Determinação de integrais primeiras liouvillianas em equações diferenciais ordinárias de segunda ordem

Nesta Tese desenvolvemos várias abordagens "Darbouxianas"para buscar integrais primeiras (elementares e Liouvillianas) de equações diferenciais ordinárias de segunda ordem (2EDOs) racionais. Os algoritmos (semi-algoritmos) que desenvolvemos seguem a linha do trabalho de Prelle e Singer. Basicamente, os métodos que buscam integrais primeiras elementares são uma extensão da técnica desenvolvida por Prelle e Singer para encontrar soluções elementares de equações diferenciais ordinárias de primeira ordem (1EDOs) racionais. O procedimento que lida com 2EDOs racionais que apresentam integrais primeiras Liouvillianas é baseado em uma extensão ao nosso método para encontrar soluções Liouvillianas de 1EDOs racionais. A ideia fundamental por tras do nosso trabalho consiste em que os fatores integrantes para 1-formas polinomiais geradas pela diferenciação de funções elementares e Liouvillianas são formados por certos polinômios denominados polinômios de Darboux. Vamos mostrar como combinar esses polinômios de Darboux para construir fatores integrantes e, de posse deles, determinar integrais primeiras. Vamos ainda discutir algumas implementações computacionais dos semi-algoritmos.

Desenvolvimento e avaliação de novas abordagens de modelagem de processos de separação em leito móvel simulado

O Leito Móvel Simulado (LMS) é um processo de separação de compostos por adsorção muito eficiente, por trabalhar em um regime contínuo e também possuir fluxo contracorrente da fase sólida. Dentre as diversas aplicações, este processo tem se destacado na resolução de petroquímicos e principalmente na atualidade na separação de misturas racêmicas que são separações de um grau elevado de dificuldade. Neste trabalho foram propostas duas novas abordagens na modelagem do LMS, a abordagem Stepwise e a abordagem Front Velocity. Na modelagem Stepwise as colunas cromatográficas do LMS foram modeladas com uma abordagem discreta, onde cada uma delas teve seu domínio dividido em N células de mistura interligadas em série, e as concentrações dos compostos nas fases líquida e sólida foram simuladas usando duas cinéticas de transferência de massa distintas. Essa abordagem pressupõe que as interações decorrentes da transferência de massa entre as moléculas do composto nas suas fases líquida e sólida ocorram somente na superfície, de forma que com essa suposição pode-se admitir que o volume ocupado por cada molécula nas fases sólida e líquida é o mesmo, o que implica que o fator de residência pode ser considerado igual a constante de equilíbrio. Para descrever a transferência de massa que ocorre no processo cromatográfico a abordagem Front Velocity estabelece que a convecção é a fase dominante no transporte de soluto ao longo da coluna cromatográfica. O Front Velocity é um modelo discreto (etapas) em que a vazão determina o avanço da fase líquida ao longo da coluna. As etapas são: avanço da fase líquida e posterior transporte de massa entre as fases líquida e sólida, este último no mesmo intervalo de tempo. Desta forma, o fluxo volumétrico experimental é utilizado para a discretização dos volumes de controle que se deslocam ao longo da coluna porosa com a mesma velocidade da fase líquida. A transferência de massa foi representada por dois mecanismos cinéticos distintos, sem (tipo linear) e com capacidade máxima de adsorção (tipo Langmuir). Ambas as abordagens propostas foram estudadas e avaliadas mediante a comparação com dados experimentais de separação em LMS do anestésico cetamina e, posteriormente, com o fármaco Verapamil. Também foram comparados com as simulações do modelo de equilíbrio dispersivo para o caso da Cetamina, usado por Santos (2004), e para o caso do Verapamil (Perna 2013). Na etapa de caracterização da coluna cromatográfica as novas abordagens foram associadas à ferramenta inversa R2W de forma a determinar os parâmetros globais de transferência de massa apenas usando os tempos experimentais de residência de cada enantiômero na coluna de cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE). Na segunda etapa os modelos cinéticos desenvolvidos nas abordagens foram aplicados nas colunas do LMS com os valores determinados na caracterização da coluna cromatográfica, para a simulação do processo de separação contínua. Os resultados das simulações mostram boa concordância entre as duas abordagens propostas e os experimentos de pulso para a caracterização da coluna na separação enantiomérica da cetamina ao longo do tempo. As simulações da separação em LMS, tanto do Verapamil quando da Cetamina apresentam uma discrepância com os dados experimentais nos primeiros ciclos, entretanto após esses ciclos iniciais a correlação entre os dados experimentais e as simulações. Para o caso da separação da cetamina (Santos, 2004), a qual a concentração da alimentação era relativamente baixa, os modelos foram capazes de predizer o processo de separação com as cinéticas Linear e Langmuir. No caso da separação do Verapamil (Perna, 2013), onde a concentração da alimentação é relativamente alta, somente a cinética de Langmuir representou o processo, devido a cinética Linear não representar a saturação das colunas cromatográficas. De acordo como o estudo conduzido ambas as abordagens propostas mostraram-se ferramentas com potencial na predição do comportamento cromatográfico de uma amostra em um experimento de pulso, assim como na simulação da separação de um composto no LMS, apesar das pequenas discrepâncias apresentadas nos primeiros ciclos de trabalho do LMS. Além disso, podem ser facilmente implementadas e aplicadas na análise do processo, pois requer um baixo número de parâmetros e são constituídas 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.

