Advancements in jet turbulence and noise modeling: accurate one-way solutions and empirical evaluation of the nonlinear forcing of wavepackets

Jet noise reduction is an important goal within both commercial and military aviation. Although large-scale numerical simulations are now able to simultaneously compute turbulent jets and their radiated sound, lost-cost, physically-motivated models are needed to guide noise-reduction efforts. A particularly promising modeling approach centers around certain large-scale coherent structures, called wavepackets, that are observed in jets and their radiated sound. The typical approach to modeling wavepackets is to approximate them as linear modal solutions of the Euler or Navier-Stokes equations linearized about the long-time mean of the turbulent flow field. The near-field wavepackets obtained from these models show compelling agreement with those educed from experimental and simulation data for both subsonic and supersonic jets, but the acoustic radiation is severely under-predicted in the subsonic case. This thesis contributes to two aspects of these models. First, two new solution methods are developed that can be used to efficiently compute wavepackets and their acoustic radiation, reducing the computational cost of the model by more than an order of magnitude. The new techniques are spatial integration methods and constitute a well-posed, convergent alternative to the frequently used parabolized stability equations. Using concepts related to well-posed boundary conditions, the methods are formulated for general hyperbolic equations and thus have potential applications in many fields of physics and engineering. Second, the nonlinear and stochastic forcing of wavepackets is investigated with the goal of identifying and characterizing the missing dynamics responsible for the under-prediction of acoustic radiation by linear wavepacket models for subsonic jets. Specifically, we use ensembles of large-eddy-simulation flow and force data along with two data decomposition techniques to educe the actual nonlinear forcing experienced by wavepackets in a Mach 0.9 turbulent jet. Modes with high energy are extracted using proper orthogonal decomposition, while high gain modes are identified using a novel technique called empirical resolvent-mode decomposition. In contrast to the flow and acoustic fields, the forcing field is characterized by a lack of energetic coherent structures. Furthermore, the structures that do exist are largely uncorrelated with the acoustic field. Instead, the forces that most efficiently excite an acoustic response appear to take the form of random turbulent fluctuations, implying that direct feedback from nonlinear interactions amongst wavepackets is not an essential noise source mechanism. This suggests that the essential ingredients of sound generation in high Reynolds number jets are contained within the linearized Navier-Stokes operator rather than in the nonlinear forcing terms, a conclusion that has important implications for jet noise modeling.

Distributed Control and Optimization for Communication and Power Systems

We are at the cusp of a historic transformation of both communication system and electricity system. This creates challenges as well as opportunities for the study of networked systems. Problems of these systems typically involve a huge number of end points that require intelligent coordination in a distributed manner. In this thesis, we develop models, theories, and scalable distributed optimization and control algorithms to overcome these challenges.

This thesis focuses on two specific areas: multi-path TCP (Transmission Control Protocol) and electricity distribution system operation and control. Multi-path TCP (MP-TCP) is a TCP extension that allows a single data stream to be split across multiple paths. MP-TCP has the potential to greatly improve reliability as well as efficiency of communication devices. We propose a fluid model for a large class of MP-TCP algorithms and identify design criteria that guarantee the existence, uniqueness, and stability of system equilibrium. We clarify how algorithm parameters impact TCP-friendliness, responsiveness, and window oscillation and demonstrate an inevitable tradeoff among these properties. We discuss the implications of these properties on the behavior of existing algorithms and motivate a new algorithm Balia (balanced linked adaptation) which generalizes existing algorithms and strikes a good balance among TCP-friendliness, responsiveness, and window oscillation. We have implemented Balia in the Linux kernel. We use our prototype to compare the new proposed algorithm Balia with existing MP-TCP algorithms.

