High strong order methods for non-commutative stochastic ordinary differential equation systems and the Magnus formula

In recent years considerable attention has been paid to the numerical solution of stochastic ordinary differential equations (SODEs), as SODEs are often more appropriate than their deterministic counterparts in many modelling situations. However, unlike the deterministic case numerical methods for SODEs are considerably less sophisticated due to the difficulty in representing the (possibly large number of) random variable approximations to the stochastic integrals. Although Burrage and Burrage [High strong order explicit Runge-Kutta methods for stochastic ordinary differential equations, Applied Numerical Mathematics 22 (1996) 81-101] were able to construct strong local order 1.5 stochastic Runge-Kutta methods for certain cases, it is known that all extant stochastic Runge-Kutta methods suffer an order reduction down to strong order 0.5 if there is non-commutativity between the functions associated with the multiple Wiener processes. This order reduction down to that of the Euler-Maruyama method imposes severe difficulties in obtaining meaningful solutions in a reasonable time frame and this paper attempts to circumvent these difficulties by some new techniques. An additional difficulty in solving SODEs arises even in the Linear case since it is not possible to write the solution analytically in terms of matrix exponentials unless there is a commutativity property between the functions associated with the multiple Wiener processes. Thus in this present paper first the work of Magnus [On the exponential solution of differential equations for a linear operator, Communications on Pure and Applied Mathematics 7 (1954) 649-673] (applied to deterministic non-commutative Linear problems) will be applied to non-commutative linear SODEs and methods of strong order 1.5 for arbitrary, linear, non-commutative SODE systems will be constructed - hence giving an accurate approximation to the general linear problem. Secondly, for general nonlinear non-commutative systems with an arbitrary number (d) of Wiener processes it is shown that strong local order I Runge-Kutta methods with d + 1 stages can be constructed by evaluated a set of Lie brackets as well as the standard function evaluations. A method is then constructed which can be efficiently implemented in a parallel environment for this arbitrary number of Wiener processes. Finally some numerical results are presented which illustrate the efficacy of these approaches. (C) 1999 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Fast Accurate Transient Stability Simulations

The paper describes a Simultaneous Implicit (SI) approach for transient stability simulations based on an iterative technique using traingularised admittance matrix [1]. The reduced saliency of generator in the subtransient state is taken advantage of to speed up the algorithm. Accordingly, generator differential equations, except rotor swing, contain voltage proportional to fluxes in the main field, dampers and a hypothetical winding representing deep flowing eddy currents, as state variables. The simulation results are validated by comparison with two independent methods viz. Runge-Kutta simulation for a simplified system and a method based on modelling damper windings using conventional induction motor theory.

Compressible axially symmetric laminar boundary layer flow in the stagnation region of a blunt body in the presence of magnetic field

In this paper, the steady laminar viscous hypersonic flow of an electrically conducting fluid in the region of the stagnation point of an insulating blunt body in the presence of a radial magnetic field is studied by similarity solution approach, taking into account the variation of the product of density and viscosity across the boundary layer. The two coupled non-linear ordinary differential equations are solved simultaneously using Runge-Kutta-Gill method. It has been found that the effect of the variation of the product of density and viscosity on skin friction coefficient and Nusselt number is appreciable. The skin friction coefficient increases but Nusselt number decreases as the magnetic field or the total enthalpy at the wall increases

A Numerical Scheme for Three-Dimensional Front Propagation and Control of Jordan Mode

As an example of a front propagation, we study the propagation of a three-dimensional nonlinear wavefront into a polytropic gas in a uniform state and at rest. The successive positions and geometry of the wavefront are obtained by solving the conservation form of equations of a weakly nonlinear ray theory. The proposed set of equations forms a weakly hyperbolic system of seven conservation laws with an additional vector constraint, each of whose components is a divergence-free condition. This constraint is an involution for the system of conservation laws, and it is termed a geometric solenoidal constraint. The analysis of a Cauchy problem for the linearized system shows that when this constraint is satisfied initially, the solution does not exhibit any Jordan mode. For the numerical simulation of the conservation laws we employ a high resolution central scheme. The second order accuracy of the scheme is achieved by using MUSCL-type reconstructions and Runge-Kutta time discretizations. A constrained transport-type technique is used to enforce the geometric solenoidal constraint. The results of several numerical experiments are presented, which confirm the efficiency and robustness of the proposed numerical method and the control of the Jordan mode.

