Representing measures on the Royden boundary for solutions of Δu=Pu on a Riemannian manifold

Consider the Royden compactification R* of a Riemannian n-manifold R, Γ = R*\R its Royden boundary, Δ its harmonic boundary and the elliptic differential equation Δu = Pu, P ≥ 0 on R. A regular Borel measure m^P can be constructed on Γ with support equal to the closure of Δ^P = {q ϵ Δ : q has a neighborhood U in R* with _U^ʃ_ᴖR^{P ˂ ∞} }. Every enegy-finite solution to u (i.e. E(u) = D(u) + ^ʃ_Ru²P ˂ ∞, where D(u) is the Dirichlet integral of u) can be represented by u(z) = ^ʃ_Γu(q)K(z,q)dm^P(q) where K(z,q) is a continuous function on ^Rx Γ . A _P^~_E-function is a nonnegative solution which is the infimum of a downward directed family of energy-finite solutions. A nonzero _P^~_E-function is called _P^~_E-minimal if it is a constant multiple of every nonzero _P^~_E-function dominated by it. THEOREM. There exists a _P^~_E-minimal function if and only if there exists a point in q ϵ Γ such that m^P(q) > 0. THEOREM. For q ϵ Δ^P , m^P(q) > 0 if and only if m⁰(q) > 0 .

Estimativa do erro de discretização analítico na solução de equações diferenciais utilizando o Método de Volumes Finitos

As análises de erros são conduzidas antes de qualquer projeto a ser desenvolvido. A necessidade do conhecimento do comportamento do erro numérico em malhas estruturadas e não-estruturadas surge com o aumento do uso destas malhas nos métodos de discretização. Desta forma, o objetivo deste trabalho foi criar uma metodologia para analisar os erros de discretização gerados através do truncamento na Série de Taylor, aplicados às equações de Poisson e de Advecção-Difusão estacionárias uni e bidimensionais, utilizando-se o Método de Volumes Finitos em malhas do tipo Voronoi. A escolha dessas equações se dá devido a sua grande utilização em testes de novos modelos matemáticos e função de interpolação. Foram usados os esquemas Central Difference Scheme (CDS) e Upwind Difference Scheme(UDS) nos termos advectivos. Verificou-se a influência do tipo de condição de contorno e a posição do ponto gerador do volume na solução numérica. Os resultados analíticos foram confrontados com resultados experimentais para dois tipos de malhas de Voronoi, uma malha cartesiana e outra triangular comprovando a influência da forma do volume finito na solução numérica obtida. Foi percebido no estudo que a discretização usando o esquema CDS tem erros menores do que a discretização usando o esquema UDS conforme literatura. Também se percebe a diferença nos erros em volumes vizinhos nas malhas triangulares o que faz com que não se tenha uma uniformidade nos gráficos dos erros estudados. Percebeu-se que as malhas cartesianas com nó no centróide do volume tem menor erro de discretização do que malhas triangulares. Mas o uso deste tipo de malha depende da geometria do problema estudado

A kinetic theory description for external spherical flows with arbitrary Knudsen number by a moment method

The Maxwell integral equations of transfer are applied to a series of problems involving flows of arbitrary density gases about spheres. As suggested by Lees a two sided Maxwellian-like weighting function containing a number of free parameters is utilized and a sufficient number of partial differential moment equations is used to determine these parameters. Maxwell's inverse fifth-power force law is used to simplify the evaluation of the collision integrals appearing in the moment equations. All flow quantities are then determined by integration of the weighting function which results from the solution of the differential moment system. Three problems are treated: the heat-flux from a slightly heated sphere at rest in an infinite gas; the velocity field and drag of a slowly moving sphere in an unbounded space; the velocity field and drag torque on a slowly rotating sphere. Solutions to the third problem are found to both first and second-order in surface Mach number with the secondary centrifugal fan motion being of particular interest. Singular aspects of the moment method are encountered in the last two problems and an asymptotic study of these difficulties leads to a formal criterion for a "well posed" moment system. The previously unanswered question of just how many moments must be used in a specific problem is now clarified to a great extent.

