Mathematical Modelling of the Dynamics of Granular Materials in a Rotating Cylinder

The current study is aimed at the development of a theoretical simulation tool based on Discrete Element Method (DEM) to 'interpret granular dynamics of solid bed in the cross section of the horizontal rotating cylinder at the microscopic level and subsequently apply this model to establish the transition behaviour, mixing and segregation.The simulation of the granular motion developed in this work is based on solving Newton's equation of motion for each particle in the granular bed subjected to the collisional forces, external forces and boundary forces. At every instant of time, the forces are tracked and the positions velocities and accelarations of each partcle is The software code for this simulation is written in VISUAL FORTRAN 90 After checking the validity of the code with special tests, it is used to investigate the transition behaviour of granular solids motion in the cross section of a rotating cylinder for various rotational speeds and fill fraction.This work is hence directed towards a theoretical investigation based on Discrete Element Method (DEM) of the motion of granular solids in the radial direction of the horizontal cylinder to elucidate the relationship between the operating parameters of the rotating cylinder geometry and physical properties ofthe granular solid.The operating parameters of the rotating cylinder include the various rotational velocities of the cylinder and volumetric fill. The physical properties of the granular solids include particle sizes, densities, stiffness coefficients, and coefficient of friction Further the work highlights the fundamental basis for the important phenomena of the system namely; (i) the different modes of solids motion observed in a transverse crosssection of the rotating cylinder for various rotational speeds, (ii) the radial mixing of the granular solid in terms of active layer depth (iii) rate coefficient of mixing as well as the transition behaviour in terms of the bed turnover time and rotational speed and (iv) the segregation mechanisms resulting from differences in the size and density of particles.The transition behaviour involving its six different modes of motion of the granular solid bed is quantified in terms of Froude number and the results obtained are validated with experimental and theoretical results reported in the literature The transition from slumping to rolling mode is quantified using the bed turnover time and a linear relationship is established between the bed turn over time and the inverse of the rotational speed of the cylinder as predicted by Davidson et al. [2000]. The effect of the rotational speed, fill fraction and coefficient of friction on the dynamic angle of repose are presented and discussed. The variation of active layer depth with respect to fill fraction and rotational speed have been investigated. The results obtained through simulation are compared with the experimental results reported by Van Puyvelde et. at. [2000] and Ding et at. [2002].The theoretical model has been further extended, to study the rmxmg and segregation in the transverse direction for different particle sizes and their size ratios. The effect of fill fraction and rotational speed on the transverse mixing behaviour is presented in the form of a mixing index and mixing kinetics curve. The segregation pattern obtained by the simulation of the granular solid bed with respect to the rotational speed of the cylinder is presented both in graphical and numerical forms. The segregation behaviour of the granular solid bed with respect to particle size, density and volume fraction of particle size has been investigated. Several important macro parameters characterising segregation such as mixing index, percolation index and segregation index have been derived from the simulation tool based on first principles developed in this work.

Aspekte der linearen Minimax-Schätzung

Es werde das lineare Regressionsmodell y = X b + e mit den ueblichen Bedingungen betrachtet. Weiter werde angenommen, dass der Parametervektor aus einem Ellipsoid stammt. Ein optimaler Schaetzer fuer den Parametervektor ist durch den Minimax-Schaetzer gegeben. Nach der entscheidungstheoretischen Formulierung des Minimax-Schaetzproblems werden mit dem Bayesschen Ansatz, Spektralen Methoden und der Darstellung von Hoffmann und Laeuter Wege zur Bestimmung des Minimax- Schaetzers dargestellt und in Beziehung gebracht. Eine Betrachtung von Modellen mit drei Einflussgroeßen und gemeinsamen Eigenvektor fuehrt zu einer Strukturierung des Problems nach der Vielfachheit des maximalen Eigenwerts. Die Bestimmung des Minimax-Schaetzers in einem noch nicht geloesten Fall kann auf die Bestimmung einer Nullstelle einer nichtlinearen reellwertigen Funktion gefuehrt werden. Es wird ein Beispiel gefunden, in dem die Nullstelle nicht durch Radikale angegeben werden kann. Durch das Intervallschachtelungs-Prinzip oder Newton-Verfahren ist die numerische Bestimmung der Nullstelle moeglich. Durch Entwicklung einer Fixpunktgleichung aus der Darstellung von Hoffmann und Laeuter war es in einer Simulation moeglich die angestrebten Loesungen zu finden.

