Storm track response to perturbations in climate

This thesis advances our understanding of midlatitude storm tracks and how they respond to perturbations in the climate system. The midlatitude storm tracks are regions of maximal turbulent kinetic energy in the atmosphere. Through them, the bulk of the atmospheric transport of energy, water vapor, and angular momentum occurs in midlatitudes. Therefore, they are important regulators of climate, controlling basic features such as the distribution of surface temperatures, precipitation, and winds in midlatitudes. Storm tracks are robustly projected to shift poleward in global-warming simulations with current climate models. Yet the reasons for this shift have remained unclear. Here we show that this shift occurs even in extremely idealized (but still three-dimensional) simulations of dry atmospheres. We use these simulations to develop an understanding of the processes responsible for the shift and develop a conceptual model that accounts for it.

We demonstrate that changes in the convective static stability in the deep tropics alone can drive remote shifts in the midlatitude storm tracks. Through simulations with a dry idealized general circulation model (GCM), midlatitude storm tracks are shown to be located where the mean available potential energy (MAPE, a measure of the potential energy available to be converted into kinetic energy) is maximal. As the climate varies, even if only driven by tropical static stability changes, the MAPE maximum shifts primarily because of shifts of the maximum of near-surface meridional temperature gradients. The temperature gradients shift in response to changes in the width of the tropical Hadley circulation, whose width is affected by the tropical static stability. Storm tracks generally shift in tandem with shifts of the subtropical terminus of the Hadley circulation.

We develop a one-dimensional diffusive energy-balance model that links changes in the Hadley circulation to midlatitude temperature gradients and so to the storm tracks. It is the first conceptual model to incorporate a dynamical coupling between the tropical Hadley circulation and midlatitude turbulent energy transport. Numerical and analytical solutions of the model elucidate the circumstances of when and how the storm tracks shift in tandem with the terminus of the Hadley circulation. They illustrate how an increase of only the convective static stability in the deep tropics can lead to an expansion of the Hadley circulation and a poleward shift of storm tracks.

The simulations with the idealized GCM and the conceptual energy-balance model demonstrate a clear link between Hadley circulation dynamics and midlatitude storm track position. With the help of the hierarchy of models presented in this thesis, we obtain a closed theory of storm track shifts in dry climates. The relevance of this theory for more realistic moist climates is discussed.

Dynamic characterization of micro-particle systems

Ordered granular systems have been a subject of active research for decades. Due to their rich dynamic response and nonlinearity, ordered granular systems have been suggested for several applications, such as solitary wave focusing, acoustic signals manipulation, and vibration absorption. Most of the fundamental research performed on ordered granular systems has focused on macro-scale examples. However, most engineering applications require these systems to operate at much smaller scales. Very little is known about the response of micro-scale granular systems, primarily because of the difficulties in realizing reliable and quantitative experiments, which originate from the discrete nature of granular materials and their highly nonlinear inter-particle contact forces.

In this work, we investigate the physics of ordered micro-granular systems by designing an innovative experimental platform that allows us to assemble, excite, and characterize ordered micro-granular systems. This new experimental platform employs a laser system to deliver impulses with controlled momentum and incorporates non-contact measurement apparatuses to detect the particles’ displacement and velocity. We demonstrated the capability of the laser system to excite systems of dry (stainless steel particles of radius 150 micrometers) and wet (silica particles of radius 3.69 micrometers, immersed in fluid) micro-particles, after which we analyzed the stress propagation through these systems.

We derived the equations of motion governing the dynamic response of dry and wet particles on a substrate, which we then validated in experiments. We then measured the losses in these systems and characterized the collision and friction between two micro-particles. We studied wave propagation in one-dimensional dry chains of micro-particles as well as in two-dimensional colloidal systems immersed in fluid. We investigated the influence of defects to wave propagation in the one-dimensional systems. Finally, we characterized the wave-attenuation and its relation to the viscosity of the surrounding fluid and performed computer simulations to establish a model that captures the observed response.