Our second focus is on designing computationally efficient algorithms for electricity distribution system operation and control. First, we develop efficient algorithms for feeder reconfiguration in distribution networks. The feeder reconfiguration problem chooses the on/off status of the switches in a distribution network in order to minimize a certain cost such as power loss. It is a mixed integer nonlinear program and hence hard to solve. We propose a heuristic algorithm that is based on the recently developed convex relaxation of the optimal power flow problem. The algorithm is efficient and can successfully computes an optimal configuration on all networks that we have tested. Moreover we prove that the algorithm solves the feeder reconfiguration problem optimally under certain conditions. We also propose a more efficient algorithm and it incurs a loss in optimality of less than 3% on the test networks.

Second, we develop efficient distributed algorithms that solve the optimal power flow (OPF) problem on distribution networks. The OPF problem determines a network operating point that minimizes a certain objective such as generation cost or power loss. Traditionally OPF is solved in a centralized manner. With increasing penetration of volatile renewable energy resources in distribution systems, we need faster and distributed solutions for real-time feedback control. This is difficult because power flow equations are nonlinear and kirchhoff's law is global. We propose solutions for both balanced and unbalanced radial distribution networks. They exploit recent results that suggest solving for a globally optimal solution of OPF over a radial network through a second-order cone program (SOCP) or semi-definite program (SDP) relaxation. Our distributed algorithms are based on the alternating direction method of multiplier (ADMM), but unlike standard ADMM-based distributed OPF algorithms that require solving optimization subproblems using iterative methods, the proposed solutions exploit the problem structure that greatly reduce the computation time. Specifically, for balanced networks, our decomposition allows us to derive closed form solutions for these subproblems and it speeds up the convergence by 1000x times in simulations. For unbalanced networks, the subproblems reduce to either closed form solutions or eigenvalue problems whose size remains constant as the network scales up and computation time is reduced by 100x compared with iterative methods.

Distributed Optimal Control of Cyber-Physical Systems: Controller Synthesis, Architecture Design and System Identification

The centralized paradigm of a single controller and a single plant upon which modern control theory is built is no longer applicable to modern cyber-physical systems of interest, such as the power-grid, software defined networks or automated highways systems, as these are all large-scale and spatially distributed. Both the scale and the distributed nature of these systems has motivated the decentralization of control schemes into local sub-controllers that measure, exchange and act on locally available subsets of the globally available system information. This decentralization of control logic leads to different decision makers acting on asymmetric information sets, introduces the need for coordination between them, and perhaps not surprisingly makes the resulting optimal control problem much harder to solve. In fact, shortly after such questions were posed, it was realized that seemingly simple decentralized optimal control problems are computationally intractable to solve, with the Wistenhausen counterexample being a famous instance of this phenomenon. Spurred on by this perhaps discouraging result, a concerted 40 year effort to identify tractable classes of distributed optimal control problems culminated in the notion of quadratic invariance, which loosely states that if sub-controllers can exchange information with each other at least as quickly as the effect of their control actions propagates through the plant, then the resulting distributed optimal control problem admits a convex formulation.

The identification of quadratic invariance as an appropriate means of "convexifying" distributed optimal control problems led to a renewed enthusiasm in the controller synthesis community, resulting in a rich set of results over the past decade. The contributions of this thesis can be seen as being a part of this broader family of results, with a particular focus on closing the gap between theory and practice by relaxing or removing assumptions made in the traditional distributed optimal control framework. Our contributions are to the foundational theory of distributed optimal control, and fall under three broad categories, namely controller synthesis, architecture design and system identification.