LEVEL SET输运方程的求解方法及其对气-液两相流运动界面数值模拟的影响

用数值模拟方法来研究气-液两相流动与传热现象是当今多相流领域的一个热门课题.由于两相流固有的复杂性,气-液两相流界面迁移现象的数值模拟一直是两相流研究中的一大难点.本文介绍了捕捉气-液两相流相界面运动的水平集方法(Level Set)及其研究进展,介绍了求解Level Set输运方程的3种方法,即一般差分格式、Superbee-TVD格式和Runge-Kutta法-5阶WENO组合格式.结合主流场的求解,分别用这3种方法对4种典型相界面在5种流场中的迁移特性进行了模拟计算,并对计算结果进行了比较和分析.结果表明,Runge-Kutta法-5阶WENO组合格式求解Level Set输运方程的效果最好,在以后的计算中将主要采用这种组合格式来进行气-液相界面输运方程的求解.

不同重力条件下不相溶流体层间界面波演化规律的数值模拟研究

报道了关于不相溶流体层间界面波演化规律的数值模拟研究及结果，重点考察了重力条件对界面波演化特性的影响。考虑在深度方向无限扩展的互不相容的两个流体层，上层流体比下层的轻，但比下层的运动速度快；两层流体间的界面上存在正弦波形的初始扰动，并随流体流动而不断变化。本文采用Level Set方法来实现对运动的相界面的追踪，用有限差分法来离散控制方程组。为了提高数值算法的稳定性，采用三阶的Runge-Kutta法来离散时间导数，而采用五阶的WENO（Weighted Essentially Non-oscillatory）格式来离散一阶对流输运项，并用压力修正投影法（Pressure Correction Projection Method）来实现离散控制方程组的求解。为了提高对复杂非稳态过程的解的准确度，采用了嵌套的三层迭代循环。本文对一系列工况条件下的界面波演化过程进行了计算；除了研究重力的作用之外，还考察了流体密度、粘性、表面张力、初始界面波频率、振幅及波数对界面波演化特性的影响。其中，上下流体层的最大密度比和粘性比可达3000/1，而重力加速度在0~5g0（g0=9.8m/s^2）之间变化，上下流体层间的最大速度差为8m/s。研究结果表明，随着重力、流体密度比、流体粘性比及表面张力的增加，界面波的演化受到不同程度的抑制，而界面波的传播速度也与重力及流体的密度、粘性和表面张力等因素相关。

A mobilidade eletroforética e o perfil de potencial da membrana celular

O objetivo do presente trabalho foi estudar o comportamento dos potenciais superficiais e do perfil de potencial atraves da membrana de eritr ocito em func ao da forca i onica e das cargas superficiais, usando um modelo que leva em conta as cargas el etricas do glicoc alix e das proteınas citoplasm aticas, al em das cargas superficiais da bicamada lipıdica e os efeitos dos eletr olitos divalentes. Programas especıficos em linguagem C foram elaborados para o c alculo desses potenciais, tomando como dados num ericos resultados experimentais de medidas de mobilidade eletrofor etica de eritr ocitos para diferentes valores de forca i onica. Neste c alculo, o metodo para tratamento dos dados eletrofor eticos indicado por Hsu et al.[57] foi incluıdo em nosso modelo. A equac ao de Poisson-Boltzmann nao linear foi resolvida por computac ao num erica, usando o metodo de Runge-Kutta de quarta ordem, obtendo-se os perfis de potencial. Os resultados mostraram que a estimativa da densidade de carga el etrica na superfıcie de c elulas usando a equac ao cl assica de Helmholtz-Smoluchowski conduz a valores que nao conseguem refletir as forcas que regem o comportamento eletrofor etico das mesmas. O presente modelo gerou valores de potenciais superficiais e perfis de potencial para a membrana do eritr ocito bem distintos daqueles obtidos anteriormente para um modelo descrito por uma equac ao de Poisson-Boltzmann linear. Nossos resultados confirmam que a avaliac ao de parametros el etricos superficiais da membrana de eritr ocito, envolvendo dados oriundos de eletroforese, deve incluir c alculos hidrodin amicos al em de eletroest aticos, como sugerido por Hsu et al. [57].

