Localização eletrônica de sistemas aperiódicos em uma dimensão

Desde a descoberta do estado quasicristalino por Daniel Shechtman et al. em 1984 e da fabricação por Roberto Merlin et al. de uma superrede artificial de GaAs/ AlAs em 1985 com características da sequência de Fibonacci, um grande número de trabalhos teóricos e experimentais tem relatado uma variedade de propriedades interessantes no comportamento de sistemas aperiódicos. Do ponto de vista teórico, é bem sabido que a cadeia de Fibonacci em uma dimensão se constitui em um protótipo de sucesso para a descrição do estado quasicristalino de um sólido. Dependendo da regra de inflação, diferentes tipos de estruturas aperiódicas podem ser obtidas. Esta diversidade originou as chamadas regras metálicas e devido à possibilidade de tratamento analítico rigoroso este modelo tem sido amplamente estudado. Neste trabalho, propriedades de localização em uma dimensão são analisadas considerando-se um conjunto de regras metálicas e o modelo de ligações fortes de banda única. Considerando-se o Hamiltoniano de ligações fortes com um orbital por sítio obtemos um conjunto de transformações relativas aos parâmetros de dizimação, o que nos permitiu calcular as densidades de estados (DOS) para todas as configurações estudadas. O estudo detalhado da densidade de estados integrada (IDOS) para estes casos, mostra o surgimento de plateaux na curva do número de ocupação explicitando o aparecimento da chamada escada do diabo" e também o caráter fractal destas estruturas. Estudando o comportamento da variação da energia em função da variação da energia de hopping, construímos padrões do tipo borboletas de Hofstadter, que simulam o efeito de um campo magnético atuando sobre o sistema. A natureza eletrônica dos auto estados é analisada a partir do expoente de Lyapunov (γ), que está relacionado com a evolução da função de onda eletrônica ao longo da cadeia unidimensional. O expoente de Lyapunov está relacionado com o inverso do comprimento de localização (ξ= 1 /γ), sendo nulo para os estados estendidos e positivo para estados localizados. Isto define claramente as posições dos principais gaps de energia do sistema. Desta forma, foi possível analisar o comportamento autossimilar de cadeias com diferentes regras de formação. Analisando-se o espectro de energia em função do número de geração de cadeias que seguem as regras de ouro e prata foi feito, obtemos conjuntos do tipo-Cantor, que nos permitiu estudar o perfil do calor específico de uma cadeia e Fibonacci unidimensional para diversas gerações

Uma Simulação computacional do passeio aleatório simples

Em 1828 foi observado um fenômeno no microscópio em que se visualizava minúsculos grãos de pólen mergulhados em um líquido em repouso que mexiam-se de forma aleatória, desenhando um movimento desordenado. A questão era compreender este movimento. Após cerca de 80 anos, Einstein (1905) desenvolveu uma formulação matemática para explicar este fenômeno, tratado por movimento Browniano, teoria cada vez mais desenvolvida em muitas das áreas do conhecimento, inclusive recentemente em modelagem computacional. Objetiva-se pontuar os pressupostos básicos inerentes ao passeio aleatório simples considerando experimentos com e sem problema de valor de contorno para melhor compreensão ao no uso de algoritmos aplicados a problemas computacionais. Foram explicitadas as ferramentas necessárias para aplicação de modelos de simulação do passeio aleatório simples nas três primeiras dimensões do espaço. O interesse foi direcionado tanto para o passeio aleatório simples como para possíveis aplicações para o problema da ruína do jogador e a disseminação de vírus em rede de computadores. Foram desenvolvidos algoritmos do passeio aleatório simples unidimensional sem e com o problema do valor de contorno na plataforma R. Similarmente, implementados para os espaços bidimensionais e tridimensionais,possibilitando futuras aplicações para o problema da disseminação de vírus em rede de computadores e como motivação ao estudo da Equação do Calor, embora necessita um maior embasamento em conceitos da Física e Probabilidade para dar continuidade a tal aplicação.