We begin by providing two novel controller synthesis algorithms. The first is a solution to the distributed H-infinity optimal control problem subject to delay constraints, and provides the only known exact characterization of delay-constrained distributed controllers satisfying an H-infinity norm bound. The second is an explicit dynamic programming solution to a two player LQR state-feedback problem with varying delays. Accommodating varying delays represents an important first step in combining distributed optimal control theory with the area of Networked Control Systems that considers lossy channels in the feedback loop. Our next set of results are concerned with controller architecture design. When designing controllers for large-scale systems, the architectural aspects of the controller such as the placement of actuators, sensors, and the communication links between them can no longer be taken as given -- indeed the task of designing this architecture is now as important as the design of the control laws themselves. To address this task, we formulate the Regularization for Design (RFD) framework, which is a unifying computationally tractable approach, based on the model matching framework and atomic norm regularization, for the simultaneous co-design of a structured optimal controller and the architecture needed to implement it. Our final result is a contribution to distributed system identification. Traditional system identification techniques such as subspace identification are not computationally scalable, and destroy rather than leverage any a priori information about the system's interconnection structure. We argue that in the context of system identification, an essential building block of any scalable algorithm is the ability to estimate local dynamics within a large interconnected system. To that end we propose a promising heuristic for identifying the dynamics of a subsystem that is still connected to a large system. We exploit the fact that the transfer function of the local dynamics is low-order, but full-rank, while the transfer function of the global dynamics is high-order, but low-rank, to formulate this separation task as a nuclear norm minimization problem. Finally, we conclude with a brief discussion of future research directions, with a particular emphasis on how to incorporate the results of this thesis, and those of optimal control theory in general, into a broader theory of dynamics, control and optimization in layered architectures.

On the uniqueness of singular solutions to boundary-initial value problems in linear elastodynamics

This investigation deals with certain generalizations of the classical uniqueness theorem for the second boundary-initial value problem in the linearized dynamical theory of not necessarily homogeneous nor isotropic elastic solids. First, the regularity assumptions underlying the foregoing theorem are relaxed by admitting stress fields with suitably restricted finite jump discontinuities. Such singularities are familiar from known solutions to dynamical elasticity problems involving discontinuous surface tractions or non-matching boundary and initial conditions. The proof of the appropriate uniqueness theorem given here rests on a generalization of the usual energy identity to the class of singular elastodynamic fields under consideration.

Following this extension of the conventional uniqueness theorem, we turn to a further relaxation of the customary smoothness hypotheses and allow the displacement field to be differentiable merely in a generalized sense, thereby admitting stress fields with square-integrable unbounded local singularities, such as those encountered in the presence of focusing of elastic waves. A statement of the traction problem applicable in these pathological circumstances necessitates the introduction of "weak solutions'' to the field equations that are accompanied by correspondingly weakened boundary and initial conditions. A uniqueness theorem pertaining to this weak formulation is then proved through an adaptation of an argument used by O. Ladyzhenskaya in connection with the first boundary-initial value problem for a second-order hyperbolic equation in a single dependent variable. Moreover, the second uniqueness theorem thus obtained contains, as a special case, a slight modification of the previously established uniqueness theorem covering solutions that exhibit only finite stress-discontinuities.

窄带和宽带双曲正割脉冲光束的解析传输式

从近轴波动方程出发推导了窄带和宽带双曲正割脉冲光束的解析传输公式。通过数值计算比较了分别采用复振幅包络(CAE)表示式和复解析信号(CAS)表示式得到的脉冲光束，得出了选择脉冲光束研究方法的条件。结果表明复振幅包络表示式得到的解会存在空间奇异性，使光束出现不符合物理意义的非光束行为。对于宽带光束，复振幅包络解的奇异点的位置距离轴中心较近，使复包络解不能正确表示脉冲光束，而对于奇异点位置远离轴中心的窄带光束，对脉冲光束产生的影响可以忽略。因此，窄带脉冲光束可以采用复振幅包络和复解析信号两种表示式来研究，而对

