高频可变间距全息光栅的制作方法的计算机模拟研究

提出了一种制作高频线性可变频率光栅的新方法，并给出了光栅空间频率的表达式．通过在相干的两光路中插入特殊透镜，可以实现线性可变空间频率光栅的制作，而且通过适当地调节实验参数可以改变空间频率的变化率．给出了相应的模拟全息图。

Towards understanding the mixing characteristics of turbulent buoyant flows

This work proposes a new simulation methodology in which variable density turbulent flows can be studied in the context of a mixing layer with or without the presence of gravity. Specifically, this methodology is developed to probe the nature of non-buoyantly-driven (i.e. isotropically-driven) or buoyantly-driven mixing deep inside a mixing layer. Numerical forcing methods are incorporated into both the velocity and scalar fields, which extends the length of time over which mixing physics can be studied. The simulation framework is designed to allow for independent variation of four non-dimensional parameters, including the Reynolds, Richardson, Atwood, and Schmidt numbers. Additionally, the governing equations are integrated in such a way to allow for the relative magnitude of buoyant energy production and non-buoyant energy production to be varied.

The computational requirements needed to implement the proposed configuration are presented. They are justified in terms of grid resolution, order of accuracy, and transport scheme. Canonical features of turbulent buoyant flows are reproduced as validation of the proposed methodology. These features include the recovery of isotropic Kolmogorov scales under buoyant and non-buoyant conditions, the recovery of anisotropic one-dimensional energy spectra under buoyant conditions, and the preservation of known statistical distributions in the scalar field, as found in other DNS studies.

This simulation methodology is used to perform a parametric study of turbulent buoyant flows to discern the effects of varying the Reynolds, Richardson, and Atwood numbers on the resulting state of mixing. The effects of the Reynolds and Atwood numbers are isolated by looking at two energy dissipation rate conditions under non-buoyant (variable density) and constant density conditions. The effects of Richardson number are isolated by varying the ratio of buoyant energy production to total energy production from zero (non-buoyant) to one (entirely buoyant) under constant Atwood number, Schmidt number, and energy dissipation rate conditions. It is found that the major differences between non-buoyant and buoyant turbulent flows are contained in the transfer spectrum and longitudinal structure functions, while all other metrics are largely similar (e.g. energy spectra, alignment characteristics of the strain-rate tensor). Also, despite the differences noted between fully buoyant and non-buoyant turbulent fields, the scalar field, in all cases, is unchanged by these. The mixing dynamics in the scalar field are found to be insensitive to the source of turbulent kinetic energy production (non-buoyant vs. buoyant).

Análise das alterações decorrentes do envelhecimento na mecânica respiratória pela técnica de oscilações forçadas

