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.

I. The 3.7 Å crystal structure of horse heart ferricytochrome C. II. The application of the Karle-Hauptman tangent formula to protein phasing

I. The 3.7 Å Crystal Structure of Horse Heart Ferricytochrome C.

The crystal structure of horse heart ferricytochrome c has been determined to a resolution of 3.7 Å using the multiple isomorphous replacement technique. Two isomorphous derivatives were used in the analysis, leading to a map with a mean figure of merit of 0.458. The quality of the resulting map was extremely high, even though the derivative data did not appear to be of high quality.

Although it was impossible to fit the known amino acid sequence to the calculated structure in an unambiguous way, many important features of the molecule could still be determined from the 3.7 Å electron density map. Among these was the fact that cytochrome c contains little or no α-helix. The polypeptide chain appears to be wound about the heme group in such a way as to form a loosely packed hydrophobic core in the molecule.

The heme group is located in a cleft on the molecule with one edge exposed to the solvent. The fifth coordinating ligand is His 18 and the sixth coordinating ligand is probably neither His 26 nor His 33.

The high resolution analysis of cytochrome c is now in progress and should be completed within the next year.

II. The Application of the Karle-Hauptman Tangent Formula to Protein Phasing.

The Karle-Hauptman tangent formula has been shown to be applicable to the refinement of previously determined protein phases. Tests were made with both the cytochrome c data from Part I and a theoretical structure based on the myoglobin molecule. The refinement process was found to be highly dependent upon the manner in which the tangent formula was applied. Iterative procedures did not work well, at least at low resolution.

The tangent formula worked very well in selecting the true phase from the two possible phase choices resulting from a single isomorphous replacement phase analysis. The only restriction on this application is that the heavy atoms form a non-centric cluster in the unit cell.

Pages 156 through 284 in this Thesis consist of previously published papers relating to the above two sections. References to these papers can be found on page 155.

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.

Tipología y tecnología. Una dependencia recíproca

Homenaje a Georges Laplace, realizado en Vitoria-Gasteiz el 13, 14 y 15 de noviembre de 2012. Edición a cargo de Aitor Calvo, Aitor Sánchez, Maite García-Rojas y Mónica Alonso-Eguíluz

A singular perturbation method of calculating the behavior of supercavitating hydrofoils with rounded noses

A simple, direct and accurate method to predict the pressure distribution on supercavitating hydrofoils with rounded noses is presented. The thickness of body and cavity is assumed to be small. The method adopted in the present work is that of singular perturbation theory. Far from the leading edge linearized free streamline theory is applied. Near the leading edge, however, where singularities of the linearized theory occur, a non-linear local solution is employed. The two unknown parameters which characterize this local solution are determined by a matching procedure. A uniformly valid solution is then constructed with the aid of the singular perturbation approach.

The present work is divided into two parts. In Part I isolated supercavitating hydrofoils of arbitrary profile shape with parabolic noses are investigated by the present method and its results are compared with the new computational results made with Wu and Wang's exact "functional iterative" method. The agreement is very good. In Part II this method is applied to a linear cascade of such hydrofoils with elliptic noses. A number of cases are worked out over a range of cascade parameters from which a good idea of the behavior of this type of important flow configuration is obtained.

Some of the computational aspects of Wu and Wang's functional iterative method heretofore not successfully applied to this type of problem are described in an appendix.

Um método sintético de difusão para aceleração do esquema de fonte de espalhamento em cálculos SN unidimensionais de fonte fixa

O esquema iterativo de fonte de espalhamento (SI) é tradicionalmente aplicado para a convergência da solução numérica de malha fina para problemas de transporte de nêutrons monoenergéticos na formulação de ordenadas discretas com fonte fixa. O esquema SI é muito simples de se implementar sob o ponto de vista computacional; porém, o esquema SI pode apresentar taxa de convergência muito lenta, principalmente para meios difusivos (baixa absorção) com vários livres caminhos médios de extensão. Nesta dissertação descrevemos uma técnica de aceleração baseada na melhoria da estimativa inicial para a distribuição da fonte de espalhamento no interior do domínio de solução. Em outras palavras, usamos como estimativa inicial para o fluxo escalar médio na grade de discretização de malha fina, presentes nos termos da fonte de espalhamento das equações discretizadas SN usadas nas varreduras de transporte, a solução numérica da equação da difusão de nêutrons em grade espacial de malha grossa com condições de contorno especiais, que aproximam as condições de contorno prescritas que são clássicas em cálculos SN, incluindo condições de contorno do tipo vácuo. Para aplicarmos esta solução gerada pela equação da difusão em grade de discretização de malha grossa nas equações discretizadas SN de transporte na grade de discretização de malha fina, primeiro implementamos uma reconstrução espacial dentro de cada nodo de discretização, e então determinamos o fluxo escalar médio em grade de discretização de malha fina para usá-lo nos termos da fonte de espalhamento. Consideramos um número de experimentos numéricos para ilustrar a eficiência oferecida pela presente técnica (DSA) de aceleração sintética de difusão.

