allowing each variable to be solved separately. We employ the normal stress condition on the free surface to derive an implicit technique for calculating the pressure at the free surface. Numerical results demonstrate that this modification is essential for the construction of methods that are more stable than those provided by discretizing the free surface explicitly. In addition, we show that the proposed method can be applied to viscoelastic fluids. Numerical results include the simulation of jet buckling and extrudate swell for Reynolds numbers in the range [0.01, 0.5]. (C) 2008 Elsevier Inc. All rights reserved.

Minimization of stock weight during close-die forging of a spindle

In this paper, Finite Element method and full-scale experiments have been used to study a hot forging method for fabri-cation of a spindle using reduced initial stock size. The forging sequence is carried out in two stages. In the first stage, the hot rolled cylindrical billet is pre-formed and pierced in a closed die using a spherical nosed punch to within 20 mm of its base. This process of piercing or impact extrusion leads to high strains within the work piece but requires high press loads. In the second stage, the resulting cylinder is placed in a die with a flange chamber and upset forged to form a flange. The stock mass is optimized for complete die filling. Process parameters such as effective strain distribution, material flow and forging load in different stages of the process are analyzed. It is concluded from the simulations that minor modifications of piercing punch geometry to reduce contact between the punch and emerging vertical walls of the cylinder appreciably reduces the piercing load. In the flange chamber, a die surfaces angle of 52° instead of 45° is pro-posed to ensure effective material flow and exert sufficient tool pressure to achieve complete cavity filling. In order to achieve better compression, it is also proposed to shorten both the length of the inserted punch and the die “tongues” by a few mm.

Extension And Testing Of A 2D Hydrodynamic Model For Direct Rainfall Runoff Simulation

While the simulation of flood risks originating from the overtopping of river banks is well covered within continuously evaluated programs to improve flood protection measures, flash flooding is not. Flash floods are triggered by short, local thunderstorm cells with high precipitation intensities. Small catchments have short response times and flow paths and convective thunder cells may result in potential flooding of endangered settlements. Assessing local flooding and pathways of flood requires a detailed hydraulic simulation of the surface runoff. Hydrological models usually do not incorporate surface runoff at this detailedness but rather empirical equations are applied for runoff detention. In return 2D hydrodynamic models usually do not allow distributed rainfall as input nor are any types of soil/surface interaction implemented as in hydrological models. Considering several cases of local flash flooding during the last years the issue emerged for practical reasons but as well as research topics to closing the model gap between distributed rainfall and distributed runoff formation. Therefore, a 2D hydrodynamic model, depth-averaged flow equations using the finite volume discretization, was extended to accept direct rainfall enabling to simulate the associated runoff formation. The model itself is used as numerical engine, rainfall is introduced via the modification of waterlevels at fixed time intervals. The paper not only deals with the general application of the software, but intends to test the numerical stability and reliability of simulation results. The performed tests are made using different artificial as well as measured rainfall series as input. Key parameters of the simulation such as losses, roughness or time intervals for water level manipulations are tested regarding their impact on the stability.

Um estudo de percolação em barragens de terra, em regimes permanente e transiente, com a aplicação do método de elementos finitos

Este trabalho apresenta um estudo de fluxo de água em barragens de terra, em regimes permanente e transiente, com a utilização do Método de Elementos Finitos. No estudo de fluxo em regime permanente duas formas de abordar o problema são apresentadas e comparadas. A primeira considera, para a discretização da malha de elementos finitos, somente a região saturada, de maneira que a linha freática é obtida através de ajustes desta malha de elementos finitos. A segunda considera toda a região saturada-insaturada, sendo discretizado todo o domínio físico da barragem. A malha de elementos finitos não é modificada ao longo das iterações e a linha freática é obtida por interpolação dentro dos elementos, em função dos valores nodais do potencial de pressões. O desenvolvimento teórico das equações utilizadas para as duas formas de abardagem é apresentado, mostrando onde elas diferem entre si. No estudo de fluxo em regime transiente é utilizado apenas o esquema de malha fixa de elementos finitos.

