Spontaneous aggregation and global polar ordering in squirmer suspensions

We have developed numerical simulations of three dimensional suspensions of active particles to characterize the capabilities of the hydrodynamic stresses induced by active swimmers to promote global order and emergent structures in active suspensions. We have considered squirmer suspensions embedded in a fluid modeled under a Lattice Boltzmann scheme. We have found that active stresses play a central role to decorrelate the collective motion of squirmers and that contractile squirmers develop significant aggregates.

Measurement of a Structured Backflow in an Open Small Channel Induced by Surface-Tension Gradients

We present experiments in which the laterally confined flow of a surfactant film driven by controlled surface tension gradients causes the subtended liquid layer to self-organize into an inner upstream microduct surrounded by the downstream flow. The anomalous interfacial flow profiles and the concomitant backflow are a result of the feedback between two-dimensional and three-dimensional microfluidics realized during flow in open microchannels. Bulk and surface particle image velocimetry data combined with an interfacial hydrodynamics model explain the dependence of the observed phenomena on channel geometry.

Error de inclinación paleomagnética en materiales aluviales del Oligoceno superior del sector Suroriental de la Cuenca del Ebro (Region Surpirenaica, NE de España).

En el sector suroriental de la Cuenca del Ebro, la inclinación paleomagnética obtenida en las sucesiones aluviales oligocenas es considerablemente menor que la esperable, si se considera la paleolatitud de referencia calculada para esa región durante el Oligoceno. Este error de inclinación puede deberse a diversos factores, como el control hidrodinámica de las partículas magnéticas en el medio deposicional, la compactación diferencial del sedimento durante el enterramiento, o bien a la deformación tectónica. Este trabajo se ha centrado en su estudio en dos sucesiones dominantemente aluviales, donde previamente se había establecido su magnetoestratigrafia. Las litofacies aluviales y lacustres estudiadas se han agrupado en cinco grupos: areniscas grises, areniscas rojas y versicolores, limos rojos, lutitas rojas y calizas. Se ha demostrado la existencia de una correlación entre la abundancia de filosilicatos y el error de inclinación. De esta manera, las litofacies con un bajo porcentaje de filosilicatos (calizas y areniscas grises) presentan errores de unos 5', estadisticarnente no significativos, con respecto a la inclinación de referencia. Por el contrario, en materiales con un porcentaje más elevado de filosilicatos (limos y arcillas) el error puede llegar a los 25'. Este hecho no tiene repercusión en la interpretación de las polaridades magnéticas, pero si en las reconstmcciones palinspásticas y paleogeográficas basadas en los cálculos de paleolatitudes a partir de las paleoinclinaciones. Los resultados obtenidos demuestran la necesidad de cautela en la propuesta de conclusiones basadas exclusivamente en este tipo de información.

Cooperative motion of intrinsic and actuated semiflexible swimmers

We examine the phenomenon of hydrodynamic-induced cooperativity for pairs of flagellated micro-organism swimmers, of which spermatozoa cells are an example. We consider semiflexible swimmers, where inextensible filaments are driven by an internal intrinsic force and torque-free mechanism (intrinsic swimmers). The velocity gain for swimming cooperatively, which depends on both the geometry and the driving, develops as a result of the near-field coupling of bending and hydrodynamic stresses. We identify the regimes where hydrodynamic cooperativity is advantageous and quantify the change in efficiency. When the filaments' axes are parallel, hydrodynamic interaction induces a directional instability that causes semiflexible swimmers that profit from swimming together to move apart from each other. Biologically, this implies that flagella need to select different synchronized collective states and to compensate for directional instabilities (e.g., by binding) in order to profit from swimming together. By analyzing the cooperative motion of pairs of externally actuated filaments, we assess the impact that stress distribution along the filaments has on their collective displacements.

Effect of compressibility in bubble formation in closed systems

We analyze the stability of small bubbles in a closed system with fixed volume, temperature, and number of molecules. We show that there exists a minimum stable size of a bubble. Thus there exists a range of densities where no stable bubbles are allowed and the system has a homogeneous density which is lower than the coexistence density of the liquid. This becomes possible due to the finite liquid compressibility. Capillary analysis within the developed"modified bubble" model illustrates that the existence of the minimum bubble size is associated to the compressibility and it is not possible when the liquid is strictly incompressible. This finding is expected to have very important implications in cavitation and boiling.