Um problema inverso na modelagem da difusão do calor

O presente trabalho aborda um problema inverso associado a difus~ao de calor em uma barra unidimensional. Esse fen^omeno e modelado por meio da equac~ao diferencial par- cial parabolica ut = uxx, conhecida como equac~ao de difus~ao do calor. O problema classico (problema direto) envolve essa equac~ao e um conjunto de restric~oes { as condic~oes inicial e de contorno {, o que permite garantir a exist^encia de uma soluc~ao unica. No problema inverso que estudamos, o valor da temperatura em um dos extremos da barra n~ao esta disponvel. Entretanto, conhecemos o valor da temperatura em um ponto x0 xo no interior da barra. Para aproximar o valor da temperatura no intervalo a direita de x0, propomos e testamos tr^es algoritmos de diferencas nitas: diferencas regressivas, leap-frog e diferencas regressivas maquiadas.

Modelagem e simulação da propagação de ondas em barras não homogêneas envolvendo materiais elásticos não lineares.

O objetivo deste trabalho é tratar da simulação do fenômeno de propagação de ondas em uma haste heterogênea elástico, composta por dois materiais distintos (um linear e um não-linear), cada um deles com a sua própria velocidade de propagação da onda. Na interface entre estes materiais existe uma descontinuidade, um choque estacionário, devido ao salto das propriedades físicas. Empregando uma abordagem na configuração de referência, um sistema não-linear hiperbólico de equações diferenciais parciais, cujas incógnitas são a velocidade e a deformação, descrevendo a resposta dinâmica da haste heterogénea. A solução analítica completa do problema de Riemann associado são apresentados e discutidos.

Problemas inversos em processos difusivos com retenção

Um Estudo para a solução numérica do modelo de difusão com retenção, proposta por Bevilacqua et al. (2011), é apresentado, bem como uma formulação implícita para o problema inverso para a estimativa dos parâmetros envolvidos na formulação matemática do modelo. Através de um estudo minucioso da análise de sensibilidade e do cálculo do coeficiente de correlação de Pearson, são identificadas as chances de se obter sucesso na solução do problema inverso através do método determinístico de Levenberg-Marquardt e dos métodos estocásticos Algoritmo de Colisão de Partículas (Particle Collision Algorithm - PCA) e Evolução Diferencial (Differential Evolution - DE). São apresentados os resultados obtidos através destes três métodos de otimização para três casos de conjunto de parâmetros. Foi observada uma forte correlação entre dois destes três parâmetros, o que dificultou a estimativa simultânea dos mesmos. Porém, foi obtido sucesso nas estimativas individuais de cada parâmetro. Foram obtidos bons resultados para os fatores que multiplicam os termos diferenciais da equação que modela o fenômeno de difusão com retenção.

Bessel functions and equations of mathematical physics

The aim of this dissertation is to introduce Bessel functions to the reader, as well as studying some of their properties. Moreover, the final goal of this document is to present the most well- known applications of Bessel functions in physics.

Um modelo físico-matemático para escoamentos em meios porosos com transição insaturado-saturado.

Neste trabalho é apresentada uma nova modelagem matemática para a descrição do escoamento de um líquido incompressível através de um meio poroso rígido homogêneo e isotrópico, a partir do ponto de vista da Teoria Contínua de Misturas. O fenômeno é tratado como o movimento de uma mistura composta por três constituintes contínuos: o primeiro representando a matriz porosa, o segundo representando o líquido e o terceiro representando um gás de baixíssima densidade. O modelo proposto possibilita uma descrição matemática realista do fenômeno de transição insaturado/saturado a partir de uma combinação entre um sistema de equações diferenciais parciais e uma desigualdade. A desigualdade representa uma limitação geométrica oriunda da incompressibilidade do líquido e da rigidez do meio poroso. Alguns casos particulares são simulados e os resultados comparados com resultados clássicos, mostrando as consequências de não levar em conta as restrições inerentes ao problema.

Abordagens do tipo livre de jacobiana na simulação do escoamento de fluidos compressíveis em meios porosos

O desenvolvimento de software livre de Jacobiana para a resolução de problemas formulados por equações diferenciais parciais não-lineares é de interesse crescente para simular processos práticos de engenharia. Este trabalho utiliza o chamado algoritmo espectral livre de derivada para equações não-lineares na simulação de fluxos em meios porosos. O modelo aqui considerado é aquele empregado para descrever o deslocamento do fluido compressível miscível em meios porosos com fontes e sumidouros, onde a densidade da mistura de fluidos varia exponencialmente com a pressão. O algoritmo espectral utilizado é um método moderno para a solução de sistemas não-lineares de grande porte, o que não resolve sistemas lineares, nem usa qualquer informação explícita associados com a matriz Jacobiana, sendo uma abordagem livre de Jacobiana. Problemas bidimensionais são apresentados, juntamente com os resultados numéricos comparando o algoritmo espectral com um método de Newton inexato livre de Jacobiana. Os resultados deste trabalho mostram que este algoritmo espectral moderno é um método confiável e eficiente para a simulação de escoamentos compressíveis em meios porosos.

