Desenvolvimento de software utilizando a técnica sph (smoothed particle hydrodynamics) na geração de ondas de submersão

Pós-graduação em Engenharia Elétrica - FEIS

Resonant States in Negative Ions

Resonant states are multiply excited states in atoms and ions that have enough energy to decay by emitting an electron. The ability to emit an electron and the strong electron correlation (which is extra strong in negative ions) makes these states both interesting and challenging from a theoretical point of view. The main contribution in this thesis is a method, which combines the use of B splines and complex rotation, to solve the three-electron Schrödinger equation treating all three electrons equally. It is used to calculate doubly excited and triply excited states of 4S symmetry with even parity in He-. For the doubly excited states there are experimental and theoretical data to compare with. For the triply excited states there is only theoretical data available and only for one of the resonances. The agreement is in general good. For the triply excited state there is a significant and interesting difference in the width between our calculation and another method. A cause for this deviation is suggested. The method is also used to find a resonant state of 4S symmetry with odd parity in H2-. This state, in this extremely negative system, has been predicted by two earlier calculations but is highly controversial. Several other studies presented here focus on two-electron systems. In one, the effect of the splitting of the degenerate H(n=2) thresholds in H-, on the resonant states converging to this threshold, is studied. If a completely degenerate threshold is assumed an infinite series of states is expected to converge to the threshold. Here states of 1P symmetry and odd parity are examined, and it is found that the relativistic and radiative splitting of the threshold causes the series to end after only three resonant states. Since the independent particle model completely fails for doubly excited states, several schemes of alternative quantum numbers have been suggested. We investigate the so called DESB (Doubly Excited Symmetry Basis) quantum numbers in several calculations. For the doubly excited states of He- mentioned above we investigate one resonance and find that it cannot be assigned DESB quantum numbers unambiguously. We also investigate these quantum numbers for states of 1S even parity in He. We find two types of mixing of DESB states in the doubly excited states calculated. We also show that the amount of mixing of DESB quantum numbers can be inferred from the value of the cosine of the inter-electronic angle. In a study on Li- the calculated cosine values are used to identify doubly excited states measured in a photodetachment experiment. In particular a resonant state that violates a propensity rule is found.

108 Sn studied with intermediate-energy Coulomb excitation

In dieser Arbeit wurde der instabile, Neutronenarme Kern 108Sn mit Hilfe der Coulomb-Anregung bei intermediaeren Energien in inverser Kinematik studiert. Diese Methode wurde bisher zur Untersuchung der ersten angeregten 2+ Zustaende und deren E2 Zerfallsraten in Kernen mit Kernladungszahl Z< 30 angewendet. 108Sn ist somit der Kern mit der groeßten Kernladungszahl, bei dem diese Studien bisher stattfanden. Das Ziel dieses Experiments war die Messung der unbekannten reduzierten Uebergangswahrscheinlichkeit B(E2,0+ -> 2+). Der B(E2)-Wert von 0.230(57) e2b2 wurde relativ zu dem bekannten Wert des Isotops 112Sn bestimmt. Das Experiment wurde an der GSI Darmstadt mit Hilfe des RISING Detektors und des Fragmentseperators (FRS) durchgefuehrt. Sekundaere Strahlen (108Sn, 112Sn) mit einer Energie von ca. 150 MeV pro Nukleon wurden auf ein 386 mg/cm2 dickes 197Au Target geschossen. Die Projektilfragmente wurden mit Hilfe des Fragmentseparators selektiert und identifiziert. Zur Selektion des Reaktionskanals und zur Bestimmung des Winkels der gestreuten Fragmente wurde das Teilchenteleskop CATE, das sich hinter dem Target befand, verwendet. Gammastrahlung, die in Koinzidenz mit den Projektilrestkernen emittiert wurde, wurde in den Germanium-Cluster Detektoren des RISING Detektors nachgewiesen. Der gemessene B(E2,0+ -> 2+)-Wert von 108Sn ist in Uebereinstimmung mit neueren Schalenmodellrechnungen, die auf realistischen effektiven Wechselwirkungen basieren und im Rahmen eines verallgemeinerten Seniorit¨ats-Schemas erklaert werden.

Synthese von grenzflächenaktiven Monomeren zur Herstellung von funktionalen Metall-Chalkogenid,Polymer-Hybridnanopartikeln