Análise numérica e experimental do comportamento de fundações superficiais assentes em solo melhorado

O presente trabalho tem como objetivo estudar o comportamento de camadas superficiais de solo melhorado como base de fundações superficiais. Nesta pesquisa foram realizados ensaios de placa de 30 cm de diâmetro sobre camadas de solo residual compactado e de solo tratado com cimento (teor de 5% de cimento), ambas com 60 cm de espessura. O programa experimental também incluiu a retirada de amostras de campo das camadas de solo melhorado para a execução de ensaios triaxiais drenados (CID) com medida interna de deformações, a fim de obter parâmetros constitutivos para a realização de simulações numéricas. Uma comparação entre os resultados dos ensaios triaxiais com amostras retiradas em campo e moldadas em laboratório (Rohlfes Junior, 1996) é apresentada. A diferença entre os resultados dos ensaios triaxiais com amostras de campo e laboratório foi significativa para o caso das amostras de solo melhorado com cimento, tal fato é atribuído principalmente a dificuldade de mistura em campo. O Método dos Elementos Finitos foi utilizado para simular o comportamento carga x recalque das placas assentes sobre camadas de solo melhorado. O modelo Pseudo-Elástico Não Linear (Hiperbólico) foi empregado na análise numérica para modelar o comportamento dos novos materiais. Os resultados dos ensaios de placa sobre camadas de solo melhorado demonstraram que houve um aumento significativo da capacidade de suporte, além de uma redução considerável dos recalques, quando comparados ao comportamento carga x recalque do solo natural (Cudmani, 1994). A analise do comportamento de fundações superficiais assentes em solos estratificados, através de simulações numéricas, demonstrou ser eficiente para a previsão do comportamento carga x recalque das mesmas.

Estudo do comportamento de um solo mole tratado com cal, visando seu uso em fundações superficiais

Neste trabalho foi analisada a melhoria nas características de um solo mole quando tratado com cal, bem como a viabilidade técnica de se utilizar este novo material como uma camada suporte de fundações superficiais. O solo estudado classifica-se pedologicamente como Gley Húmico e a jazida localiza-se no município de Canoas/RS, às margens da BR 386. O trabalho teve as seguintes finalidades: realizar um estudo da influência dos diferentes teores de cal sobre as características tensão x deformação do solo tratado; verificar o ganho de resistência com o tempo de cura; modelar o comportamerito tensão x deformação do material tratado; realizar simulações numéricas, através do Método dos Elementos Finitos, do comportamento carga x recalque de fundações continuas flexíveis assentes sobre o novo material. Adotou-se o teor ótimo de cal (obtido pelo método de Eades & Grim, 1966) de 9% e dois valores inferiores de 7% e 5%. Realizaram-se os seguintes ensaios sobre o solo natural e as misturas de solo-cal: limites de Atterberg, compactação, granulometria, difratograma de raio X, permeabilidade (triaxial) e ensaios triaxiais adensados não drenados(CIU). Todos os ensaios foram realizados para três tempos de cura (7, 28 e 90 dias) e os corpos de prova foram curados em câmara úmida. Para modelar o comportamento tensão x deformação do solo melhorado, adotou-se o Modelo Hiperbólico e para o solo natural o Modelo Cam-Clay Modificado. O Modelo Hiperbólico foi implementado no software CRISPSO, desenvolvido na Universidade de Cambridge, Inglaterra. O software foi utilizado em um estudo paramétrico para determinar a influência do processo de estabilização no comportamento carga x recalque de fundações superficiais. Dos resultados obtidos, concluiu-se: que o método de Eades & Grim (1966) não mostrou-se adequado para determinação do teor ótimo de cal; houve, de maneira geral, melhora nas características físicas com o tratamento com cal; não houve ganho de resistência com o tempo de cura; o modelo hiperbólico representou bem o comportamento das misturas de solo cal e a colocação de uma camada de solo tratado apresenta melhoras no comportamento carga x recalque de fundações superficiais contínuas flexíveis.