SBLOCK: A framework for efficient stencil-based PDE solvers on multi-core platforms

We present a new software framework for the implementation of applications that use stencil computations on block-structured grids to solve partial differential equations. A key feature of the framework is the extensive use of automatic source code generation which is used to achieve high performance on a range of leading multi-core processors. Results are presented for a simple model stencil running on Intel and AMD CPUs as well as the NVIDIA GT200 GPU. The generality of the framework is demonstrated through the implementation of a complete application consisting of many different stencil computations, taken from the field of computational fluid dynamics. © 2010 IEEE.

Finite volume distance field solution applied to medial axis transform

Accurate and efficient computation of the nearest wall distance d (or level set) is important for many areas of computational science/engineering. Differential equation-based distance/ level set algorithms, such as the hyperbolic-natured Eikonal equation, have demonstrated valuable computational efficiency. Here, in the context, as an 'auxiliary' equation to the main flow equations, the Eikonal equation is solved efficiently with two different finite volume approaches (the cell vertex and cell-centered). Application of the distance solution is studied for various geometries. Moreover, a procedure using the differential field to obtain the medial axis transform (MAT) for different geometries is presented. The latter provides a skeleton representation of geometric models that has many useful analysis properties. As an alternative approach to the pure geometric methods (e.g. the Voronoi approach), the current d-MAT procedure bypasses many difficulties that are usually encountered by pure geometric methods, especially in three dimensional space. It is also shown that the d-MAT approach provides the potential to sculpt/control the MAT form for specialized solution purposes. Copyright © 2010 by the American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc.

Building flexible user interfaces for solving PDEs

FEniCS is a collection of software tools for the automated solution of differential equations by finite element methods. In this note, we describe how FEniCS can be used to solve a simple nonlinear model problem with varying levels of automation. At one extreme, FEniCS provides tools for the fully automated and adaptive solution of nonlinear partial differential equations. At the other extreme, FEniCS provides a range of tools that allow the computational scientist to experiment with novel solution algorithms. © 2010 American Institute of Physics.

A FEniCS-based programming framework for modeling turbulent flow by the Reynolds-averaged Navier-Stokes equations

Finding an appropriate turbulence model for a given flow case usually calls for extensive experimentation with both models and numerical solution methods. This work presents the design and implementation of a flexible, programmable software framework for assisting with numerical experiments in computational turbulence. The framework targets Reynolds-averaged Navier-Stokes models, discretized by finite element methods. The novel implementation makes use of Python and the FEniCS package, the combination of which leads to compact and reusable code, where model- and solver-specific code resemble closely the mathematical formulation of equations and algorithms. The presented ideas and programming techniques are also applicable to other fields that involve systems of nonlinear partial differential equations. We demonstrate the framework in two applications and investigate the impact of various linearizations on the convergence properties of nonlinear solvers for a Reynolds-averaged Navier-Stokes model. © 2011 Elsevier Ltd.

The post-processed Galerkin method applied to non-linear shell vibrations

We present the results of a computational study of the post-processed Galerkin methods put forward by Garcia-Archilla et al. applied to the non-linear von Karman equations governing the dynamic response of a thin cylindrical panel periodically forced by a transverse point load. We spatially discretize the shell using finite differences to produce a large system of ordinary differential equations (ODEs). By analogy with spectral non-linear Galerkin methods we split this large system into a 'slowly' contracting subsystem and a 'quickly' contracting subsystem. We then compare the accuracy and efficiency of (i) ignoring the dynamics of the 'quick' system (analogous to a traditional spectral Galerkin truncation and sometimes referred to as 'subspace dynamics' in the finite element community when applied to numerical eigenvectors), (ii) slaving the dynamics of the quick system to the slow system during numerical integration (analogous to a non-linear Galerkin method), and (iii) ignoring the influence of the dynamics of the quick system on the evolution of the slow system until we require some output, when we 'lift' the variables from the slow system to the quick using the same slaving rule as in (ii). This corresponds to the post-processing of Garcia-Archilla et al. We find that method (iii) produces essentially the same accuracy as method (ii) but requires only the computational power of method (i) and is thus more efficient than either. In contrast with spectral methods, this type of finite-difference technique can be applied to irregularly shaped domains. We feel that post-processing of this form is a valuable method that can be implemented in computational schemes for a wide variety of partial differential equations (PDEs) of practical importance.