O crescimento do percentual de idosos na população ocorre mundialmente tornando necessário conhecer o impacto do processo de envelhecimento, neste contexto, do sistema respiratório. O desconhecimento do impacto do envelhecimento associado a diferentes graus de exposição a poluentes e a presença de comorbidade(s) dificulta a diagnose das pneumopatias acarretando aos idosos piora da qualidade de vida. São vantagens da Técnica de Oscilações Forçadas (FOT): alto potencial de aplicação em idosos, fácil realização, análise detalhada da mecânica respiratória, desempenho de papel complementar, bem como de alternativa na impossibilidade de realização dos exames tradicionais. Foi realizado um estudo experimental comparativo que objetivou investigar o impacto do envelhecimento no sistema respiratório pela FOT e pela espirometria entre grupos de diferentes faixas etárias, sendo a idade a variável independente e as variáveis dependentes, os parâmetros oscilométricos resistência em regime contínuo (R0) e das vias aéreas centrais (Rm), inclinação da resistência (S), frequência de ressonância (fr), reatância média (Xm), complacência dinâmica (Cdin,sr) e os parâmetros espirométricos (VEF1, CVF, VEF1/CVF e FEF/CVF). Foram realizados entrevista, exame clínico, radiografia torácica, avaliação da mecânica respiratória pela FOT e da função pulmonar pela espirometria. 255 indivíduos com idades entre 20 e 86 anos foram entrevistados. Destes, 175 foram excluídos, restando os 80 voluntários analisados, que foram divididos em 6 grupos de acordo com a faixa etária (A: 20 a 29 anos; B: 30 a 39 anos; C: 40 a 49 anos; D: 50 a 59 anos; E: 60 a 69 anos; F: 70 anos ou mais). Foram utilizados os testes de Shapiro-Wilkins, na avaliação da normalidade dos dados biométricos em cada grupo, Oneway ANOVA, na comparação entre os grupos, e Tukey HSD na comparação entre as classes subjacentes. A análise da associação entre duas variáveis foi realizada inicialmente pela regressão univariada entre os parâmetros oscilométricos, a idade e a altura. A regressão múltipla entre os parâmetros oscilométricos, idade e altura foi realizada em conjunto. Foi realizada a análise de confundimento ou modificação de efeito sobre o parâmetro altura na relação entre a idade e os parâmetros oscilométricos. A correção pelo fator altura foi realizada quando sua análise apresentava fator de confundimento. Quanto aos parâmetros resistivos, não foram observadas alterações em R0 e Rm com o envelhecimento enquanto que o declínio observado em S é discreto e não-significativo. Em relação aos parâmetros reativos, verificouse que Cdin,sr e Xm diminuem enquanto que fr aumenta com o processo de envelhecimento. Todas estas alterações são significativas. Todavia, a diminuição da Cdin,sr não apresenta relação com a idade e sim com a altura, que constituiu modificação do efeito. Nos demais parâmetros oscilométricos, a altura constituiu fator de confundimento. Quanto à espirometria, observou-se declínio significativo do VEF1, do VEF1/CVF e da CVF. O índice FEF/CVF apresentou declínio nãosignificativo. Concluindo, a resistência do sistema respiratório e a complacência dinâmica não se modificam enquanto a homogeneidade do sistema respiratório diminui com o processo de envelhecimento.

Dynamic rupture simulation integrated with earthquake observations

Dynamic rupture simulations are unique in their contributions to the study of earthquake physics. The current rapid development of dynamic rupture simulations poses several new questions: Do the simulations reflect the real world? Do the simulations have predictive power? Which one should we believe when the simulations disagree? This thesis illustrates how integration with observations can help address these questions and reduce the effects of non-uniqueness of both dynamic rupture simulations and kinematic inversion problems. Dynamic rupture simulations with observational constraints can effectively identify non-physical features inferred from observations. Moreover, the integrative technique can also provide more physical insights into the mechanisms of earthquakes. This thesis demonstrates two examples of such kinds of integration: dynamic rupture simulations of the M_w 9.0 2011 Tohoku-Oki earthquake and of earthquake ruptures in damaged fault zones:

(1) We develop simulations of the Tohoku-Oki earthquake based on a variety of observations and minimum assumptions of model parameters. The simulations provide realistic estimations of stress drop and fracture energy of the region and explain the physical mechanisms of high-frequency radiation in the deep region. We also find that the overridding subduction wedge contributes significantly to the up-dip rupture propagation and large final slip in the shallow region. Such findings are also applicable to other megathrust earthquakes.

(2) Damaged fault zones are usually found around natural faults, but their effects on earthquake ruptures have been largely unknown. We simulate earthquake ruptures in damaged fault zones with material properties constrained by seismic and geological observations. We show that reflected waves in fault zones are effective at generating pulse-like ruptures and head waves tend to accelerate and decelerate rupture speeds. These mechanisms are robust in natural fault zones with large attenuation and off-fault plasticity. Moreover, earthquakes in damaged fault zones can propagate at super-Rayleigh speeds that are unstable in homogeneous media. Supershear transitions in fault zones do not require large fault stresses. In the end, we present observations in the Big Bear region, where variability of rupture speeds of small earthquakes correlates with the laterally variable materials in a damaged fault zone.