Faktorisierung in Schief-Polynomringen

In der Arbeit werden zunächst die wesentlichsten Fakten über Schiefpolynome wiederholt, der Fokus liegt dabei auf Shift- und q-Shift-Operatoren in Charakteristik Null. Alle für die Arithmetik mit diesen Objekten notwendigen Konzepte und Algorithmen finden sich im ersten Kapitel. Einige der zur Bestimmung von Lösungen notwendigen Daten können aus dem Newtonpolygon, einer den Operatoren zugeordneten geometrischen Figur, abgelesen werden. Die Herleitung dieser Zusammenhänge ist das Thema des zweiten Kapitels der Arbeit, wobei dies insbesondere im q-Shift-Fall in dieser Form neu ist. Das dritte Kapitel beschäftigt sich mit der Bestimmung polynomieller und rationaler Lösungen dieser Operatoren, dabei folgt es im Wesentlichen der Darstellung von Mark van Hoeij. Der für die Faktorisierung von (q-)Shift Operatoren interessanteste Fall sind die sogenannten (q-)hypergeometrischen Lösungen, die direkt zu Rechtsfaktoren erster Ordnung korrespondieren. Im vierten Kapitel wird der van Hoeij-Algorithmus vom Shift- auf den q-Shift-Fall übertragen. Außerdem wird eine deutliche Verbesserung des q-Petkovsek-Algorithmus mit Hilfe der Daten des Newtonpolygons hergeleitet. Das fünfte Kapitel widmet sich der Berechnung allgemeiner Faktoren, wozu zunächst der adjungierte Operator eingeführt wird, der die Berechnung von Linksfaktoren erlaubt. Dann wird ein Algorithmus zur Berechnung von Rechtsfaktoren beliebiger Ordnung dargestellt. Für die praktische Benutzung ist dies allerdings für höhere Ordnungen unpraktikabel. Bei fast allen vorgestellten Algorithmen tritt das Lösen linearer Gleichungssysteme über rationalen Funktionenkörpern als Zwischenschritt auf. Dies ist in den meisten Computeralgebrasystemen nicht befriedigend gelöst. Aus diesem Grund wird im letzten Kapitel ein auf Evaluation und Interpolation basierender Algorithmus zur Lösung dieses Problems vorgestellt, der in allen getesteten Systemen den Standard-Algorithmen deutlich überlegen ist. Alle Algorithmen der Arbeit sind in einem MuPAD-Package implementiert, das der Arbeit beiliegt und eine komfortable Handhabung der auftretenden Objekte erlaubt. Mit diesem Paket können in MuPAD nun viele Probleme gelöst werden, für die es vorher keine Funktionen gab.

Nichtüberlappende Gebietszerlegungsmethoden für lineare und quasilineare (monotone und nichtmonotone) Probleme

In dieser Arbeit werden nichtüberlappende Gebietszerlegungsmethoden einerseits hinsichtlich der zu lösenden Problemklassen verallgemeinert und andererseits in bisher nicht untersuchten Kontexten betrachtet. Dabei stehen funktionalanalytische Untersuchungen zur Wohldefiniertheit, eindeutigen Lösbarkeit und Konvergenz im Vordergrund. Im ersten Teil werden lineare elliptische Dirichlet-Randwertprobleme behandelt, wobei neben Problemen mit dominantem Hauptteil auch solche mit singulärer Störung desselben, wie konvektions- oder reaktionsdominante Probleme zugelassen sind. Der zweite Teil befasst sich mit (gleichmäßig) monotonen koerziven quasilinearen elliptischen Dirichlet-Randwertproblemen. In beiden Fällen wird das Lipschitz-Gebiet in endlich viele Lipschitz-Teilgebiete zerlegt, wobei insbesondere Kreuzungspunkte und Teilgebiete ohne Außenrand zugelassen sind. Anschließend werden Transmissionsprobleme mit frei wählbaren $L^{\infty}$-Parameterfunktionen hergeleitet, wobei die Konormalenableitungen als Funktionale auf geeigneten Funktionenräumen über den Teilrändern ($H_{00}^{1/2}(\Gamma)$) interpretiert werden. Die iterative Lösung dieser Transmissionsprobleme mit einem Ansatz von Deng führt auf eine Substrukturierungsmethode mit Robin-artigen Transmissionsbedingungen, bei der eine Auswertung der Konormalenableitungen aufgrund einer geschickten Aufdatierung der Robin-Daten nicht notwendig ist (insbesondere ist die bekannte Robin-Robin-Methode von Lions als Spezialfall enthalten). Die Konvergenz bezüglich einer partitionierten $H^1$-Norm wird für beide Problemklassen gezeigt. Dabei werden keine über $H^1$ hinausgehende Regularitätsforderungen an die Lösungen gestellt und die Gebiete müssen keine zusätzlichen Glattheitsvoraussetzungen erfüllen. Im letzten Kapitel werden nichtmonotone koerzive quasilineare Probleme untersucht, wobei das Zugrunde liegende Gebiet nur in zwei Lipschitz-Teilgebiete zerlegt sein soll. Das zugehörige nichtlineare Transmissionsproblem wird durch Kirchhoff-Transformation in lineare Teilprobleme mit nichtlinearen Kopplungsbedingungen überführt. Ein optimierungsbasierter Lösungsansatz, welcher einen geeigneten Abstand der rücktransformierten Dirichlet-Daten der linearen Teilprobleme auf den Teilrändern minimiert, führt auf ein optimales Kontrollproblem. Die dabei entstehenden regularisierten freien Minimierungsprobleme werden mit Hilfe eines Gradientenverfahrens unter minimalen Glattheitsforderungen an die Nichtlinearitäten gelöst. Unter zusätzlichen Glattheitsvoraussetzungen an die Nichtlinearitäten und weiteren technischen Voraussetzungen an die Lösung des quasilinearen Ausgangsproblems, kann zudem die quadratische Konvergenz des Newton-Verfahrens gesichert werden.