Modelagem e avaliação comparativa dos métodos Luus-Jaakola e R2W aplicados na estimativa de parâmetros cinéticos de adsorção

As técnicas inversas têm sido usadas na determinação de parâmetros importantes envolvidos na concepção e desempenho de muitos processos industriais. A aplicação de métodos estocásticos tem aumentado nos últimos anos, demonstrando seu potencial no estudo e análise dos diferentes sistemas em aplicações de engenharia. As rotinas estocásticas são capazes de otimizar a solução em uma ampla gama de variáveis do domínio, sendo possível a determinação dos parâmetros de interesse simultaneamente. Neste trabalho foram adotados os métodos estocásticos Luus-Jaakola (LJ) e Random Restricted Window (R2W) na obtenção dos ótimos dos parâmetros cinéticos de adsorção no sistema de cromatografia em batelada, tendo por objetivo verificar qual método forneceria o melhor ajuste entre os resultados obtidos nas simulações computacionais e os dados experimentais. Este modelo foi resolvido empregando o método de Runge- Kutta de 4 ordem para a solução de equações diferenciais ordinárias.

Uma formulação implícita para o método Smoothed Particle Hydrodynamics

Em uma grande gama de problemas físicos, governados por equações diferenciais, muitas vezes é de interesse obter-se soluções para o regime transiente e, portanto, deve-se empregar técnicas de integração temporal. Uma primeira possibilidade seria a de aplicar-se métodos explícitos, devido à sua simplicidade e eficiência computacional. Entretanto, esses métodos frequentemente são somente condicionalmente estáveis e estão sujeitos a severas restrições na escolha do passo no tempo. Para problemas advectivos, governados por equações hiperbólicas, esta restrição é conhecida como a condição de Courant-Friedrichs-Lewy (CFL). Quando temse a necessidade de obter soluções numéricas para grandes períodos de tempo, ou quando o custo computacional a cada passo é elevado, esta condição torna-se um empecilho. A fim de contornar esta restrição, métodos implícitos, que são geralmente incondicionalmente estáveis, são utilizados. Neste trabalho, foram aplicadas algumas formulações implícitas para a integração temporal no método Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) de modo a possibilitar o uso de maiores incrementos de tempo e uma forte estabilidade no processo de marcha temporal. Devido ao alto custo computacional exigido pela busca das partículas a cada passo no tempo, esta implementação só será viável se forem aplicados algoritmos eficientes para o tipo de estrutura matricial considerada, tais como os métodos do subespaço de Krylov. Portanto, fez-se um estudo para a escolha apropriada dos métodos que mais se adequavam a este problema, sendo os escolhidos os métodos Bi-Conjugate Gradient (BiCG), o Bi-Conjugate Gradient Stabilized (BiCGSTAB) e o Quasi-Minimal Residual (QMR). Alguns problemas testes foram utilizados a fim de validar as soluções numéricas obtidas com a versão implícita do método SPH.

Contrasting high-resolution characteristic shock-capturing methods in aeroacoustic test problems

Two shock-capturing methods are considered. One is based on a standard conservative Roe scheme with van Leer's MUSCL variable extrapolation method applied to characteristic variables and a Runge-Kutta time stepping scheme. The other is based on the novel CABARET space-time scheme, which uses two sets of staggered variables, one for the conservation step and the other for characteristic splitting into local Riemann invariants. The methods are compared in a range of 2-D inviscid compressible flow test cases. Copyright © 2008 by the American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc. All rights reserved.