Avaliação nutricional do paciente com doença hepática crônica

Além de muito freqüente, a desnutrição associa-se a morbi/mortalidade em pacientes com doenças hepáticas crônicas. A avaliação do estado nutricional em hepatopatas é difícil pela sobrecarga hídrica e pela alteração na síntese protéica, fatores que alteram os parâmetros tradicionalmente usados na avaliação nutricional. Os objetivos são:a)avaliar o estado nutricional, através da AGS, antropometria, do escore de Mendenhall e da combinação de todos os instrumentos, em pacientes com doença hepática crônica; b)correlacionar o estado nutricional com a gravidade de doença hepática crônica; c)determinar a contribuição da dinamometria do aperto de mão para a avaliação do estado nutricional. Foram incluídos 305 pacientes portadores de doenças hepáticas crônicas, com idade de 18-80 anos, atendidos no ambulatório de doenças hepatobiliares do Hospital Universitátio Pedro Ernesto. A gravidade da doença hepática foi avaliada pela classificação de Child-Pugh e escore de Meld. Foram aferidos parâmetros antropométricos (peso, altura, índice de massa corporal, prega cutânea triciptal, circunferência do braço, circunferência muscular do braço), parâmetros bioquímicos (albumina e contagem total de linfócitos), Avaliação Global Subjetiva, escore de Mendenhall e força do aperto de mão pela dinamometria. Os valores da porcentagem de adequação dos parâmetros foram utilizados para a classificação da desnutrição. Consideramos todos os pacientes com porcentagens de adequação abaixo de 90% como desnutridos. Foi criado o escore risco de desnutrição que se caracterizou pela alteração em qualquer um dos parâmetros da avaliação nutricional. Cerca de 53% dos pacientes eram do sexo masculino, 43% portadores de cirrose hepática, 80% com etiologia viral e média de idade de 54 12 anos. Houve relação estatisticamente significativa entre a classificação funcional da doença hepática e a AGS, o escore de Mendenhall e o de risco de desnutrição. A avaliação isolada da antropometria não se correlacionou com a classificação funcional. Segundo a AGS, a prevalência de desnutrição foi de 10% na hepatopatia não cirrótica, 16% na cirrose compensada e 94% na cirrose descompensada. Segundo o escore de Mendenhall, as cifras foram de 31%, 38% e 56%, respectivamente. Segundo o novo escore, as cifras foram de 52%, 60% e 96%, respectivamente. Embora tenha havido uma redução estatisticamente significativa da força muscular com o agravamento do estado nutricional, não foi possível estabelecer um ponto de corte para os valores da dinamometria. A análise do desempenho do percentual de adequação da força muscular como critério diagnóstico de pacientes sob risco de desnutrição revelou provavelmente 56% de falso-positivos e 24% de falso-negativos. A grande variação na prevalência de desnutrição em pacientes com doença hepática depende do instrumento de avaliação nutricional usado e da classificação funcional da doença hepática. Não surpreendentemente, os escores combinados detectaram as maiores taxas de prevalência de desnutrição. Houve associação significativa entre o estado nutricional e a gravidade da doença hepática. O aumento das taxas de prevalência de desnutrição trazido pela dinamometria ocorreu às custas de resultados falso-positivos.

Aplicação da técnica de eletrofloculação utilizando corrente alternada de frequência variável no tratamento de água de produção da indústria do petróleo