Crecimiento y rentabilidad en el mercado emergente brasileño

[ES] En los últimos años, las economías emergentes están tomando las primeras posiciones a nivel mundial. Las consecuencias de la crisis financiera han provocado que inversores y empresas dirijan sus capitales y esfuerzo hacia los mercados emergentes en busca de crecimiento y rentabilidad empresarial que los países desarrollados no ofrecen. En este contexto, el objetivo del presente estudio consiste en analizar el crecimiento empresarial en Brasil durante el periodo 1995-2011 y, más específicamente, sus variables explicativas y la interrelación con la rentabilidad empresarial. Para ello, en primer lugar realizamos la estimación de un modelo de regresión dinámico con datos de panel empleando el Método Generalizado de los Momentos (GMM). En segundo lugar, empleamos un sistema de Vectores Autorregresivos (VAR) para analizar la relación entre crecimiento y rentabilidad. Los principales resultados obtenidos nos indican que la obtención de mayores tasas de rentabilidad proporcionan un mayor crecimiento empresarial, pero no al contrario. Además cabe señalar que el comportamiento del crecimiento empresarial es diferente según la propiedad y el control de las empresas. Además, aportan un mayor conocimiento del comportamiento del crecimiento empresarial en Brasil, siendo útil para la toma de decisiones de empresarios e inversores, y así pueden ser utilizados para la toma de decisiones en el ámbito de la política regional y social.

O sistema fluvio-estuarino da Baía de Sepetiba preservado na estratigrafia rasa da plataforma continental interna adjacente (RJ)

A análise de dados de reflexão sísmica monocanal boomer (Hz ~ 700-4,000; penetração ~ 70 ms) adquiridos na plataforma continental interna-média (até ~ 50-60 m de profundidade) ao largo do sistema estuarino baía de Sepetiba, no Estado do Rio de Janeiro, Brasil, revelou a ocorrência de uma sucessão sedimentar preservada 15-20 m, sismicamente interpretada como representando ambientes fluvio-estuarinos para marinhos rasos. Estas séries são sotopostas à inconformidade regional mais superior reconhecida na escala de plataforma, chamada superfície S3. Esta superfície é erodida por numerosas incisões fluviais, que sugerem processos erosivos associados à prolongada exposição subaérea da plataforma continental durante o estágio isotópico marinho 2 (MIS 2), globalmente datada em ~ 20 ka A.P.. A preservação de tais unidades de corte e preenchimento estuarinho presumíveis Pleistoceno Superior-Holoceno na plataforma interna-média (até ~ 30 km da costa) evidencia pela primeira vez na área a existência de um paleo sistema fluvial bastante desenvolvido e processos dominantes de denudação na bacia hidrográfica a montante que atualmente alimenta a baía de Sepetiba. Bem como que, uma série de elementos arquiteturais sísmicos dentro desta sucessão estuarina, como canais de maré retrogradantes, registram a evolução do paleo sistema estuarino de um sistema aberto à um sistema parcialmente protegido durante a transgressão Holocênica. A formação e erosão de uma sucessão de ilhas barreira isoladas e canais de maré durante a transgressão persistiu até o desenvolvimento de uma superfície estratigráfica superior na área, interpretada como a superfície de máxima inundação (MFS) no registro estratigráfico. A ilha barreira atual (restinga da Marambaia) prograda sobre a MFS como uma feição deposição regressiva, apontando para uma idade mais jovem do que cerca de ~ 5 ka A. P., idade da transgressão máxima na área, de acordo com a literatura disponível.

Diferenças de expectativas em auditorias independentes: estudo comparativo sobre expectation gap, em cenário globalizado

O presente estudo objetiva analisar as características das diferenças de expectativas entre o público geral e os auditores independentes, no que diz respeito às demonstrações contábeis. Para isso, incorreu-se em uma pesquisa de artigos científicos em que os autores investigam o problema, cada um em determinado país, e as causas de sua ocorrência. Essa análise da literatura permitiu verificar as similaridades e sugestões para reduzir o fenômeno, em cenário globalizado, e compará-las. Os principais achados demonstram que, de maneira geral, os problemas são globalmente relacionados, assim como as sugestões, e que se torna essencial medidas para amenizar o problema. Tanto os auditores independentes quanto os usuários das demonstrações contábeis tem conhecimento da existência dessa diferença de expectativa, sendo uma ameaça para o bom andamento de uma economia capitalista o desconforto dos usuários caso ocorra à manutenção dessa diferença de expectativa. Dessa maneira, uma mudança na estrutura do cenário atual das empresas de auditoria independente torna-se fundamental.