Análise das deformações dos aterros que compõem a obra do Arco Metropolitano do Rio de Janeiro.

O presente trabalho tem como objetivo a análise numérica do comportamento dos aterros instrumentados que compõem a obra do Arco Metropolitano do Rio de Janeiro. Os resultados da instrumentação de campo serão retroanalisados, juntamente com dados disponíveis na literatura, buscando-se a definição de parâmetros confiáveis, representativos do comportamento da argila compressível da região em estudo. O Arco Metropolitano do Rio de Janeiro é uma rodovia projetada que servirá como ligação entre as principais rodovias que cortam o município do Rio de Janeiro. Devido a presença de grandes espessuras de solo compressível em alguns trechos da região, cortados pelo traçado da rodovia, instrumentos de monitoramento, como placas de recalque e inclinômetros, foram utilizados para avaliar os deslocamentos verticais e horizontais dos aterros durante o processo construtivo. Para este trabalho foram selecionados trechos de aterros representativos, devido à magnitude dos recalques, qualidade do resultado da instrumentação e diferentes métodos construtivos. A partir da análise dos parâmetros de projeto e dos parâmetros encontrados na literatura, procede-se à simulação numérica do processo construtivo dos aterros selecionados com o programa PLAXIS, de elementos finitos, através de modelagem bidimensional. Os resultados numéricos são confrontados com a instrumentação de campo (placas de recalque e inclinômetros) e com os resultados de previsões teóricas (teoria de adensamento unidimensional). Os resultados comprovaram que a modelagem numérica mostrou-se uma ferramenta adequada para a previsão dos recalques totais, tempos de adensamento e ganho de resistência ao longo do tempo. A retroanálise do comportamento de aterros sobre solos moles permite a reavaliação das premissas de projeto, uma vez que as limitações das teorias de análise e a dificuldade na seleção de parâmetros, muitas vezes acarretam em estimativas de recalque incoerentes com as observações de campo.

Aplicação da equação de Poisson-Boltzmann modificada em sistemas biológicos: análise da partição iônica em um eritrócito

Neste trabalho, a partição iônica e o potencial de membrana em um eritrócito são analisados via equação de Poisson-Boltzmann modificada, considerando as interações não eletrostáticas presentes entre os íons e macromoléculas, assim como, o potencial β. Este potencial é atribuído à diferença de potencial químico de referência entre os meios intracelular e extracelular e ao transporte ativo de íons. O potencial de Gibbs-Donnan via equação de Poisson-Boltzmann na presença de carga fixa em um sistema contendo uma membrana semipermeável também é estudado. O método de aproximação paraboloide em elementos finitos em um sistema estacionário e unidimensionalé aplicado para resolver a equação de Poisson-Boltzmann em coordenadas cartesianas e esféricas. O parâmetro de dispersão relativo às interações não eletrostáticas écalculado via teoria de Lifshitz. Os resultados em relação ao potencial de Gibbs-Donnan mostram-se adequados, podendo ser calculado pela equação de Poisson-Boltzmann. No sistema contendo um eritrócito, quando o potencial β é considerado igual a zero, não se verifica a diferença iônica observada experimentalmente entre os meios intracelular e extracelular. Dessa forma, os potenciais não eletrostáticos calculados via teoria de Lifshitz têm apenas uma pequena influência no que se refere à alta concentração de íon K+ no meio intracelular em relação ao íon Na+

Condições de contorno tipo albedo para cálculos globais de reatores nucleares com o modelo de dois grupos de energia na formulação de transporte SN em geometria bidimensional cartesiana