Um método de matriz resposta com esquema iterativo de inversão parcial por região para problemas unidimensionais de transporte de nêutrons monoenergéticos na formulação de ordenadas discretas

Um método de matriz resposta (RM) é descrito para gerar soluções numéricas livres de erros de truncamento espacial para problemas de transporte de nêutrons monoenergéticos e com fonte fixa, em geometria unidimensional na formulação de ordenadas discretas (SN). O método RM com esquema iterativo de inversão parcial por região (RBI) converge valores numéricos para os fluxos angulares nas fronteiras das regiões que coincidem com os valores da solução analítica das equações SN, afora os erros de arredondamento da aritmética finita computacional. Desenvolvemos um esquema numérico de reconstrução espacial, que fornece a saída para os fluxos escalares de nêutrons em qualquer ponto do domínio definido pelo usuário, com um passo de avanço também escolhido pelo usuário. Resultados numéricos são apresentados para ilustrar a precisão do presente método em cálculos de malha grossa.

Desenvolvimento de um simulador numérico empregando o método Smoothed Particle Hydrodynamics para a resolução de escoamentos incompressíveis. Implementação computacional em paralelo (CUDA)

Neste trabalho, foi desenvolvido um simulador numérico baseado no método livre de malhas Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) para a resolução de escoamentos de fluidos newtonianos incompressíveis. Diferentemente da maioria das versões existentes deste método, o código numérico faz uso de uma técnica iterativa na determinação do campo de pressões. Este procedimento emprega a forma diferencial de uma equação de estado para um fluido compressível e a equação da continuidade a fim de que a correção da pressão seja determinada. Uma versão paralelizada do simulador numérico foi implementada usando a linguagem de programação C/C++ e a Compute Unified Device Architecture (CUDA) da NVIDIA Corporation. Foram simulados três problemas, o problema unidimensional do escoamento de Couette e os problemas bidimensionais do escoamento no interior de uma Cavidade (Shear Driven Cavity Problem) e da Quebra de Barragem (Dambreak).

Implementação paralela do algoritmo iterativo de busca do parâmetro de regularização ótimo para o funcional de Tikhonov no problema de restauração de imagens

O uso de técnicas com o funcional de Tikhonov em processamento de imagens tem sido amplamente usado nos últimos anos. A ideia básica nesse processo é modificar uma imagem inicial via equação de convolução e encontrar um parâmetro que minimize esse funcional afim de obter uma aproximação da imagem original. Porém, um problema típico neste método consiste na seleção do parâmetro de regularização adequado para o compromisso entre a acurácia e a estabilidade da solução. Um método desenvolvido por pesquisadores do IPRJ e UFRJ, atuantes na área de problemas inversos, consiste em minimizar um funcional de resíduos através do parâmetro de regularização de Tikhonov. Uma estratégia que emprega a busca iterativa deste parâmetro visando obter um valor mínimo para o funcional na iteração seguinte foi adotada recentemente em um algoritmo serial de restauração. Porém, o custo computacional é um fator problema encontrado ao empregar o método iterativo de busca. Com esta abordagem, neste trabalho é feita uma implementação em linguagem C++ que emprega técnicas de computação paralela usando MPI (Message Passing Interface) para a estratégia de minimização do funcional com o método de busca iterativa, reduzindo assim, o tempo de execução requerido pelo algoritmo. Uma versão modificada do método de Jacobi é considerada em duas versões do algoritmo, uma serial e outra em paralelo. Este algoritmo é adequado para implementação paralela por não possuir dependências de dados como de Gauss-Seidel que também é mostrado a convergir. Como indicador de desempenho para avaliação do algoritmo de restauração, além das medidas tradicionais, uma nova métrica que se baseia em critérios subjetivos denominada IWMSE (Information Weighted Mean Square Error) é empregada. Essas métricas foram introduzidas no programa serial de processamento de imagens e permitem fazer a análise da restauração a cada passo de iteração. Os resultados obtidos através das duas versões possibilitou verificar a aceleração e a eficiência da implementação paralela. A método de paralelismo apresentou resultados satisfatórios em um menor tempo de processamento e com desempenho aceitável.

La evaluación de los úrsidos en medios karsticos de la Cornisa Cantábrica

681 p.