Uniformisierbarkeit in Familien von abelschen t-Moduln höheren Ranges

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Frage, wie sich in einer Familie von abelschen t-Moduln die Teilfamilie der uniformisierbaren t-Moduln beschreiben lässt. Abelsche t-Moduln sind höherdimensionale Verallgemeinerungen von Drinfeld-Moduln über algebraischen Funktionenkörpern. Bekanntermaßen lassen sich Drinfeld-Moduln in allgemeiner Charakteristik durch analytische Tori parametrisieren. Diese Tatsache überträgt sich allerdings nur auf manche t-Moduln, die man als uniformisierbar bezeichnet. Die Situation hat eine gewisse Analogie zur Theorie von elliptischen Kurven, Tori und abelschen Varietäten über den komplexen Zahlen. Um zu entscheiden, ob ein t-Modul in diesem Sinne uniformisierbar ist, wendet man ein Kriterium von Anderson an, das die rigide analytische Trivialität der zugehörigen t-Motive zum Inhalt hat. Wir wenden dieses Kriterium auf eine Familie von zweidimensionalen t-Moduln vom Rang vier an, die von Koeffizienten a,b,c,d abhängen, und gelangen dabei zur äquivalenten Fragestellung nach der Konvergenz von gewissen rekursiv definierten Folgen. Das Konvergenzverhalten dieser Folgen lässt sich mit Hilfe von Newtonpolygonen gut untersuchen. Schließlich erhält man durch dieses Vorgehen einfach formulierte Bedingungen an die Koeffizienten a,b,c,d, die einerseits die Uniformisierbarkeit garantieren oder andererseits diese ausschließen.

Numerical Methods for the Unsteady Compressible Navier-Stokes Equations

We consider numerical methods for the compressible time dependent Navier-Stokes equations, discussing the spatial discretization by Finite Volume and Discontinuous Galerkin methods, the time integration by time adaptive implicit Runge-Kutta and Rosenbrock methods and the solution of the appearing nonlinear and linear equations systems by preconditioned Jacobian-Free Newton-Krylov, as well as Multigrid methods. As applications, thermal Fluid structure interaction and other unsteady flow problems are considered. The text is aimed at both mathematicians and engineers.

Die aeroelastische Stabilitätsanalyse – ein praxisnaher Ansatz zur intervalltheoretischen Betrachtung von Modellierungsunsicherheiten am Flugzeug

Die Untersuchung des dynamischen aeroelastischen Stabilitätsverhaltens von Flugzeugen erfordert sehr komplexe Rechenmodelle, welche die wesentlichen elastomechanischen und instationären aerodynamischen Eigenschaften der Konstruktion wiedergeben sollen. Bei der Modellbildung müssen einerseits Vereinfachungen und Idealisierungen im Rahmen der Anwendung der Finite Elemente Methode und der aerodynamischen Theorie vorgenommen werden, deren Auswirkungen auf das Simulationsergebnis zu bewerten sind. Andererseits können die strukturdynamischen Kenngrößen durch den Standschwingungsversuch identifiziert werden, wobei die Ergebnisse Messungenauigkeiten enthalten. Für eine robuste Flatteruntersuchung müssen die identifizierten Unwägbarkeiten in allen Prozessschritten über die Festlegung von unteren und oberen Schranken konservativ ermittelt werden, um für alle Flugzustände eine ausreichende Flatterstabilität sicherzustellen. Zu diesem Zweck wird in der vorliegenden Arbeit ein Rechenverfahren entwickelt, welches die klassische Flatteranalyse mit den Methoden der Fuzzy- und Intervallarithmetik verbindet. Dabei werden die Flatterbewegungsgleichungen als parameterabhängiges nichtlineares Eigenwertproblem formuliert. Die Änderung der komplexen Eigenlösung infolge eines veränderlichen Einflussparameters wird mit der Methode der numerischen Fortsetzung ausgehend von der nominalen Startlösung verfolgt. Ein modifizierter Newton-Iterations-Algorithmus kommt zur Anwendung. Als Ergebnis liegen die berechneten aeroelastischen Dämpfungs- und Frequenzverläufe in Abhängigkeit von der Fluggeschwindigkeit mit Unschärfebändern vor.