Circuito Cineclube: trânsitos audiovisuais

Conforme os percursos que fiz, buscarei mostrar que as práticas cineclubistas se ampliaram em consonância com o alargamento das possibilidades de criação videocinematográficas propiciados pelos avanços da tecnologia da imagem e de sua popularização a partir dos anos 2000, sem se afastar dos seus sentidos iniciais que são a democratização do audiovisual e a organização do público. Sob a designação de cineclube há uma rede de criadores que, em suas ações, realizam, além de obras audiovisuais, espaços-tempos de convivência e intercâmbio de experiências e novas idéias, caracterizando um território identitário, que é o cineclubismo contemporâneo, e que, a despeito dos interesses e elementos de identificação de seus sujeitos, é desfronteirado. Pois assim, mostra-se aberto a contribuições e atravessamentos diversos que de alguma forma envolvem a cultura visual em sua complexa presença na atualidade

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.

Teoria de controle ótimo com aplicações a sistemas biológicos

Neste trabalho apresentamos as etapas para a utilização do método da Programação Dinâmica, ou Princípio de Otimização de Bellman, para aplicações de controle ótimo. Investigamos a noção de funções de controle de Lyapunov (FCL) e sua relação com a estabilidade de sistemas autônomos com controle. Uma função de controle de Lyapunov deverá satisfazer a equação de Hamilton-Jacobi-Bellman (H-J-B). Usando esse fato, se uma função de controle de Lyapunov é conhecida, será então possível determinar a lei de realimentação ótima; isto é, a lei de controle que torna o sistema globalmente assintóticamente controlável a um estado de equilíbrio. Como aplicação, apresentamos uma modelagem matemática adequada a um problema de controle ótimo de certos sistemas biológicos. Este trabalho conta também com um breve histórico sobre o desenvolvimento da Teoria de Controle de forma a ilustrar a importância, o progresso e a aplicação das técnicas de controle em diferentes áreas ao longo do tempo.

Métodos espectrais aplicados à relatividade numérica: determinação dos dados iniciais

Neste trabalho aplicamos métodos espectrais para a determinação da configuração inicial de três espaços-tempos contendo buracos negros. Para isto apresentamos primeiro a foliação do espaço-tempo em hipersuperfícies tridimensionais espaciais parametrizadas pela função temporal t. Este processo é chamado de decomposição 3+1 [2] [5]. O resultado deste processo são dois conjuntos de equações classificadas em equações de vínculo e evolução [4]. As equações de vínculo podem ser divididas em vínculos Hamiltoniano e dos momentos. Para a obtenção dos dados iniciais dos problemas estudados aqui, apenas a equação de vínculo Hamiltoniano será resolvida numericamente, pois as equações de vínculo dos momentos possuem solução analítica nestes casos. Uma pequena descrição dos métodos espectrais é apresentada, destacando-se os método de Galerkin, método pseudoespectral ou de colocação e método de Tau, que são empregados na resolução das equações de vínculo Hamiltoniano dos problemas estudados. Verificamos que os resultados obtidos neste trabalho superam aqueles produzidos por Kidder e Finn [15], devido a uma escolha diferente das funções de base, que aqui satisfazem uma das condições de contorno.