Métodos espectronodais para cálculos de transporte de partículas neutras com fonte fixa na formulação de ordenadas discretas e multigrupo de energia

Um método espectronodal é desenvolvido para problemas de transporte de partículas neutras de fonte fixa, multigrupo de energia em geometria cartesiana na formulação de ordenadas discretas (SN). Para geometria unidimensional o método espectronodal multigrupo denomina-se método spectral Greens function (SGF) com o esquema de inversão nodal (NBI) que converge solução numérica para problemas SN multigrupo em geometria unidimensional, que são completamente livre de erros de truncamento espacial para ordem L de anisotropia de espalhamento desde que L < N. Para geometria X; Y o método espectronodal multigrupo baseia-se em integrações transversais das equações SN no interior dos nodos de discretização espacial, separadamente nas direções coordenadas x e y. Já que os termos de fuga transversal são aproximados por constantes, o método nodal resultante denomina-se SGF-constant nodal (SGF-CN), que é aplicado a problemas SN multigrupo de fonte fixa em geometria X; Y com espalhamento isotrópico. Resultados numéricos são apresentados para ilustrar a eficiência dos códigos SGF e SGF-CN e a precisão das soluções numéricas convergidas em cálculos de malha grossa.

Simulação de escoamentos incompressíveis empregando o método Smoothed Particle Hydrodynamics utilizando algoritmos iterativos na determinação do campo de pressões

Nesse trabalho, foi desenvolvido um simulador numérico (C/C++) para a resolução de escoamentos de fluidos newtonianos incompressíveis, baseado no método de partículas Lagrangiano, livre de malhas, Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). Tradicionalmente, duas estratégias são utilizadas na determinação do campo de pressões de forma a garantir-se a condição de incompressibilidade do fluido. A primeira delas é a formulação chamada Weak Compressible Smoothed Particle Hydrodynamics (WCSPH), onde uma equação de estado para um fluido quase-incompressível é utilizada na determinação do campo de pressões. A segunda, emprega o Método da Projeção e o campo de pressões é obtido mediante a resolução de uma equação de Poisson. No estudo aqui desenvolvido, propõe-se três métodos iterativos, baseados noMétodo da Projeção, para o cálculo do campo de pressões, Incompressible Smoothed Particle Hydrodynamics (ISPH). A fim de validar os métodos iterativos e o código computacional, foram simulados dois problemas unidimensionais: os escoamentos de Couette entre duas placas planas paralelas infinitas e de Poiseuille em um duto infinito e foram usadas condições de contorno do tipo periódicas e partículas fantasmas. Um problema bidimensional, o escoamento no interior de uma cavidade com a parede superior posta em movimento, também foi considerado. Na resolução deste problema foi utilizado o reposicionamento periódico de partículas e partículas fantasmas.

An update of the J48Consolidated WEKA’s class: CTC algorithm enhanced with the notion of coverage

This document aims to describe an update of the implementation of the J48Consolidated class within WEKA platform. The J48Consolidated class implements the CTC algorithm [2][3] which builds a unique decision tree based on a set of samples. The J48Consolidated class extends WEKA’s J48 class which implements the well-known C4.5 algorithm. This implementation was described in the technical report "J48Consolidated: An implementation of CTC algorithm for WEKA". The main, but not only, change in this update is the integration of the notion of coverage in order to determine the number of samples to be generated to build a consolidated tree. We define coverage as the percentage of examples of the training sample present in –or covered by– the set of generated subsamples. So, depending on the type of samples that we use, we will need more or less samples in order to achieve a specific value of coverage.

J48Consolidated: an implementation of CTC algorithm for WEKA

The CTC algorithm, Consolidated Tree Construction algorithm, is a machine learning paradigm that was designed to solve a class imbalance problem, a fraud detection problem in the area of car insurance [1] where, besides, an explanation about the classification made was required. The algorithm is based on a decision tree construction algorithm, in this case the well-known C4.5, but it extracts knowledge from data using a set of samples instead of a single one as C4.5 does. In contrast to other methodologies based on several samples to build a classifier, such as bagging, the CTC builds a single tree and as a consequence, it obtains comprehensible classifiers. The main motivation of this implementation is to make public and available an implementation of the CTC algorithm. With this purpose we have implemented the algorithm within the well-known WEKA data mining environment http://www.cs.waikato.ac.nz/ml/weka/). WEKA is an open source project that contains a collection of machine learning algorithms written in Java for data mining tasks. J48 is the implementation of C4.5 algorithm within the WEKA package. We called J48Consolidated to the implementation of CTC algorithm based on the J48 Java class.

Contributions to Ensemble Classifiers with Image Analysis Applications

134 p.