A simulation model of the dynamics of Peruvian anchoveta (Engraulis ringens)

The article describes the key elements of a model simulating the dynamics of the anchoveta (Engraulis ringens) in the Peruvian upwelling system (4 degrees to 14 degrees South). This model, based on coupled differential equations, is parametrized mainly using empirical data and functional relationships presented in two volumes issued by ICLARM in 1987 and 1989, and may thus be viewed as test of the hypotheses presented therein. Results to date suggest that present knowledge of mechanisms controlling the anchoveta stock is essentially consistent, and sufficient to build a model reflecting essential features of the stock biomass and recruitment dynamics.

Um metodo numerico com paralelismo no tempo para aproximar solucoes de EDPs

Este trabalho de pesquisa tem por objetivo apresentar e investigar a viabilidade de um método numérico que contempla o paralelismo no tempo. Este método numérico está associado a problemas de condição inicial e de contorno para equações diferenciais parciais (evolutivas). Diferentemente do método proposto neste trabalho, a maioria dos métodos numéricos associados a equações diferencias parciais evolutivas e tradicionalmente encontrados, contemplam apenas o paralelismo no espaço. Daí, a motivação em realizar o presente trabalho de pesquisa, buscando não somente um método com paralelismo no tempo mas, sobretudo, um método viável do ponto de vista computacional. Para isso, a implementação do esquema numérico proposto está por conta de um algoritmo paralelo escrito na linguagem C e que utiliza a biblioteca MPI. A análise dos resultados obtidos com os testes de desempenho revelam um método numérico escalável e que exige pouco nível de comunicação entre processadores.

Um modelo físico-matemático para escoamentos em meios porosos com transição insaturado-saturado.

Neste trabalho é apresentada uma nova modelagem matemática para a descrição do escoamento de um líquido incompressível através de um meio poroso rígido homogêneo e isotrópico, a partir do ponto de vista da Teoria Contínua de Misturas. O fenômeno é tratado como o movimento de uma mistura composta por três constituintes contínuos: o primeiro representando a matriz porosa, o segundo representando o líquido e o terceiro representando um gás de baixíssima densidade. O modelo proposto possibilita uma descrição matemática realista do fenômeno de transição insaturado/saturado a partir de uma combinação entre um sistema de equações diferenciais parciais e uma desigualdade. A desigualdade representa uma limitação geométrica oriunda da incompressibilidade do líquido e da rigidez do meio poroso. Alguns casos particulares são simulados e os resultados comparados com resultados clássicos, mostrando as consequências de não levar em conta as restrições inerentes ao problema.

Posicionamento aproximado do estado final para sistemas térmicos descritos pela equação do calor.