Os eventos de fissão nuclear, resultados da interação dos nêutrons com os núcleos dos átomos do meio hospedeiro multiplicativo, não estão presentes em algumas regiões dos reatores nucleares, e.g., moderador, refletor, e meios estruturais. Nesses domínios espaciais não há geração de potência nuclear térmica e, além disso, comprometem a eficiência computacional dos cálculos globais de reatores nucleares. Propomos nesta tese uma estratégia visando a aumentar a eficiência computacional dessas simulações eliminando os cálculos numéricos explícitos no interior das regiões não-multiplicativas (baffle e refletor) em torno do núcleo ativo. Apresentamos algumas modelagens e discutimos a eficiência da aplicação dessas condições de contorno aproximadas tipo albedo para uma e duas regiões nãomultiplicativas, na formulação de ordenadas discretas (SN) para problemas de autovalor a dois grupos de energia em geometria bidimensional cartesiana. A denominação Albedo, palavra de origem latina para alvura, foi originalmente definida como a fração da luz incidente que é refletida difusamente por uma superfície. Esta denominação latina permaneceu como o termo científico usual em astronomia e, nesta tese, este conceito é estendido para reflexão de nêutrons. Estas condições de contorno tipo albedo SN não-convencional substituem aproximadamente as regiões de baffle e refletor no em torno do núcleo ativo do reator, desprezando os termos de fuga transversal no interior dessas regiões. Se o problema, em particular, não possui termos de fuga transversal, i.e., trata-se de um problema unidimensional, então as condições de contorno albedo, como propostas nesta tese, são exatas. Por eficiência computacional entende-se a análise da precisão dos resultados numéricos em comparação com o tempo de execução computacional de cada simulação de um dado problema-modelo. Resultados numéricos considerando dois problemas-modelo com de simetria são considerados para ilustrar esta análise de eficiência.

Time-resolved volumetric measurement of fine-scale coherent structures in turbulence.

We present full volumetric (three-dimensional) time-resolved (+one-dimensional) measurements of the velocity field in a large water mixing tank, allowing us to assess spatial and temporal rotational energy (enstrophy) and turbulent energy dissipation intermittency. In agreement with previous studies, highly intermittent behavior is observed, with intense coherent flow structures clustering in the periphery of larger vortices. However, further to previous work the full volumetric measurements allow us to separate out the effects of advection from other effects, elucidating not only their topology but also the evolution of these intense events, through the local balance of stretching and diffusion. These findings contribute toward a better understanding of the intermittency phenomenon, which should pave the way for more accurate models of the small-scale motions based on an understanding of the underlying flow physics.

Flexoelectro-optic properties of chiral nematic liquid crystals in the uniform standing helix configuration.

The flexoelectro-optic effect describes the rotation of the optic axis of a short-pitch chiral nematic liquid crystal under the application of an electric field. We investigate the effect in the uniform standing helix, or "Grandjean" configuration. An in-plane electric field is applied. The director profile is determined numerically using a static one-dimensional continuum model with strong surface anchoring. The Berreman method is used to solve for plane-wave solutions to Maxwell's equations, and predict the optical properties of the resulting structure in general cases. By using a chiral nematic with short pitch between crossed polarizers an optical switch may be generated. With no applied field the configuration is nontransmissive at normal incidence, but becomes transmissive with an applied field. For this case, numerical results using the Berreman method are supplemented with an analytic theory and found to be in good agreement. The transmitted intensity as a function of tilt, the contrast ratio, and the tilt required for full intensity modulation are presented. The angular dependence of the transmission is calculated and the isocontrast curves are plotted. For typical material and cell parameters a switching speed of 0.017 ms and contrast ratio of 1500:1 at normal incidence are predicted, at a switch-on tilt of 41.5 degrees. Experimental verification of the analytic and numerical models is provided.