The findings of the study offer the first systematic experimental and numerical analysis of wave propagation through ordered systems of micro-particles. The experimental system designed in this work provides the necessary tools for further fundamental studies of wave propagation in both granular and colloidal systems.

Geometrical effects on the resonance absorption of neutrons

An investigation was conducted to estimate the error when the flat-flux approximation is used to compute the resonance integral for a single absorber element embedded in a neutron source.

The investigation was initiated by assuming a parabolic flux distribution in computing the flux-averaged escape probability which occurs in the collision density equation. Furthermore, also assumed were both wide resonance and narrow resonance expressions for the resonance integral. The fact that this simple model demonstrated a decrease in the resonance integral motivated the more detailed investigation of the thesis.

An integral equation describing the collision density as a function of energy, position and angle is constructed and is subsequently specialized to the case of energy and spatial dependence. This equation is further simplified by expanding the spatial dependence in a series of Legendre polynomials (since a one-dimensional case is considered). In this form, the effects of slowing-down and flux depression may be accounted for to any degree of accuracy desired. The resulting integral equation for the energy dependence is thus solved numerically, considering the slowing down model and the infinite mass model as separate cases.

From the solution obtained by the above method, the error ascribable to the flat-flux approximation is obtained. In addition to this, the error introduced in the resonance integral in assuming no slowing down in the absorber is deduced. Results by Chernick for bismuth rods, and by Corngold for uranium slabs, are compared to the latter case, and these agree to within the approximations made.

Transmission matrices and lumped parameter models for continuous systems

The use of transmission matrices and lumped parameter models for describing continuous systems is the subject of this study. Non-uniform continuous systems which play important roles in practical vibration problems, e.g., torsional oscillations in bars, transverse bending vibrations of beams, etc., are of primary importance.

A new approach for deriving closed form transmission matrices is applied to several classes of non-uniform continuous segments of one dimensional and beam systems. A power series expansion method is presented for determining approximate transmission matrices of any order for segments of non-uniform systems whose solutions cannot be found in closed form. This direct series method is shown to give results comparable to those of the improved lumped parameter models for one dimensional systems.

Four types of lumped parameter models are evaluated on the basis of the uniform continuous one dimensional system by comparing the behavior of the frequency root errors. The lumped parameter models which are based upon a close fit to the low frequency approximation of the exact transmission matrix, at the segment level, are shown to be superior. On this basis an improved lumped parameter model is recommended for approximating non-uniform segments. This new model is compared to a uniform segment approximation and error curves are presented for systems whose areas very quadratically and linearly. The effect of varying segment lengths is investigated for one dimensional systems and results indicate very little improvement in comparison to the use of equal length segments. For purposes of completeness, a brief summary of various lumped parameter models and other techniques which have previously been used to approximate the uniform Bernoulli-Euler beam is a given.

Three-dimensional coupled wave study for finite-sized anisotropic volume holographic gratings under ultrashort pulsed beam readout

The three-dimensional coupled wave theory is extended to systematically investigate the diffraction properties of finite-sized anisotropic volume holographic gratings (VHGs) under ultrashort pulsed beam (UPB) readout. The effects of the grating geometrical size and the polarizations of the recording and readout beams on the diffraction properties are presented, in particular under the influence of grating material dispersion. The wavelength selectivity of the finite-sized VHG is analyzed. The wavelength selectivity determines the intensity distributions of the transmitted and diffracted pulsed beams along the output face of the VHG. The distortion and widening of the diffracted pulsed beams are different for different points on the output face, as is numerically shown for a VHG recorded in a LiNbO3 crystal. The beam quality is analyzed, and the variations of the total diffraction efficiency are shown in relation to the geometrical size of the grating and the temporal width of the readout UPB. In addition, the diffraction properties of the finite-sized and one-dimensional VHG for pulsed and continuous-wave readout are compared. The study shows the potential application of VHGs in controlling spatial and temporal features of UPBs simultaneously. (C) 2007 Optical Society of America

Trazendo à baila a voz que fomenta pesquisas em linguagem: uma análise crítica do discurso do professor-orientador através do Sistema de Transitividade