The internal wave field in Sau reservoir : Observation and modeling of a third vertical mode

Water withdrawal from Mediterranean reservoirs in summer is usually very high. Because of this, stratification is often continuous and far from the typical two-layered structure, favoring the excitation of higher vertical modes. The analysis of wind, temperature, and current data from Sau reservoir (Spain) shows that the third vertical mode of the internal seiche (baroclinic mode) dominated the internal wave field at the beginning of September 2003. We used a continuous stratification two-dimensional model to calculate the period and velocity distribution of the various modes of the internal seiche, and we calculated that the period of the third vertical mode is ;24 h, which coincides with the period of the dominating winds. As a result of the resonance between the third mode and the wind, the other oscillation modes were not excited during this period

The seasonal evolution of high vertical–mode internal waves in a deep reservoir

The causal mechanism and seasonal evolution of the internal wave field in a deep, warm, monomictic reservoirare examined through the analysis of field observations and numerical techniques. The study period extends fromthe onset of thermal stratification in the spring until midsummer in 2005. During this time, wind forcing wasperiodic, with a period of 24 h (typical of land–sea breezes), and the thermal structure in the lake wascharacterized by the presence of a shallow surface layer overlying a thick metalimnion, typical of small to mediumsized reservoirs with deep outtakes. Basin-scale internal seiches of high vertical mode (ranging from mode V3 toV5) were observed in the metalimnion. The structure of the dominant modes of oscillation changed asstratification evolved on seasonal timescales, but in all cases, their periods were close to that of the local windforcing (i.e., 24 h), suggesting a resonant response. Nonresonant oscillatory modes of type V1 and V2 becamedominant after large frontal events, which disrupted the diurnal periodicity of the wind forcing

Qualidade de dados fluviométricos obtidos através de perfilamento acústico

Perfiladores acústicos Doppler de corrente são, na atualidade, a principal opção para medição de vazão e monitoramento hidrodinâmico de cursos d'água, em substituição aos métodos tradicionais. A disseminação desse tipo de equipamento deve-se, principalmente, às suas vantagens operativas, que vão da rapidez de medição até o maior detalhamento e quantidade de informações geradas sobre a hidrodinâmica das seções hidrométricas. Assim como no emprego de métodos e equipamentos tradicionais, o uso de perfiladores acústicos Doppler deve ser pautado pela busca da qualidade dos dados, uma vez que estes são a base para projetos e gestão de obras e sistemas de recursos hídricos. Nesse sentido, o trabalho apresenta uma análise das incertezas de medição de uma campanha hidrométrica realizada no Rio Sapucaí (Piranguinho-MG), utilizando dois perfiladores Doppler distintos: um ADCP Rio Grande 1.200 kHz e um Qmetrix Qliner. Foram realizadas 10 medições consecutivas com cada equipamento, seguindo-se os protocolos de qualidade existentes na literatura e, posteriormente, uma análise de incerteza do Tipo A (ou seja, análise estatística de várias observações independentes das grandezas de entrada sob as mesmas condições). As medições do ADCP e Qliner apresentaram, respectivamente, incertezas-padrão de 0,679% e 0,508% em relação às médias. Tais resultados são satisfatórios e aceitáveis quando comparados a referências da literatura, indicando a validade do uso de perfiladores Doppler para a expansão de redes fluviométricas e geração de dados hidrológicos.

Estudi hidrodinàmic per elements finits de diferents pales simètriques per a la impulsió a rem en banc fix

Actualment l’esport del rem només s’entén com a activitat de lleure o esport de competició. Dins del rem, hi ha una gran varietat de disciplines esportives; totes coincideixen en l’impuls d’una embarcació mitjançant un sistema de palanques simple. Es diferencien en dos grans grups: el banc mòbil i el banc fix. El banc mòbil disposa d’un seient sobre rodes que permet aprofitar la força de les cames per la impulsió, en canvi, en el banc fix, no hi ha desplaçament del seient, el que implica el treball del tors i braços. Un dels punts que tenen en comú tot el banc fix, és el disseny del seu rem; a diferència del banc mòbil on la pala pot tenir el disseny que es vulgui. En banc fix la pala del rem ha de ser simètrica i alineada amb la canya del rem. L’objectiu d’aquest projecte és l’anàlisi hidrodinàmic de diferents models de pales simètriques per tal de determinar el model més eficient, des del punt de vista hidrodinàmic, per a la impulsió de l’embarcació de banc fix. Així, es simularan virtualment diferents models de pales simètriques disponibles en el mercat com models prototipus amb un programa de dinàmica de fluids computacional. L’anàlisi dels resultats determinarà el model més eficient. En la realització del projecte, l’estudi hidrodinàmic es realitzarà de manera virtual a partir de la utilització de programes comercials de dinàmica de fluids. Així com també programes de disseny 3D i programes de mallat que siguin compatibles amb el programa de simulació a utilitzar. En el disseny s’utilitzaran programes com Autocad i Rhinoceros, després, en funció del disseny, utilitzarem un programa d’elements finits anomenat ICEM ANSYS que mallarà la geometria emprada. Finalment, la simulació s’efectuarà amb el programa ANSYS CFX. L’estudi no preveu el càlcul de resistència mecànica dels models ni la seva construcció