小波分析和人工神经网络在生态学研究中的应用

墨西哥帽子小波和Morlet小波在生态格局分析中的应用 本研究采用Monte Carlo方法，探讨了对小波分析的格局进行统计显著性检验的普遍方法。为了更好利用小波分析和了解两个常用小波--墨西哥帽子小波和Morlet小波在格局分析中的优缺点，用生态学研究中常见的4个模拟格局和东灵山辽东栎林的样带数据对这两个常用小波的特性进行了分析和比较。研究结果表明：墨西哥帽子小波能较好地分析样带中的斑块和间隙以及它们的位置信息，Morlet小波能较好地分析样带中尺度及其位置信息。不同的小波通常在尺度分析和斑块和间隙分析之间有平衡，所以最好的方法是结合两种小波的优点。小波分析在处理生态数据时，受所使用小波本身特性的制约。用墨西哥帽子小波进行格局分析时，小波能量谱的等值图上不同格局所对应的峰有可能相互重叠，当所分析的多尺度格局的规模差别不大时，所分析格局规模所对应的峰可能相互融合。这些小波能量谱的等值图上不同格局所对应峰的重叠和融合可能会导致格局分析量图上多个峰的相互融合和屏蔽。所以在使用小波分析做格局研究时，也应尽可能地结合小波能量谱和量图上的信息，以得到较全面和精确的格局分析信息。本研究的结论能为小波分析的应用提供指导。 应用二维小波分析对暖温带阔叶林辽东栎更新格局的研究 本研究介绍了一种二维网格空间数据分析方法一二维小波分析。该方法不仅能分析格局的等级结构，而且也能得到所分析结构的位置信息。小波系数等值图上不同格局规模的斑块和间隙可直接和不同尺度上的生态过程和生境条件相联系。小波方差从二维小波分析导出，小波方差可将四维的小波系数降至二维的小波方差函数，并量化所分析格局规模对整个格局的贡献。本研究用三个模拟格局分析了二维小波的特性及二维墨西哥帽子小波和Halo小波的特性。因为自身的特性，Halo小波比墨西哥帽子小波能提供更高的分辨率。本研究也将二维小波分析应用于暖温带阔叶林的辽东栎更新格局研究中，分析的结果表明：辽东栎的更新发生在辽东栎成树斑块和林窗斑块重叠区域。 用交互验证和独立验证来测试神人工经网络模拟水稻分檗动态的泛化能力 人工神经网络不是基于对所模拟过程的理解，而是依赖于对所分析数据的内部结构。所以人工神经网络通常被认为是经验模型而不能外推，而且在训练数据和验证数据的范围之外肯定不能精确地预测所模拟的过程。本研究通过对交互验证和独立验证神经网络模型性能的比较，测试了神经网络模型在预测水稻分檗动态方面的泛化能力。同时，也对几种提高神经网络泛化能力的技术进行了比较。研究结果表明：在训练数据的变量范围内，神经网络在预测水稻分檗动态方面具有泛化能力。较少的训练数据样本导致了对训练数据过度吻合的和不具泛化能力的神经网络。要能使神经网络在预测水稻分檗动态方面具有泛化能力，训练数据的样本量至少9倍于神经网络的权值数目。当神经网络有多个输入变量且训练数据不足以保证神经网络的泛化能力时，建议在训练之前，采用主成分分析、对应分析及类似技术压缩输入变量的个数。在压缩输入变量的个数之后，如果训练数据的样本量还不足以保证神经网络的泛化能力，就应采用提高神经网络泛化能力的技木，如：jittering和强制训练停止等，特别是神经网络与机理模型的复合模型。因为神经网络的泛化能力问题具有普遍性，所以我们的研究结论不只是适用于水稻分檗动态的预测，也适用于其它的农业和生态神经网络模型。

ANALYSIS OF A PROBLEM INVOLVING RADIAL CONSOLIDATION.

An analytical solution is presented for the vertical consolidation of a cylindrical annulus of clay with horizontal drainage occurring to concentric internal and external drainage boundaries. Numerical results are given for various ratios of internal and external radii and it is shown that solutions for conventional one-dimensional consolidation, and for consolidation of a cylindrical block of clay with drainage only to the outer cylindrical boundary form extremes to the analysis presented here. An application of the solution to the estimation of horizontal permeability of clay is briefly described.

Some measurements of the permeability of kaolin

The writers wish to present some additional data obtained independently and with different techniques that confirm the results published in the paper. For these tests, the speswhite kaolin clay was prepared as a slurry with a water content of 133 percent and was then consolidated one-dimensionally under an axial stress of 100 kPa in a 203 mm dia. tube. The results presented here show that the anisotropy of permeability is completely preserved (even after the sample is compressed isotropical) as long as the initial part of the stress path corresponds to one-dimensional compression. The data supports the speculation by the authors regarding permeability anisotropy for stress paths other than one-dimensional compression.