A Nova Lei de Diretrizes e Bases da Educação Brasileira (LDB 9.394/96) prevê que a educação superior promova criticidade, reflexibilidade, correlação de saberes, mas também o incentivo ao trabalho de pesquisa e investigação científica, visando ao desenvolvimento da ciência e da tecnologia e da criação e difusão da cultura e, desse modo, desenvolver o entendimento do homem e do meio em que vive. (Artigo 43, inciso III). Entretanto, pouco se ouve sobre essas questões a partir da voz do orientador de pesquisas acadêmicas, o que esta pesquisadora considera um problema de ordem social, tendo em vista a importância desses atores sociais para o campo acadêmico. Os poucos trabalhos que abordam o tema limitam-se a identificar o orientador a partir das impressões empíricas dos orientandos e a refletir as atuações a partir de questões político-educacionais (FLECHA, 2003; MAZZILLI, 2003; BIANCHETTI & MACHADO, 2006). Neste sentido, o presente trabalho procura responder, através da Análise Crítica do Discurso (ACD), o que os orientadores têm a dizer sobre sua prática social. De caráter interpretativo (ALVEZ-MAZZOTTI, 1999), conta com dados gerados por orientadores de mestrado em Linguística/Linguística Aplicada, das esferas federal, estadual e privada, do Rio de janeiro, sendo dois participantes de cada esfera. Na primeira etapa, os sujeitos responderam a uma entrevista semiestruturada. A segunda etapa consta de: a) um questionário; b) correspondências eletrônicas; c) os regimentos dos programas de pós-graduação; e d) revisão histórica da orientação no Brasil. O caráter social deste estudo é a relação dialética entre linguagem e sociedade, já que a ACD considera qualquer evento discursivo ao mesmo tempo um texto (primeira dimensão), uma prática discursiva (segunda dimensão) e uma prática social (terceira dimensão): o modelo tridimensional (FAIRCLOUGH, 2001). O Sistema de Transitividade da LSF pautou a análise da primeira dimensão, confirmando outros estudos sobre o ranking da recorrência dos processos (LIMA LOPES, 2001). A interpretação dessa primeira dimensão aponta que os orientadores atuam na idiossincrasia, e que os principais atores sociais desse fazer são o orientador e o orientando, em relação assimétrica de poder. Na segunda dimensão, a interdiscursividade reforça essa idiossincrasia, mas inclui as pressões institucionais, que agem como reguladoras desse fazer. Na terceira dimensão, os resultados sugerem que aspectos históricos justificam a queda da qualidade dos mestrandos, associando a isso um interesse político, e as características da pós-modernidade a uma nova e híbrida atuação. Além disso, os resultados apontam para um discurso de resistência à hegemonia nas três dimensões de análise. A pesquisa possibilitou ainda a discussão em torno de aspectos práticos: a) a reflexão dos sujeitos sobre seus papeis e atribuições; e b) a atualização do aporte teórico, aplicado a um tema ainda pouco explorado. Deste trabalho, fica um convite a novas pesquisas sobre o discurso do orientador, trazendo à tona não apenas sua voz, conforme a fala literal de um dos entrevistados, mas também contribuições diretas e significativas aos estudos em Linguística e Linguística Aplicada no Brasil

Modelagem do comportamento estrutural de sistemas treliçados espaciais para escoramentos de estruturas de aço, concreto e mistas (aço-concreto).