Basin-scale hydrodynamics in a Mediterranean reservoir. Implications for the phytoplankton dynamics

Procesos hidrodinámicos determinan, en un alto grado la calidad del agua en embalse, sin embargo dichos procesos han sido tradicionalmente olvidados en la gestión de embalse. En esta tesis se presentan evidencias de los principales procesos hidrodinámicos que ocurren en un embalse Mediterráneo a escala de cuenca a través de campañas experimentales y modelización numérica; y su influencia en la dinámica de poblaciones de fitoplancton. Dichos procesos son principalmente la generación de ondas internas o secas y la intrusión del río. La presencia de viento periódico genera secas forzadas, amplificando los modos cercanos al periodo del viento, de manera que modos verticales altos, considerados como raros en la naturaleza, tienden a dominar en el sistema.

Vibrações naturais em um sistema de interação viga-água sem o efeito de onda de superfície livre

Neste trabalho é apresentado um estudo sobre o comportamento dinâmico de sistemas flexíveis com interação viga-água. Especificamente, é escolhida uma barragem freqüentemente encontrada em problemas de engenharia de irrigação e represas. O modelo matemático utilizado para descrever tal fenômeno tem como variáveis principais a pressão hidrodinâmica e os deslocamentos horizontais da barragem. Uma vez formuladas as equações governantes de tal sistema, que resultam em uma equação de onda para a pressão e uma equação de Euler-Bernoulli para os deslocamentos, é utilizada a técnica de separação de variáveis para proceder à sua solução. Por simplicidade, assumiu-se que no modelo não havia o efeito de onda da superfície livre. Primeiro, foi resolvida a equação para a pressão, sendo calculadas as suas componentes temporais e espaciais. Depois, foi resolvida a equação de Euler-Bernoulli junto com a condição de interface. Foram simulações para o material específico, e apresentados os resultados conseguidos. No final do trabalho são enunciadas as conclusões pertinentes.

Paralelizações de métodos numéricos em clusters empregando as bibliotecas MPICH, DECK e Pthread

Este trabalho tem como objetivo desenvolver e empregar técnicas e estruturas de dados agrupadas visando paralelizar os métodos do subespaço de Krylov, fazendo-se uso de diversas ferramentas e abordagens. A partir dos resultados é feita uma análise comparativa de desemvpenho destas ferramentas e abordagens. As paralelizações aqui desenvolvidas foram projetadas para serem executadas em um arquitetura formada por um agregado de máquinas indepentes e multiprocessadas (Cluster), ou seja , são considerados o paralelismo e intra-nodos. Para auxiliar a programação paralela em clusters foram, e estão sendo, desenvolvidas diferentes ferramentas (bibliotecas) que visam a exploração dos dois níveis de paralelismo existentes neste tipo de arquitetura. Neste trabalho emprega-se diferentes bibliotecas de troca de mensagens e de criação de threads para a exploração do paralelismo inter-nodos e intra-nodos. As bibliotecas adotadas são o DECK e o MPICH e a Pthread. Um dos itens a serem analisados nestes trabalho é acomparação do desempenho obtido com essas bibliotecas.O outro item é a análise da influência no desemepnho quando quando tulizadas múltiplas threads no paralelismo em clusters multiprocessados. Os métodos paralelizados nesse trabalho são o Gradiente Conjugação (GC) e o Resíduo Mínmo Generalizado (GMRES), quepodem ser adotados, respectivamente, para solução de sistemas de equações lineares sintéticos positivos e definidos e não simétricas. Tais sistemas surgem da discretização, por exemplo, dos modelos da hidrodinâmica e do transporte de massa que estão sendo desenvolvidos no GMCPAD. A utilização desses métodos é justificada pelo fato de serem métodos iterativos, o que os torna adequados à solução de sistemas de equações esparsas e de grande porte. Na solução desses sistemas através desses métodos iterativos paralelizados faz-se necessário o particionamento do domínio do problema, o qual deve ser feito visando um bom balanceamento de carga e minimização das fronteiras entre os sub-domínios. A estrutura de dados desenvolvida para os métodos paralelizados nesse trabalho permite que eles sejam adotados para solução de sistemas de equações gerados a partir de qualquer tipo de particionamento, pois o formato de armazenamento de dados adotado supre qualquer tipo de dependência de dados. Além disso, nesse trabalho são adotadas duas estratégias de ordenação para as comunicações, estratégias essas que podem ser importantes quando se considera a portabilidade das paralelizações para máquinas interligadas por redes de interconexão com buffer de tamanho insuficiente para evitar a ocorrência de dealock. Os resultados obtidos nessa dissertação contribuem nos trabalhos do GMCPAD, pois as paralelizações são adotadas em aplicações que estão sendo desenvolvidas no grupo.