Experimental and theoretical comparison between static and dynamic torsional soil tests

The dynamic properties of dry Leighton Buzzard sand have been investigated using a resonant column test apparatus. These data are compared with very low frequency cyclic tests on identical specimens of sand. The comparison indicates that the properties of dry sand are independent of frequency. A simple one-dimensional model of kinematic hardening plasticity is used to predict the dynamic behaviour of the sand. The input parameters for this model are based on the results of static tests. These may be conducted on standard laboratory equipment with only minor modifications. The predictions are in good agreement with the measured data.

Analysis of the piston ring/liner oil film development during warm-up for an SI-engine

A one-dimensional ring-pack lubrication model developed at MIT is applied to simulate the oil film behavior during the warm-up period of a Kohler spark ignition engine [1]. This is done by making assumptions for the evolution of the oil temperatures during warm-up and that the oil control ring during downstrokes is fully flooded. The ring-pack lubrication model includes features such as three different lubrication regimes, i.e. pure hydrodynamic lubrication, boundary lubrication and pure asperity contact, non-steady wetting of both inlet and outlet of the piston ring, capability to use all ring face profiles that can be approximated by piece-wise polynomials and, finally, the ability to model the rheology of multi-grade oils. Not surprisingly, the simulations show that by far the most important parameter is the temperature dependence of the oil viscosity. This dependence is subsequently examined further by choosing different oils. The baseline oil is SAE 10W30 and results are compared to those using the SAE 30 and the SAE 10W50 oils.

High-frequency acousto-electric single-photon source

We propose a single optical photon source for quantum cryptography based on the acoustoelectric effect. Surface acoustic waves (SAWs) propagating through a quasi-one-dimensional channel have been shown to produce packets of electrons that reside in the SAW minima and travel at the velocity of sound. In our scheme, the electron packets are injected into a p-type region, resulting in photon emission. Since the number of electrons in each packet can be controlled down to a single electron, a stream of single- (or N-) photon states, with a creation time strongly correlated with the driving acoustic field, should be generated. ©2000 The American Physical Society.

Diffusion and chemical reaction in the porous structures of solid oxide fuel cells

The Rolls-Royce Integrated-Planar Solid Oxide Fuel Cell (IP-SOFC) consists of ceramic modules which have electrochemical cells printed on the outer surfaces. The cathodes are the outermost layer of each cell and are supplied with oxygen from air flowing over the outside of the module. The anodes are in direct contact with the ceramic structure and are supplied with fuel from internal gas channels. Natural gas is reformed into hydrogen for use by the fuel cells in a separate reformer module of similar design except that the fuel cells are replaced by a reforming catalyst layer. The performance of the modules is intrinsically linked to the behaviour of the gas flows within their porous structures. Because the porous layers are very thin, a one-dimensional flow model provides a good representation of the flow property variations between fuel channel and fuel cell or reforming catalyst. The multi-component convective-diffusive flows are simulated using a new theory of flow in porous material, the Cylindrical Pore Interpolation Model. The effects of the catalysed methane reforming and water-gas shift chemical reactions are also considered using appropriate kinetic models. It is found that the shift reaction, which is catalysed by the anode material, has certain beneficial effects on the fuel cell module performance. In the reformer module it was found that the flow resistance of the porous support structure makes it difficult to sustain a high methane conversion rate. Although the analysis is based on IP-SOFC geometry, the modelling approach and general conclusions are applicable to other types of SOFC.

Modeling of MOS-side carrier injection in trench-gate IGBTs

A compact trench-gate IGBT model that captures MOS-side carrier injection is developed. The model retains the simplicity of a one-dimensional solution to the ambipolar diffusion equation, but at the same time captures MOS-side carrier injection and its effects on steady-state carrier distribution in the drift region and on switching waveforms. © 2007 IEEE.