Neste trabalho, será considerado um problema de controle ótimo quadrático para a equação do calor em domínios retangulares com condição de fronteira do tipo Dirichlet é nos quais, a função de controle (dependente apenas no tempo) constitui um termo de fonte. Uma caracterização da solução ótima é obtida na forma de uma equação linear em um espaço de funções reais definidas no intervalo de tempo considerado. Em seguida, utiliza-se uma sequência de projeções em subespaços de dimensão finita para obter aproximações para o controle ótimo, o cada uma das quais pode ser gerada por um sistema linear de dimensão finita. A sequência de soluções aproximadas assim obtidas converge para a solução ótima do problema original. Finalmente, são apresentados resultados numéricos para domínios espaciais de dimensão 1.

Dinâmica da condensação de Bose-Einstein em gases fracamente interagentes

A presente dissertação estuda com detalhes a evolução temporal fora do equilíbrio de um condensado de Bose-Einstein homogêneo diluído imerso em um reservatório térmico. Nós modelamos o sistema através de um campo de Bose escalar complexo. É apropriado descrever o comportamento microscópico desse sistema por meio da teoria quântica de campos através do formalismo de Schwinger-Keldysh. Usando esse formalismo, de tempo real a dinâmica do condensado é solucionada por um grupo de equações integro-diferencial auto consistente, essas são solucionadas numericamente. Estudamos também o cenário quench, e como a densidade do gás e as interações entre as flutuações tem o efeito de provocar as instabilidades nesse sistema. Aplicamos esse desenvolvimento para estudar o comportamento de duas espécies homogêneas de um gás de Bose diluído imerso em um reservatório térmico.

SBLOCK: A framework for efficient stencil-based PDE solvers on multi-core platforms

We present a new software framework for the implementation of applications that use stencil computations on block-structured grids to solve partial differential equations. A key feature of the framework is the extensive use of automatic source code generation which is used to achieve high performance on a range of leading multi-core processors. Results are presented for a simple model stencil running on Intel and AMD CPUs as well as the NVIDIA GT200 GPU. The generality of the framework is demonstrated through the implementation of a complete application consisting of many different stencil computations, taken from the field of computational fluid dynamics. © 2010 IEEE.

The post-processed Galerkin method applied to non-linear shell vibrations

We present the results of a computational study of the post-processed Galerkin methods put forward by Garcia-Archilla et al. applied to the non-linear von Karman equations governing the dynamic response of a thin cylindrical panel periodically forced by a transverse point load. We spatially discretize the shell using finite differences to produce a large system of ordinary differential equations (ODEs). By analogy with spectral non-linear Galerkin methods we split this large system into a 'slowly' contracting subsystem and a 'quickly' contracting subsystem. We then compare the accuracy and efficiency of (i) ignoring the dynamics of the 'quick' system (analogous to a traditional spectral Galerkin truncation and sometimes referred to as 'subspace dynamics' in the finite element community when applied to numerical eigenvectors), (ii) slaving the dynamics of the quick system to the slow system during numerical integration (analogous to a non-linear Galerkin method), and (iii) ignoring the influence of the dynamics of the quick system on the evolution of the slow system until we require some output, when we 'lift' the variables from the slow system to the quick using the same slaving rule as in (ii). This corresponds to the post-processing of Garcia-Archilla et al. We find that method (iii) produces essentially the same accuracy as method (ii) but requires only the computational power of method (i) and is thus more efficient than either. In contrast with spectral methods, this type of finite-difference technique can be applied to irregularly shaped domains. We feel that post-processing of this form is a valuable method that can be implemented in computational schemes for a wide variety of partial differential equations (PDEs) of practical importance.

Optimal control with stochastic PDE constraints and uncertain controls

The optimal control of problems that are constrained by partial differential equations with uncertainties and with uncertain controls is addressed. The Lagrangian that defines the problem is postulated in terms of stochastic functions, with the control function possibly decomposed into an unknown deterministic component and a known zero-mean stochastic component. The extra freedom provided by the stochastic dimension in defining cost functionals is explored, demonstrating the scope for controlling statistical aspects of the system response. One-shot stochastic finite element methods are used to find approximate solutions to control problems. It is shown that applying the stochastic collocation finite element method to the formulated problem leads to a coupling between stochastic collocation points when a deterministic optimal control is considered or when moments are included in the cost functional, thereby forgoing the primary advantage of the collocation method over the stochastic Galerkin method for the considered problem. The application of the presented methods is demonstrated through a number of numerical examples. The presented framework is sufficiently general to also consider a class of inverse problems, and numerical examples of this type are also presented. © 2011 Elsevier B.V.