A utilização de treliças para o escoramento de elementos estruturais de concreto armado e aço é considerada uma solução eficaz para o atual sistema de construção de engenharia civil. Uma mudança de atitude no processo de construção, associado com a redução dos custos causou um aumento considerável na utilização de treliças tridimensionais em aço com maior capacidade de carga. Infelizmente, o desenho destes sistemas estruturais baseia-se em cálculos muito simplificados relacionadas com vigas de uma dimensão, com propriedades de inércia constantes. Tal modelagem, muito simplificada, não pode representar adequadamente a resposta real dos modelos estruturais e pode levar a inviabilidade econômica ou mesmo inseguro desenho estrutural. Por outro lado, estas estruturas treliçadas estão relacionadas com modelos de geometria complexa e são desenhados para suportar níveis de cargas muito elevadas. Portanto, este trabalho de investigação propôs modelos de elementos finitos que representam o caráter tridimensional real do sistema de escoramento, avaliando o comportamento estático e dinâmico estrutural com mais confiabilidade e segurança. O modelo computacional proposto, desenvolvido para o sistema estrutural não linear de análise estática e dinâmica, aprovou as habituais técnicas de refinamento de malha presentes em simulações do método de elementos finitos, com base no programa ANSYS [1]. O presente estudo analisou os resultados de análises linear-elástica e não linear geométrica para ações de serviço, físicos e geométricos para as ações finais. Os resultados do presente estudo foram obtidas, com base na análise linear-elástica e não linearidade geométrica e física, e comparados com os fornecidos pela metodologia simplificada tradicional de cálculo e com os limites recomendadas por normas de concepção.

光学表面的标量散射理论

简要论述了标量散射理论的研究进展做,着重介绍了Beckman的一维标量散射理论和几种典型的多层膜散射模型-非相关表面粗糙度模型、附加表面粗糙度模型和非相关体内不均匀模型,比较了这些模型在中心波长为632.8nm的11层高反膜的散射特性.结果表明,非相关体内的不均匀性引起反射能带边缘散射,反射能带内的散射主要由附加表面粗糙度引起.理想粗糙度对膜系反射带内的散射影响很小,对反射带边缘几乎无影响.预测了标量散射理论的应用领域及前景.

Análise matemática de soluções descontínuas de leis de conservação hiperbólicas e resoluções numéricas para a captura de ondas de choque em escoamentos multifásicos em meios porosos

O processo de recuperação secundária de petróleo é comumente realizado com a injeção de água ou gás no reservatório a fim de manter a pressão necessária para sua extração. Para que o investimento seja viável, os gastos com a extração precisam ser menores do que o retorno financeiro obtido com a produção de petróleo. Objetivando-se estudar possíveis cenários para o processo de exploração, costuma-se utilizar simulações dos processos de extração. As equações que modelam esse processo de recuperação são de caráter hiperbólico e não lineares, as quais podem ser interpretadas como Leis de Conservação, cujas soluções são complexas por suas naturezas descontínuas. Essas descontinuidades ou saltos são conhecidas como ondas de choque. Neste trabalho foi abordada uma análise matemática para os fenômenos oriundos de leis de conservação, para em seguida utilizá-la no entendimento do referido problema. Foram estudadas soluções fracas que, fisicamente, podem ser interpretadas como ondas de choque ou rarefação, então, para que fossem distinguidas as fisicamente admissíveis, foi considerado o princípio de entropia, nas suas diversas formas. As simulações foram realizadas nos âmbitos dos escoamentos bifásicos e trifásicos, em que os fluidos são imiscíveis e os efeitos gravitacionais e difusivos, devido à pressão capilar, foram desprezados. Inicialmente, foi feito um estudo comparativo de resoluções numéricas na captura de ondas de choque em escoamento bifásico água-óleo. Neste estudo destacam-se o método Composto LWLF-k, o esquema NonStandard e a introdução da nova função de renormalização para o esquema NonStandard, onde obteve resultados satisfatórios, principalmente em regiões onde a viscosidade do óleo é muito maior do que a viscosidade da água. No escoamento bidimensional, um novo método é proposto, partindo de uma generalização do esquema NonStandard unidimensional. Por fim, é feita uma adaptação dos métodos LWLF-4 e NonStandard para a simulação em escoamentos trifásicos em domínios unidimensional. O esquema NonStandard foi considerado mais eficiente nos problemas abordados, uma vez que sua versão bidimensional mostrou-se satisfatória na captura de ondas de choque em escoamentos bifásicos em meios porosos.