Trajectory and Force Control of a Direct Drive Arm

Using the MIT Serial Link Direct Drive Arm as the main experimental device, various issues in trajectory and force control of manipulators were studied in this thesis. Since accurate modeling is important for any controller, issues of estimating the dynamic model of a manipulator and its load were addressed first. Practical and effective algorithms were developed fro the Newton-Euler equations to estimate the inertial parameters of manipulator rigid-body loads and links. Load estimation was implemented both on PUMA 600 robot and on the MIT Serial Link Direct Drive Arm. With the link estimation algorithm, the inertial parameters of the direct drive arm were obtained. For both load and link estimation results, the estimated parameters are good models of the actual system for control purposes since torques and forces can be predicted accurately from these estimated parameters. The estimated model of the direct drive arm was them used to evaluate trajectory following performance by feedforward and computed torque control algorithms. The experimental evaluations showed that the dynamic compensation can greatly improve trajectory following accuracy. Various stability issues of force control were studied next. It was determined that there are two types of instability in force control. Dynamic instability, present in all of the previous force control algorithms discussed in this thesis, is caused by the interaction of a manipulator with a stiff environment. Kinematics instability is present only in the hybrid control algorithm of Raibert and Craig, and is caused by the interaction of the inertia matrix with the Jacobian inverse coordinate transformation in the feedback path. Several methods were suggested and demonstrated experimentally to solve these stability problems. The result of the stability analyses were then incorporated in implementing a stable force/position controller on the direct drive arm by the modified resolved acceleration method using both joint torque and wrist force sensor feedbacks.

Preconditioning and iterative solution of symmetric indefinite linear systems arising from interior point methods for linear programming

We study the preconditioning of symmetric indefinite linear systems of equations that arise in interior point solution of linear optimization problems. The preconditioning method that we study exploits the block structure of the augmented matrix to design a similar block structure preconditioner to improve the spectral properties of the resulting preconditioned matrix so as to improve the convergence rate of the iterative solution of the system. We also propose a two-phase algorithm that takes advantage of the spectral properties of the transformed matrix to solve for the Newton directions in the interior-point method. Numerical experiments have been performed on some LP test problems in the NETLIB suite to demonstrate the potential of the preconditioning method discussed.

Relaci??n del clima motivacional percibido con la orientaci??n de meta, la motivaci??n intr??nseca y las opiniones y conductas de fair play : tesis doctoral