O principal objetivo da tese está relacionado ao tratamento de águas oleosas através da eletrofloculação utilizando corrente alternada de frequência variável, o qual procurou explorar as potencialidades desta técnica. Com a crescente demanda por petróleo e seus derivados, é cada vez maior a produção dessas águas residuárias que, antes de serem descartadas, precisam ser submetidas a tratamento que satisfaçam aos requisitos legais. O trabalho apresentado descreve o levantamento bibliográfico e os resultados dos ensaios realizados, empregando o tratamento de eletrofloculação com a finalidade de remover as substâncias consideradas poluentes presentes nestes efluentes. O processo de eletrofloculação foi testado tanto para o tratamento em corrente continua quanto em corrente alternada de frequência variável em efluentes sintéticos e reais de alta salinidade, contendo teores elevados de óleos e graxas, turbidez e cor. Eficiências de redução de 99% para óleos e graxas, cor e turbidez foram obtidos utilizando eletrodos de alumínio. O processo de eletrofloculação demonstrou-se bastante vantajoso em função da alta condutividade que permite o tratamento com menor consumo energético. A tecnologia de eletrofloculação com corrente alternada quando comparada com a tecnologia de corrente contínua se mostrou muito eficiente em relação a economia no desgaste de massa de eletrodos, o que, dependendo do tempo de aplicação da corrente elétrica nas mesmas condições de estudo, houve redução de mais da metade do consumo.

I. The effects of variations in certain parameters upon the efficiency of in vivo hemodialysis with a Kiil dialyzer. II. Interfacial structure of concurrent air-water flow in a two-inch diameter horizontal tube.

Part I

Regression analyses are performed on in vivo hemodialysis data for the transfer of creatinine, urea, uric acid and inorganic phosphate to determine the effects of variations in certain parameters on the efficiency of dialysis with a Kiil dialyzer. In calculating the mass transfer rates across the membrane, the effects of cell-plasma mass transfer kinetics are considered. The concept of the effective permeability coefficient for the red cell membrane is introduced to account for these effects. A discussion of the consequences of neglecting cell-plasma kinetics, as has been done to date in the literature, is presented.

A physical model for the Kiil dialyzer is presented in order to calculate the available membrane area for mass transfer, the linear blood and dialysate velocities, and other variables. The equations used to determine the independent variables of the regression analyses are presented. The potential dependent variables in the analyses are discussed.

Regression analyses were carried out considering overall mass-transfer coefficients, dialysances, relative dialysances, and relative permeabilities for each substance as the dependent variables. The independent variables were linear blood velocity, linear dialysate velocity, the pressure difference across the membrane, the elapsed time of dialysis, the blood hematocrit, and the arterial plasma concentrations of each substance transferred. The resulting correlations are tabulated, presented graphically, and discussed. The implications of these correlations are discussed from the viewpoint of a research investigator and from the viewpoint of patient treatment.

Recommendations for further experimental work are presented.

Part II

The interfacial structure of concurrent air-water flow in a two-inch diameter horizontal tube in the wavy flow regime has been measured using resistance wave gages. The median water depth, r.m.s. wave height, wave frequency, extrema frequency, and wave velocity have been measured as functions of air and water flow rates. Reynolds numbers, Froude numbers, Weber numbers, and bulk velocities for each phase may be calculated from these measurements. No theory for wave formation and propagation available in the literature was sufficient to describe these results.

The water surface level distribution generally is not adequately represented as a stationary Gaussian process. Five types of deviation from the Gaussian process function were noted in this work. The presence of the tube walls and the relatively large interfacial shear stresses precludes the use of simple statistical analyses to describe the interfacial structure. A detailed study of the behavior of individual fluid elements near the interface may be necessary to describe adequately wavy two-phase flow in systems similar to the one used in this work.

The variations and climatic significance of D/H ratios in the carbon-bound hydrogen of cellulose in trees

The σD values of nitrated cellulose from a variety of trees covering a wide geographic range have been measured. These measurements have been used to ascertain which factors are likely to cause σD variations in cellulose C-H hydrogen.

It is found that a primary source of tree σD variation is the σD variation of the environmental precipitation. Superimposed on this are isotopic variations caused by the transpiration of the leaf water incorporated by the tree. The magnitude of this transpiration effect appears to be related to relative humidity.