Análise dinâmica de vigas assimétricas em curva com parede fina e aberta submetidas a ação de carga móveis

Fundamentalmente, o presente trabalho faz uma análise elástica linear de pontes ou vigas curvas assimétricas de seção transversal aberta e de parede fina, com propriedades físicas, geométricas e raio de curvatura constantes ao longo do eixo baricêntrico. Para tanto, utilizaram-se as equações diferenciais de VLASOV considerando o acoplamento entre as deformações nas direções vertical, transversal, axial de torcão nal. Na solução do sistema de quatro equações com derivadas parciais foi utilizado um apropriado método numérico de integração (Diferenças Finitas Centrais). A análise divide-se, basicamente, em dois tipos: análise DINÂMICA e ESTATICA. Ambas são utilizadas também na determinação do coeficiente de impacto (C.M.D.). A primeira refere-se tanto na determinação das características dinâmicas básicas (frequências naturais e respectivos modos de vibração), como também na determinação da resposta dinâmica da viga, em tensões e deformações, para cargas móveis arbitrárias. Vigas com qualquer combinação das condições de contorno, incluindo bordos rotulados e engastados nas três direções de flexão e na torção, são consideradas. 0s resultados da análise teórica, obtidos pela aplicação de programas computacionais implementados em microcomputador (análise estática) e no computador B-6700 (análise dinâmica), são comparados tanto com os da bibliografia técnica como também com resultados experimentais, apresentando boa correlação.

Fundações superficiais para linhas de transmissão em argilas moles saturadas

As fundações empregadas para linhas de transmissão de alta tensão em depósitos de argilas moles saturadas são geralmente estacas. No Rio Grande do Sul, projetos alternativos com fundações superficiais foram empregados em forma experimental para torres de suspensão, as quais apresentaram bom desempenho com menor custo. Esta pesquisa visa apontar critérios racionais da mecânica dos solos que permitam projetar, a partir do conhecimento do perfil de resistência não drenada, fundações superficiais em depósitos de argilas moles saturadas com maior confiabilidade. Para a determinaçao do perfil de resistência não drenada foi desenvolvido um cone manual com leituras elétricas, o qual foi testado apresentando bons resultados. A vantagem do uso deste equipamento reside no fato de que pode ser transportado manualmente a locais de difícil acesso, onde são implantadas as torres de alta tensão. Os demais parâmetros de solos do local de estudo, situado no município de Canoas no Rio Grande do Sul, foram obtidos a partir de ensaios de compressão triaxial do tipo adensado isotropicamente não drenado (CIU) com medida de poro pressão e de ensaios de adensamento. Foram analisadas as fundações superficiais das torres de suspensão projetadas, empregando teorias analíticas convencionais, baseadas no conhecimento da resistência não drenada, e o método de elementos finitos. A partir deste estudo, é sugerida uma metodologia para projetos de fundações superficiais de torres de suspensão em argilas moles saturadas.

Estudo do comportamento de um solo residual melhorado atraves de tecnicas mecanicas e fisico-quimicas e sua aplicacao a analise de fundacoes superficiais

O presente trabalho tem como objetivo estudar o comportamento de um solo residual melhorado através do uso de técnicas mecânicas de compactação e da adição de cimento. Complementarmente foram realizadas análises numéricas destes materiais tratados quando utilizados como base de fundações superficiais. O programa experimental incluiu a retirada de amostras intactas e de material amolgado para a execução de ensaios triaxiais saturados drenados com medida interna de deformações, a fim de estudar o comportamento do solo natural e do solo tratado, quer por compactação, quer por adição de cimento e compactação. Além disto, tais ensaios são determinantes na obtenção de parâmetros constitutivos para a realização de simulações numéricas. O Método dos Elementos Finitos foi utilizado para simular o comportamento carga versus recalque de placas assentes sobre o solo natural e sobre camadas de solo melhorado. O modelo Hiperbólico foi empregado na análise numérica para modelar o comportamento tensãodeformação dos materiais. Os resultados das simulações dos ensaios de placa sobre camadas de solo melhorado demonstraram que houve um aumento significativo da capacidade de suporte, além de uma redução considerável dos recalques, quando comparados ao comportamento do solo natural.