Analizar la relaci??n entre el clima motivacional percibido, la orientaci??n de meta, la motivaci??n intr??nseca y las opiniones y comportamientos de fair play en deportistas cadetes de Primera Divisi??n de la Liga Espa??ola de F??tbol. La creencia popular de que el deporte es una actividad sociocultural que permite el enriquecimiento del individuo en el seno de la sociedad, es casi tan antigua como sus or??genes. Sin embargo, deporte y deportividad son t??rminos que, a pesar de tener un origen com??n, cada vez parecen m??s distanciados, al menos en alguna de las manifestaciones del deporte contempor??neo. A tenor de diferentes hallazgos que se recogen en el trabajo, la idea de que la participaci??n en el deporte, garantiza la formaci??n del car??cter debe replantearse. Es m??s, en al menos deportes de contacto medio y alto, puede tener efectos negativos en el razonamiento moral e incrementar la agresividad. ??Son este tipo de deportes perjudiciales en s?? mismos? ??Su l??gica interna lleva a que los deportistas acaben salt??ndose las reglas y a comportarse de una manera moralmente inaceptable? Este trabajo formula la hip??tesis de que la teor??a de meta de logro puede arrojar algo de luz sobre estas cuestiones. La hip??tesis en la que se fundamenta la investigaci??n es que el clima de Maestr??a se relaciona positivamente con la orientaci??n hacia la tarea, con la motivaci??n intr??nseca y con las opiniones y conductas pro-fair play, mientras que, por el contrario, el clima de ejecuci??n lo hace con la orientaci??n de meta hacia el ego, con la ansiedad y con las conductas anti-fair play. La muestra estuvo compuesta de un total de 82 jugadores cadetes de Primera Divisi??n de la Liga Espa??ola de F??tbol, pertenecientes al Principado de Asturias seleccionados al azar, con edades comprendidas entre los 14 y 16 a??os. Los participantes fueron sometidos voluntariamente a los siguientes cuestionarios e instrumentos de medida: el Cuestionario de Clima Motivacional Percibido en el Deporte (PMCSQ-2)de Newton y Duda (1998); el Cuestionario de Percepci??n de ??xito (POSQ) elaborado por Roberts y Balagu?? (1989); el Cuestionario de Diversi??n de los sujetos con la Pr??ctica Deportiva (CDPD) elaborado por Duda y Nicholls (1992); el Test de Motivaci??n de Logro en Educaci??n F??sica (MEF) elaborado por Nishida (1988); y la Escala de Actitudes de Fairplay (Cruz, Capdevila, Boixad??s, Pintanel, Alonso, Mimbrero y Torregrosa, 1996). Se realizaron an??lisis factoriales confirmatorios, correlaciones bivariadas y can??nicas, y an??lisis de regresi??n.

Ciencia Interactiva.

Resumen basado en la publicación

Estudi i aplicació de llibreries de física per a motors de videojocs

En el món dels videojocs el realisme és un punt molt important a tenir en compte ja que dónamés sensació a l’usuari d’estar immers en el videojoc. Això passa en part per aconseguir realisme en la dinàmica dels objectes i fer que aquests segueixin les lleis de la física de Newton. Per això s’han desenvolupat diverses llibreries que s’anomenen “motors de física” (physics engines), que empren variables com la massa, la velocitat, la fricció i la resistència del vent. Els objectius d’aquest projecte seran l’estudi de diferents llibreries físiques existents, la seva comparació i com s’integren en els motors de jocs. A més a més , la generació de contingut amb comportament que respongui a les funcions definides a aquestes llibreries no és trivial i per aquest motiu també es desenvoluparà una aplicació per generar murs de forma semiautomàtica que respongui a impactes. Per assolir aquests objectius caldrà: d’ una banda, comparar els cossos rígids, unions i funcionament en general de diferents llibreries físiques: Newton Game Dynamics, NVIDIA PhysX Technology, Open Dynamics Engine, Bullet Physics Library, Tokamak Physics Engine i Havok i d’ altra banda, implementar una aplicació que donant-li una imatge en planta d’una paret o conjunt de parets en format vectorial i les mides d’un maó, generi murs que puguin reaccionar de forma adequada quan rebin l’impacte d’una massa determinada. L’aplicació s’implementarà en C++ i amb l’entorn de desenvolupament Microsoft Visual Studio 2005. La visualització serà amb OpenGL

Càlcul diferencial: derivades

Oferim als estudiants universitaris i als lectors interessats aquesta guia didàctica de la matemàtica universitària com a fruit dels nostres anys de docència de les matemàtiques a la Universitat. El resultat final ha esdevingut una col·lecció de setze petits volums agrupats en els dos mòduls d'Àlgebra Lineal i de Càlcul Infinitesimal. En aquest volum iniciem amb l’estudi de les derivades. Des de l’establiment, a la segona meitat del segle XVII, del Càlcul infinitesimal per Newton i Leibniz de manera independent, amb l’objectiu posat en la determinació de la recta tangent a una corba en un punt donat, el concepte de derivada ha tingut un paper preeminent en l’estudi del ritme de variació d’una funció i ha suposat una eina de gran utilitat en l’estudi de molts problemes de les ciències exactes i experimentals

Colour image processing

In the context of the round table the following topics related to image colour processing will be discussed: historical point of view. Studies of Aguilonius, Gerritsen, Newton and Maxwell. CIE standard (Commission International de lpsilaEclaraige). Colour models. RGB, HIS, etc. Colour segmentation based on HSI model. Industrial applications. Summary and discussion. At the end, video images showing the robustness of colour in front of B/W images will be presented

Course Notes, Numerical Methods (MATH3018/MATH6111).

Course notes for the Numerical Methods course (joint MATH3018 and MATH6111). Originally by Giampaolo d'Alessandro, modified by Ian Hawke. These contain only minimal examples and are distributed as is; examples are given in the lectures.