Within a single tree, it is found that the hydrogen isotope variations which occur for a ring sequence in one radial direction may not be exactly the same as those which occur in a different direction. Such heterogeneities appear most likely to occur in trees with asymmetric ring patterns that contain reaction wood. In the absence of reaction wood such heterogeneities do not seem to occur. Thus, hydrogen isotope analyses of tree ring sequences should be performed on trees which do not contain reaction wood.

Comparisons of tree σD variations with variations in local climate are performed on two levels: spatial and temporal. It is found that the σD values of 20 North American trees from a wide geographic range are reasonably well-correlated with the corresponding average annual temperature. The correlation is similar to that observed for a comparison of the σD values of annual precipitation of 11 North American sites with annual temperature. However, it appears that this correlation is significantly disrupted by trees which grew on poorly drained sites such as those in stagnant marshes. Therefore, site selection may be important in choosing trees for climatic interpretation of σD values, although proper sites do not seem to be uncommon.

The measurement of σD values in 5-year samples from the tree ring sequences of 13 trees from 11 North American sites reveals a variety of relationships with local climate. As it was for the spatial σD vs climate comparison, site selection is also apparently important for temporal tree σD vs climate comparisons. Again, it seems that poorly-drained sites are to be avoided. For nine trees from different "well-behaved" sites, it was found that the local climatic variable best related to the σD variations was not the same for all sites.

Two of these trees showed a strong negative correlation with the amount of local summer precipitation. Consideration of factors likely to influence the isotopic composition of summer rain suggests that rainfall intensity may be important. The higher the intensity, the lower the σD value. Such an effect might explain the negative correlation of σD vs summer precipitation amount for these two trees. A third tree also exhibited a strong correlation with summer climate, but in this instance it was a positive correlation of σD with summer temperature.

The remaining six trees exhibited the best correlation between σD values and local annual climate. However, in none of these six cases was it annual temperature that was the most important variable. In fact annual temperature commonly showed no relationship at all with tree σD values. Instead, it was found that a simple mass balance model incorporating two basic assumptions yielded parameters which produced the best relationships with tree σD values. First, it was assumed that the σD values of these six trees reflected the σD values of annual precipitation incorporated by these trees. Second, it was assumed that the σD value of the annual precipitation was a weighted average of two seasonal isotopic components: summer and winter. Mass balance equations derived from these assumptions yielded combinations of variables that commonly showed a relationship with tree σD values where none had previously been discerned.

It was found for these "well-behaved" trees that not all sample intervals in a σD vs local climate plot fell along a well-defined trend. These departures from the local σD VS climate norm were defined as "anomalous". Some of these anomalous intervals were common to trees from different locales. When such widespread commonalty of an anomalous interval occurred, it was observed that the interval corresponded to an interval in which drought had existed in the North American Great Plains.

Consequently, there appears to be a combination of both local and large scale climatic information in the σD variations of tree cellulose C-H hydrogen.

Modelagem do Equilíbrio de Fases entre Hidrocarbonetos Leves e Pesados

O comportamento de fases para sistemas binários com um hidrocarboneto leve e um pesado é muito importante tanto para o projeto real de um processo quanto para o desenvolvimento de modelos teóricos. Para atender a crescente demanda por informação experimental de equilíbrio de fases a altas pressões, o objetivo deste estudo é obter uma metodologia que substitua parcialmente ou maximize a pouca informação experimental disponível. Para isto propõe-se a modelagem do equilíbrio de fases em misturas de hidrocarboneto leve com um pesado, sem o conhecimento da estrutura molecular do pesado, inferindo-se os parâmetros do modelo a partir da modelagem de dados de ponto de bolha obtidos na literatura. Esta metodologia implica não só na descrição do equilíbrio de fases de um sistema como na estimação das propriedades críticas do pesado, de difícil obtenção devido ao craqueamento destes a altas temperaturas. Neste contexto, este estudo apresenta uma estratégia que estima indiretamente as propriedades críticas dos compostos pesados. Para isto, foram correlacionados dados experimentais de ponto de bolha de misturas binárias contendo um hidrocarboneto leve e um pesado, usando-se dois modelos: o de Peng-Robinson e o TPT1M (Teoria da Polimerização Termodinâmica de primeira ordem de Wertheim modificada). Os parâmetros ajustados com o modelo de Peng-Robinson correspondem diretamente às propriedades críticas do composto pesado, enquanto os ajustados com o modelo TPT1M foram usados para obtê-las. Esta estratégia fornece parâmetros dependentes do modelo, porém permite o cálculo de outras propriedades termodinâmicas, como a extrapolação da temperatura dos dados estudados. Além disso, acredita-se que a correlação dos parâmetros obtidos com as propriedades críticas disponíveis ajudará na caracterização de frações pesadas de composição desconhecida