Localização eletrônica de sistemas aperiódicos em uma dimensão

Desde a descoberta do estado quasicristalino por Daniel Shechtman et al. em 1984 e da fabricação por Roberto Merlin et al. de uma superrede artificial de GaAs/ AlAs em 1985 com características da sequência de Fibonacci, um grande número de trabalhos teóricos e experimentais tem relatado uma variedade de propriedades interessantes no comportamento de sistemas aperiódicos. Do ponto de vista teórico, é bem sabido que a cadeia de Fibonacci em uma dimensão se constitui em um protótipo de sucesso para a descrição do estado quasicristalino de um sólido. Dependendo da regra de inflação, diferentes tipos de estruturas aperiódicas podem ser obtidas. Esta diversidade originou as chamadas regras metálicas e devido à possibilidade de tratamento analítico rigoroso este modelo tem sido amplamente estudado. Neste trabalho, propriedades de localização em uma dimensão são analisadas considerando-se um conjunto de regras metálicas e o modelo de ligações fortes de banda única. Considerando-se o Hamiltoniano de ligações fortes com um orbital por sítio obtemos um conjunto de transformações relativas aos parâmetros de dizimação, o que nos permitiu calcular as densidades de estados (DOS) para todas as configurações estudadas. O estudo detalhado da densidade de estados integrada (IDOS) para estes casos, mostra o surgimento de plateaux na curva do número de ocupação explicitando o aparecimento da chamada escada do diabo" e também o caráter fractal destas estruturas. Estudando o comportamento da variação da energia em função da variação da energia de hopping, construímos padrões do tipo borboletas de Hofstadter, que simulam o efeito de um campo magnético atuando sobre o sistema. A natureza eletrônica dos auto estados é analisada a partir do expoente de Lyapunov (γ), que está relacionado com a evolução da função de onda eletrônica ao longo da cadeia unidimensional. O expoente de Lyapunov está relacionado com o inverso do comprimento de localização (ξ= 1 /γ), sendo nulo para os estados estendidos e positivo para estados localizados. Isto define claramente as posições dos principais gaps de energia do sistema. Desta forma, foi possível analisar o comportamento autossimilar de cadeias com diferentes regras de formação. Analisando-se o espectro de energia em função do número de geração de cadeias que seguem as regras de ouro e prata foi feito, obtemos conjuntos do tipo-Cantor, que nos permitiu estudar o perfil do calor específico de uma cadeia e Fibonacci unidimensional para diversas gerações

Condições de contorno tipo albedo para cálculos globais de reatores nucleares com o modelo de dois grupos de energia na formulação de transporte SN em geometria bidimensional cartesiana

Os eventos de fissão nuclear, resultados da interação dos nêutrons com os núcleos dos átomos do meio hospedeiro multiplicativo, não estão presentes em algumas regiões dos reatores nucleares, e.g., moderador, refletor, e meios estruturais. Nesses domínios espaciais não há geração de potência nuclear térmica e, além disso, comprometem a eficiência computacional dos cálculos globais de reatores nucleares. Propomos nesta tese uma estratégia visando a aumentar a eficiência computacional dessas simulações eliminando os cálculos numéricos explícitos no interior das regiões não-multiplicativas (baffle e refletor) em torno do núcleo ativo. Apresentamos algumas modelagens e discutimos a eficiência da aplicação dessas condições de contorno aproximadas tipo albedo para uma e duas regiões nãomultiplicativas, na formulação de ordenadas discretas (SN) para problemas de autovalor a dois grupos de energia em geometria bidimensional cartesiana. A denominação Albedo, palavra de origem latina para alvura, foi originalmente definida como a fração da luz incidente que é refletida difusamente por uma superfície. Esta denominação latina permaneceu como o termo científico usual em astronomia e, nesta tese, este conceito é estendido para reflexão de nêutrons. Estas condições de contorno tipo albedo SN não-convencional substituem aproximadamente as regiões de baffle e refletor no em torno do núcleo ativo do reator, desprezando os termos de fuga transversal no interior dessas regiões. Se o problema, em particular, não possui termos de fuga transversal, i.e., trata-se de um problema unidimensional, então as condições de contorno albedo, como propostas nesta tese, são exatas. Por eficiência computacional entende-se a análise da precisão dos resultados numéricos em comparação com o tempo de execução computacional de cada simulação de um dado problema-modelo. Resultados numéricos considerando dois problemas-modelo com de simetria são considerados para ilustrar esta análise de eficiência.