Fast and effective analysis methods for fiber Raman amplifiers

A series of new single-step methods and their corresponding algorithms with automatic step size adjustment for model equations of fiber Raman amplifiers are proposed and compared in this paper. On the basis of the Newton-Raphson method, multiple shooting algorithms for the two-point boundary value problems involved in solving Raman amplifier propagation equations are constructed. A verified example shows that, compared with the traditional Runge-Kutta methods, the proposed methods can increase the accuracy by more than two orders of magnitude under the same conditions. The simulations for Raman amplifier propagation equations demonstrate that our methods can increase the computing speed by more than 5 times, extend the step size significantly, and improve the stability in comparison with the Dormand-Prince method. The numerical results show that the combination of the multiple shooting algorithms and the proposed methods has the capacity to rapidly and effectively solve the model equations of multipump Raman amplifiers under various conditions such as co-, counter- and bi-directionally pumped schemes, as well as dual-order pumped schemes.

便携式移动机器人姿态解算方法

本文根据便携式移动机器人的特点,采用四元数法解算机器人导航系统的姿态,避免了在机器人运动角度较大时出现奇异点的问题。文中应用改进的四阶龙格-库塔算法解算四元数微分方程,经仿真实验,精度完全能够达到要求。给出了合理的变换公式,在机器人运动范围内,满足了四元数与欧拉角之间转换的一一对应。

Analysis of multirate behavior in electronic systems

Esta tese insere-se na área da simulação de circuitos de RF e microondas, e visa o estudo de ferramentas computacionais inovadoras que consigam simular, de forma eficiente, circuitos não lineares e muito heterogéneos, contendo uma estrutura combinada de blocos analógicos de RF e de banda base e blocos digitais, a operar em múltiplas escalas de tempo. Os métodos numéricos propostos nesta tese baseiam-se em estratégias multi-dimensionais, as quais usam múltiplas variáveis temporais definidas em domínios de tempo deformados e não deformados, para lidar, de forma eficaz, com as disparidades existentes entre as diversas escalas de tempo. De modo a poder tirar proveito dos diferentes ritmos de evolução temporal existentes entre correntes e tensões com variação muito rápida (variáveis de estado activas) e correntes e tensões com variação lenta (variáveis de estado latentes), são utilizadas algumas técnicas numéricas avançadas para operar dentro dos espaços multi-dimensionais, como, por exemplo, os algoritmos multi-ritmo de Runge-Kutta, ou o método das linhas. São também apresentadas algumas estratégias de partição dos circuitos, as quais permitem dividir um circuito em sub-circuitos de uma forma completamente automática, em função dos ritmos de evolução das suas variáveis de estado. Para problemas acentuadamente não lineares, são propostos vários métodos inovadores de simulação a operar estritamente no domínio do tempo. Para problemas com não linearidades moderadas é proposto um novo método híbrido frequência-tempo, baseado numa combinação entre a integração passo a passo unidimensional e o método seguidor de envolvente com balanço harmónico. O desempenho dos métodos é testado na simulação de alguns exemplos ilustrativos, com resultados bastante promissores. Uma análise comparativa entre os métodos agora propostos e os métodos actualmente existentes para simulação RF, revela ganhos consideráveis em termos de rapidez de computação.

Lagrangian transport of particles in Ria de Aveiro lagoon, Portugal

A two-dimensional vertically integrated hydrodynamic model coupled to a particle tracking model is applied to study the dispersion processes and residence time in Ria de Aveiro lagoon (Portugal). The only dispersion process that is considered in this study is the advection, according to the main characteristics of the local hydrodynamic. The particle tracking model computes the particles position at each time step, using a fourth-order Runge-Kutta integration method. The dispersion of passive particles released along the lagoon and in critical areas are studied in this work. The residence time is also determined for the entire lagoon. The results show that the mixture between particles coming from different channels of the lagoon is negligible in a time scale higher than 2 tidal cycles. The residence time for the lagoon central area is about 2 days, revealing a strong marine influence in this area. At the upper reaches of the channels were found values higher than 2 weeks.