Neutron-neutron scattering parameters from the ^3He(d,t)2p and ^3H(d,^3He)2n reactions

The energy spectra of tritons and Helium-3 nuclei from the reactions ³He(d,t)2p, ³H(d,³He)2n, ³He(d,³He)pn, and ³H(d,t)pn were measured between 6° and 20° at a bombarding energy of 10.9 MeV. An upper limit of 5 μb/sr. was obtained for producing a bound di-neutron at 6° and 7.5°. The ³He(d,t)2p and ³H(d,³He)2n data, together with previous measurements at higher energies, have been used to investigate whether one can unambiguously extract information on the two-nucleon system from these three-body final state reactions. As an aid to these theoretical investigations, Born approximation calculations were made employing realistic nucleon-nucleon potentials and an antisymmetrized final state wave function for the five-particle system. These calculations reproduce many of the features observed in the experimental data and indicate that the role of exchange processes cannot be ignored. The results show that previous attempts to obtain information on the neutron-neutron scattering length from the ³H(d,³He)2n reaction may have seriously overestimated the precision that could be attained.

Controles da produção primária em um Córrego de Mata Atlântica

Esta dissertação consiste de dois capítulos, cada um correspondendo a um estudo realizado de modo independente. Em um córrego de Mata Atlântica, Rio de Janeiro, Brasil, foram estudados efeitos de herbívoros e de controles ambientais no perifíton. No primeiro trabalho foram testados os efeitos do camarão Potimirim glabra, um engenheiro do ecossistema, nos parâmetros metabólicos de comunidades perifíticas (Produção, Respiração, Metabolismo Líquido da Comunidade e razão Produção:Respiração). O tratamento de inclusão de Potimirim produziu resultados inversos aos esperados, com aumento da clorofila e massa seca das comunidades perifíticas, levantando dúvida com relação à eficácia dos tratamentos. Nenhuma das variáveis metabólicas esteve relacionada aos tratamentos. Considera-se que efeitos artefato da gaiola utilizada na inclusão dos camarões podem ter prejudicado o efeito esperado de remoção de material pelos camarões. Os resultados podem indicar, entretanto, que para o efeito de herbívoros os parâmetros clorofila e massa seca sejam mais sensíveis e variáveis que os metabólicos para as comunidades estudadas. São recomendados futuros trabalhos com metodologias que reduzam os efeitos artefato, tais como exclusão de herbívoros com cercas elétricas. No segundo trabalho, foram estudados os estoques, a distribuição e os controles da biomassa perifítica para o córrego. Entre os substratos estudados, a areia apresentou os maiores estoques, com 5 vezes mais clorofila e 20 vezes mais massa seca que os substratos pedra e folha. Diferenças entre trechos com diferentes densidades do camarão herbívoro Potimirim glabra revelaram para o substrato pedra menores valores de massa seca para os locais onde o camarão é mais numeroso. Entre as variáveis ambientais, apenas a profundidade esteve relacionada aos dados de biomassa nos substratos pedra e areia. A comparação dos dados deste estudo com trabalhos anteriores pode indicar que distúrbios provocados por enchentes podem alterar os estoques e os padrões de distribuição para este córrego.