Educação e Cibercultura: narrativas de mobilidade ubíqua

A cibercultura, cultura contemporânea mediada pelo digital em rede, potencializada pelos usos dos dispositivos móveis, delineia novas formas de relações: econômicas, sociais, profissionais, políticas, educacionais, trazendo novos contornos à sociedade. Neste contexto, esta dissertação buscou compreender em que medida, a mobilidade dada pelas redes telemáticas sem fio podem ser utilizadas dentro de um contexto educativo, entendendo que esse contexto se dá dentrofora da universidade, nos diversos espaçostempos da cidade. Buscamos, para tanto, articular à pesquisa-formação (Macedo, Santos e Josso) com abordagem multirreferencial (Ardoino), os pressupostos das pesquisas nos dos com os cotidianos (Alves) e criamos, no contexto formativo da disciplina de Didática, da Licenciatura de Pedagogia da Universidade do Estado do Rio de Janeiro, atos de currículo com os usos dos dispositivos móveis e do digital em rede, em diálogo com os estudos da cibercultura (Lévy, Lemos, Santaella, Santos). Analisando os usos do digital em rede e dos dispositivos móveis no contexto formativo dos estudantes de Didática e suas narrativas, chegamos aos seguintes achados: a) as interfaces sociais definem a percepção do espaço em que estamos assim como as possibilidades de interação comunicacional com os outros; b) a mobilidade dada pelo digital em rede e pelos usos dos dispositivos móveis imprime outras dinâmicas ao como e quando aprenderensinar; c) expandir as estratégias de aprendizagemensino disponíveis por meio do digital em rede aumenta a possibilidade de acesso a conteúdos, informações, reconfigurando o papel da universidade; d) no que tange ao acesso livre à rede, tanto dentro da universidade quanto na cidade, há necessidade de políticas públicas efetivas para a inclusão digital; e) no âmbito da pesquisa-formação, nossa pesquisa contribuiu para a formação de docentes, criando as ambiências pedagógicas necessárias para o desenvolvimento de habilidades e competências para uma gestão mais flexível do conhecimento e dos processos de aprendizagemensino dentrofora da universidade.

Design à mostra: o projeto de museus temáticos

O objetivo desse trabalho é compreender como o design é utilizado no espaço expositivo para construir contexto, conteúdo e linguagem. Entender quais estratégias são usadas para projetar ambientes atraentes à visitação em vista a proporcionar experiências coletivas e individuais, contemplativas, espaciais (imersivas), sensoriais e interativas. Para tal analisamos a mudança do papel dos museus ao longo do tempo e montamos um panorama das instituições museológicas no Brasil nas últimas décadas. Selecionamos padrões de exibição instituídos historicamente em termos mundiais, já que o Brasil sofreu enorme influência cultural da Europa e dos Estados Unidos. Estabelecemos uma base de conceitos que envolvem a linguagem do projeto de exposições e museus temáticos, considerando aspectos como formas de aprendizagem do público, comportamento deste em relação ao objeto exposto, produção de conteúdo, produção de sentido, escolha de linguagem, intencionalidade, construção de experiência, mediação e interface. Analisamos como estudo de caso, o projeto de dois museus temáticos contemporâneos, o Museu da Língua Portuguesa e o Museu do Futebol, com a intenção de construir uma crítica ao projeto espacial-visual, entendendo as relações estabelecidas entre os objetos (previamente existentes ou projetados produtos, textos, imagens, vídeos), a forma como eles são expostos e as características do local escolhido para abrigar a exposição.

Design à mostra: o projeto de museus temáticos

O objetivo desse trabalho é compreender como o design é utilizado no espaço expositivo para construir contexto, conteúdo e linguagem. Entender quais estratégias são usadas para projetar ambientes atraentes à visitação em vista a proporcionar experiências coletivas e individuais, contemplativas, espaciais (imersivas), sensoriais e interativas. Para tal analisamos a mudança do papel dos museus ao longo do tempo e montamos um panorama das instituições museológicas no Brasil nas últimas décadas. Selecionamos padrões de exibição instituídos historicamente em termos mundiais, já que o Brasil sofreu enorme influência cultural da Europa e dos Estados Unidos. Estabelecemos uma base de conceitos que envolvem a linguagem do projeto de exposições e museus temáticos, considerando aspectos como formas de aprendizagem do público, comportamento deste em relação ao objeto exposto, produção de conteúdo, produção de sentido, escolha de linguagem, intencionalidade, construção de experiência, mediação e interface. Analisamos como estudo de caso, o projeto de dois museus temáticos contemporâneos, o Museu da Língua Portuguesa e o Museu do Futebol, com a intenção de construir uma crítica ao projeto espacial-visual, entendendo as relações estabelecidas entre os objetos (previamente existentes ou projetados produtos, textos, imagens, vídeos), a forma como eles são expostos e as características do local escolhido para abrigar a exposição.