Frictional flow of damp granular material in a conical centrifuge

An analysis is given of velocity and pressure-dependent sliding flow of a thin layer of damp granular material in a spinning cone. Integral momentum equations for steady state, axisymmetric flow are derived using a boundary layer approximation. These reduce to two coupled first-order differential equations for the radial and circumferential sliding velocities. The influence of viscosity and friction coefficients and inlet boundary conditions is explored by presentation of a range of numerical results. In the absence of any interfacial shear traction the flow would, with increasing radial and circumferential slip, follow a trajectory from inlet according to conservation of angular momentum and kinetic energy. Increasing viscosity or friction reduces circumferential slip and, in general, increases the residence time of a particle in the cone. The residence time is practically insensitive to the inlet velocity. However, if the cone angle is very close to the friction angle then the residence time is extremely sensitive to the relative magnitude of these angles. © 2011 Authors.

Eliminating discharge imbalances in predicting shallow water flows with shocks

The shallow water equations are widely used in modelling environmental flows. Being a hyperbolic system of differential equations, they admit shocks that represent hydraulic jumps and bores. Although the water surface can be solved satisfactorily with the modern shock-capturing schemes, the predicted flow rate often suffers from imbalances where shocks occur, eg the mass conservation is violated by failing to maintain a constant discharge rate at every cross-section in a steady open channel flow. A total-variation-diminishing Lax-Wendroff scheme is developed, and used to demonstrate how to achieve an exact flux balance. The performance of the proposed methods is inspected through some test cases, which include 1- and 2-dimensional, flat and irregular bed scenarios. The proposed methods are shown to preserve the mass exactly, and can be easily extended to other shock-capturing models.

Classical plume theory: 1937-2010 and beyond

Developing a theoretical description of turbulent plumes, the likes of which may be seen rising above industrial chimneys, is a daunting thought. Plumes are ubiquitous on a wide range of scales in both the natural and the man-made environments. Examples that immediately come to mind are the vapour plumes above industrial smoke stacks or the ash plumes forming particle-laden clouds above an erupting volcano. However, plumes also occur where they are less visually apparent, such as the rising stream of warmair above a domestic radiator, of oil from a subsea blowout or, at a larger scale, of air above the so-called urban heat island. In many instances, not only the plume itself is of interest but also its influence on the environment as a whole through the process of entrainment. Zeldovich (1937, The asymptotic laws of freely-ascending convective flows. Zh. Eksp. Teor. Fiz., 7, 1463-1465 (in Russian)), Batchelor (1954, Heat convection and buoyancy effects in fluids. Q. J. R. Meteor. Soc., 80, 339-358) and Morton et al. (1956, Turbulent gravitational convection from maintained and instantaneous sources. Proc. R. Soc. Lond. A, 234, 1-23) laid the foundations for classical plume theory, a theoretical description that is elegant in its simplicity and yet encapsulates the complex turbulent engulfment of ambient fluid into the plume. Testament to the insight and approach developed in these early models of plumes is that the essential theory remains unchanged and is widely applied today. We describe the foundations of plume theory and link the theoretical developments with the measurements made in experiments necessary to close these models before discussing some recent developments in plume theory, including an approach which generalizes results obtained separately for the Boussinesq and the non-Boussinesq plume cases. The theory presented - despite its simplicity - has been very successful at describing and explaining the behaviour of plumes across the wide range of scales they are observed. We present solutions to the coupled set of ordinary differential equations (the plume conservation equations) that Morton et al. (1956) derived from the Navier-Stokes equations which govern fluid motion. In order to describe and contrast the bulk behaviour of rising plumes from general area sources, we present closed-form solutions to the plume conservation equations that were achieved by solving for the variation with height of Morton's non-dimensional flux parameter Γ - this single flux parameter gives a unique representation of the behaviour of steady plumes and enables a characterization of the different types of plume. We discuss advantages of solutions in this form before describing extensions to plume theory and suggesting directions for new research. © 2010 The Author. Published by Oxford University Press on behalf of the Institute of Mathematics and its Applications. All rights reserved.