Flexoelectro-optic properties of chiral nematic liquid crystals in the uniform standing helix configuration.

The flexoelectro-optic effect describes the rotation of the optic axis of a short-pitch chiral nematic liquid crystal under the application of an electric field. We investigate the effect in the uniform standing helix, or "Grandjean" configuration. An in-plane electric field is applied. The director profile is determined numerically using a static one-dimensional continuum model with strong surface anchoring. The Berreman method is used to solve for plane-wave solutions to Maxwell's equations, and predict the optical properties of the resulting structure in general cases. By using a chiral nematic with short pitch between crossed polarizers an optical switch may be generated. With no applied field the configuration is nontransmissive at normal incidence, but becomes transmissive with an applied field. For this case, numerical results using the Berreman method are supplemented with an analytic theory and found to be in good agreement. The transmitted intensity as a function of tilt, the contrast ratio, and the tilt required for full intensity modulation are presented. The angular dependence of the transmission is calculated and the isocontrast curves are plotted. For typical material and cell parameters a switching speed of 0.017 ms and contrast ratio of 1500:1 at normal incidence are predicted, at a switch-on tilt of 41.5 degrees. Experimental verification of the analytic and numerical models is provided.

Analysis of the piston ring/liner oil film development during warm-up for an SI-engine

A one-dimensional ring-pack lubrication model developed at MIT is applied to simulate the oil film behavior during the warm-up period of a Kohler spark ignition engine [1]. This is done by making assumptions for the evolution of the oil temperatures during warm-up and that the oil control ring during downstrokes is fully flooded. The ring-pack lubrication model includes features such as three different lubrication regimes, i.e. pure hydrodynamic lubrication, boundary lubrication and pure asperity contact, non-steady wetting of both inlet and outlet of the piston ring, capability to use all ring face profiles that can be approximated by piece-wise polynomials and, finally, the ability to model the rheology of multi-grade oils. Not surprisingly, the simulations show that by far the most important parameter is the temperature dependence of the oil viscosity. This dependence is subsequently examined further by choosing different oils. The baseline oil is SAE 10W30 and results are compared to those using the SAE 30 and the SAE 10W50 oils.

Diffusion and chemical reaction in the porous structures of solid oxide fuel cells

The Rolls-Royce Integrated-Planar Solid Oxide Fuel Cell (IP-SOFC) consists of ceramic modules which have electrochemical cells printed on the outer surfaces. The cathodes are the outermost layer of each cell and are supplied with oxygen from air flowing over the outside of the module. The anodes are in direct contact with the ceramic structure and are supplied with fuel from internal gas channels. Natural gas is reformed into hydrogen for use by the fuel cells in a separate reformer module of similar design except that the fuel cells are replaced by a reforming catalyst layer. The performance of the modules is intrinsically linked to the behaviour of the gas flows within their porous structures. Because the porous layers are very thin, a one-dimensional flow model provides a good representation of the flow property variations between fuel channel and fuel cell or reforming catalyst. The multi-component convective-diffusive flows are simulated using a new theory of flow in porous material, the Cylindrical Pore Interpolation Model. The effects of the catalysed methane reforming and water-gas shift chemical reactions are also considered using appropriate kinetic models. It is found that the shift reaction, which is catalysed by the anode material, has certain beneficial effects on the fuel cell module performance. In the reformer module it was found that the flow resistance of the porous support structure makes it difficult to sustain a high methane conversion rate. Although the analysis is based on IP-SOFC geometry, the modelling approach and general conclusions are applicable to other types of SOFC.

Modeling of MOS-side carrier injection in trench-gate IGBTs

A compact trench-gate IGBT model that captures MOS-side carrier injection is developed. The model retains the simplicity of a one-dimensional solution to the ambipolar diffusion equation, but at the same time captures MOS-side carrier injection and its effects on steady-state carrier distribution in the drift region and on switching waveforms. © 2007 IEEE.