Análise dos principais fatores intervenientes no comportamento hidrodinâmico do banhado do Taim (RS)

Os ecossistemas conhecidos como banhados são corpos d’água rasos de grande importância ecológica, embora apenas recentemente isso começou a ser reconhecido. Além de servirem de habitat para uma diversidade de espécies de seres vivos e constituírem áreas de transição entre ambientes aquáticos e terrestres, os banhados ainda são responsáveis pela atenuação de cheias, melhoria da qualidade da água e recarga/descarga de águas subterrâneas. Ao lado da oscilação natural do nível da água, conhecido como hidroperíodo, a circulação da água desempenha um papel de fundamental importância na estrutura e no funcionamento dos banhados. Tais ecossistemas são caracterizados por pequenas lâminas d’água e pela grande presença de macrófitas aquáticas, que são sensíveis a alterações no nível e no padrão de circulação da água. Isso tem ocorrido no banhado do Taim (RS), objeto deste estudo, em decorrência da ação antrópica, como a captação de água para orizicultura e a operação das comportas de saída para a lagoa Mirim. Neste trabalho, aplicou-se um modelo hidrodinâmico bidimensional horizontal (modelo IPH-A), associado a um algoritmo de secagem/inundação, ao sistema formado pela lagoa Mangueira e pelo banhado do Taim, procurando analisar os principais fatores intervenientes no comportamento hidrodinâmico do banhado. Foram avaliados os efeitos decorrentes da ação de cisalhamento do vento na superfície da água, da resistência ao escoamento e da proteção contra a ação do vento proporcionados pelas macrófitas aquáticas e a interação com a lagoa Mangueira. A resistência da vegetação ao escoamento foi representada na modelagem pela adoção de um coeficiente de Manning superior ao das áreas consideradas sem vegetação e, para representar o efeito protetor contra a ação do vento, considerou-se uma redução da tensão de cisalhamento na superfície da água nas áreas com vegetação. Verificou-se, através das simulações numéricas, que os fatores analisados têm papel fundamental sobre a hidrodinâmica do Taim, estando fortemente associados entre si. Em particular, os resultados mostraram que a distribuição espacial da vegetação norteia o padrão geral da circulação da água no banhado e sua ocorrência, principalmente na interface com a lagoa, diminui a influência desta sobre o Taim, significativamente. Outro fato relevante é que, conforme o nível da água, diferentes regiões do banhado ficam secas, resultando padrões hidrodinâmicos distintos, que também diferem quanto à influência que sofrem do vento e da lagoa Mangueira.

Análise o comportamento hidrodinâmico e sedimentológico do estuario do Rio Piranji - CE (NE/Brasil)

Cerca de dois terços das maiores áreas metropolitanas mundiais estão nas proximidades dos estuários, portanto são regiões comumente sujeitas à situações de risco impostas pela pressão populacional. Instalações portuárias, efluentes diversos, uso indevido das suas margens, estão entre os riscos potenciais à grande diversidade de seus recursos naturais. A ação das marés, das ondas e o aporte fluvial interagem tornando bastante complexa a caracterização do seu funcionamento. A presente dissertação foca os seguintes aspectos: hidrodinâmica, transporte de sedimentos em suspensão, sedimentologia, morfologia e classificação do ambiente. A hidrodinâmica e o transporte de sedimentos foram estudados em duas etapas de campo em condições de maré de sizígia e de quadratura, cada qual com abrangência de dois ciclos de maré (25 hs). Estas etapas foram realizadas numa estação fixa com medições de: maré, velocidade da corrente, material em suspensão, sólidos totais dissolvidos, salinidade, pH, oxigênio dissolvido e temperatura. As características sedimentológicas foram avaliadas pela coleta de sedimentos de fundo em 24 pontos. Os aspectos morfológicos foram reconhecidos por uma batimetria detalhada e por aerofotografias. Os resultados revelaram a dominância das correntes de maré vazante em sizígia e de enchente em quadratura. O fluxo total de sedimentos por ciclo de maré na sizígia foi de 71 ton. (vazante), enquanto que na quadratura foi de 2,2 ton. (enchente). Os sedimentos de fundo variaram de areia muito grossa a silte. A profundidade máxima foi de 7,4 m (maré alta de sizígia). A comparação das aerofotografias revela a instabilidade morfológica da desembocadura. Relaciona-se este fato à influência variável da deriva litorânea e da descarga hidráulica. Este estuário foi classificado como: de frente de barreira arenosa; de circulação do tipo xvi parcialmente misturada e, por vezes, verticalmente homogênea; de Tipo 2b (quadratura); de tipo intermerdiário 2a e 2b (sizígia); de negativo; de mesomaré e de energia mista.