In dieser Arbeit wurde gezeigt, wie oberflächenfunktionalisierte Polystyrolnanopartikel zur Herstellung von Metallchalkogenid/Polymer-Hybridnanopartikeln eingesetzt werden können. Dazu wurden zunächst phosphonsäure- und phosphorsäurefunktionalisierte Surfmere synthetisiert, die anschließend bei der Miniemulsionspolymerisation von Styrol verwendet wurden. Die Surfmere dienten dabei zugleich zur Stabilisierung und als Comonomer. Die oberflächenfunktionalisierten Polystyrolnanopartikel wurden anschließend als Trägerpartikel für die Kristallisation von Metalloxiden eingesetzt. Dabei wurden Metalloxid/Polymer-Hybridnanopartikel mit einer „himbeerartigen“ Morphologie erhalten. Um die vielseitige Modifizierbarkeit der phosphonat- und phosphat¬funktionalisierten Polystyrolpartikel zu demonstrieren, wurden Cer-, Eisen- sowie Zinkoxid auf der Partikeloberfläche kristallisiert. Dazu wurden sowohl wässrige als auch alkoholische Metalloxid-Präkursorlösungen eingesetzt. Die synthetisierten Metall¬oxid/Polymer-Hybridpartikel wurden detailliert mit REM, TEM und PXRD analysiert. Die Untersuchung des Kristallisationsmechanismus hatte erwiesen, dass die komplexierten Metallkationen auf der Partikeloberfläche als Nukleationszentren wirkten und die Zutropfrate des Fällungsreagenz entscheidend für die Oberflächenkristallisation ist. Durch Mischungsexperimente von Metalloxidnanopartikeln und den oberflächen¬funktionalisierten Polymerpartikeln konnte die Hybridpartikelbildung über Hetero¬koagulation ausgeschlossen werden. Außerdem wurde festgestellt, dass die Polarität der funktionellen Gruppe über die Stärke der Komplexierung der Metalloxid-Präkursor bestimmt. Darüber hinaus wurde ein Modell zur Erklärung der kolloidalen Stabilisierung der Metalloxid/Polymer-Hybridsysteme aufgestellt und ein Zusammenhang zwischen dem gemessenen Zeta-Potential und der Oberflächenbedeckung der Polymerpartikel durch Metalloxid gefunden. Mit der Methode der Oberflächenkristallisation konnten frühe Stadien der Nukleation auf der Partikeloberfläche fixiert werden. Weiterhin wurden die individuellen physikalisch-chemischen Eigenschaften der hergestellten Metall¬oxid/Polymer-Hybridnano¬partikel untersucht. Dabei zeigten die CeO2/Polymer-Hybridpartikel eine hohe katalytische Aktivität bezüglich der photokatalytischen Oxidation von Rhodamin B, die als Modellreaktion durchgeführt wurde. Des Weiteren wurde die Magnetisierung der Magnetit/Polymer-Hybridpartikel gemessen. Die Fe3O4-Hybrid¬partikelsysteme wiesen eine vergleichbare Sättigungsmagnetisierung auf. Die Zinkoxid/Polymer-Hybridsysteme zeigten eine starke Lumineszenz im sichtbaren Bereich bei Anregung mit UV-Licht. Die Metalloxid/Polymer-Hybridpartikel, die mit den phosphonat- oder phosphatfunktion¬alisierten Polystyrolpartikeln hergestellt wurden, zeigten keine signifikanten Unterschiede in ihren physikochemischen Eigenschaften. Im Allgemeinen lässt sich schlussfolgern, dass sowohl Phosphonat- als auch Phosphatgruppen gleichermaßen für die Oberflächenkristallisation von Metalloxiden geeignet sind. Die Zink¬oxid/Polymer-Hybridsysteme stellen eine Ausnahme dar. Die Verwendung der phosphonat¬funktionalisierten Polystyrolpartikel führte zur Entstehung einer Zinkhydroxidphase, die neben der Zinkoxidphase gebildet wurde. Aufgrund dessen zeigten die ZnO/RPO3H2-Hybridpartikel eine geringere Lumineszenz im sichtbaren Bereich als die ZnO/RPO4H2-Hybridsysteme.rnDie Erkenntnisse, die bei der Oberflächenkristallisation von Metalloxiden gewonnen wurden, konnten erfolgreich auf Cadmiumsulfid übertragen werden. Dabei konnte Cadmiumsulfid auf der Oberfläche von phosphonatfunktionalisierten Polystyrolpartikeln kristallisiert werden. Mit Hilfe des RPO3H2-Surfmers konnten phosphonatfunktion¬alisierte Polystyrolpartikel mit superparamagnetischem Kern synthetisiert werden, die zur Herstellung von multifunktionalen CdS/Polymer-Hybridpartikeln mit Magnetitkern verwendet wurden. Die Kristallphase und die Oberflächenbedeckung der multi¬funktionalen Hybridsysteme wurden mit den CdS/Polymer-Hybridsystemen ohne magnetischen Kern verglichen. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass in beiden Fällen Cadmiumsulfid in der Greenockit-Modifikation gebildet wurde. Die multifunktionalen CdS/Polymer-Hybridpartikel mit superparamagnetischem Kern konnten sowohl mit einem optischen als auch einem magnetischen Stimulus angeregt werden.rnrn

Kollineare Laserspektroskopie an radioaktiven Praseodymionen und Cadmiumatomen

Die Analyse optischer Spektren liefert einen kernmodellunabhängigen Zugang zur Bestimmung der Kernspins, Ladungsradien und elektromagnetischen Momente von Atomkernen im Grundzustand und von langlebigen Isomeren. Eine der vielseitigsten Methoden zur optischen Spektroskopie an kurzlebigen Isotopen ist die kollineare Laserspektroskopie. Im Rahmen dieser Arbeit wurde zum einen die TRIGA-LASER Strahlstrecke am Institut für Kernchemie der Universität Mainz durch die Implementierung einer neuen offline Oberflächenionenquelle für hohe Verdampfungstemperaturen und eines Strahlanalysesystems weiterentwickelt. Zum anderen wurde kollineare Laserspektroskopie an kurzlebigen Praseodym- und Cadmiumisotopen an ISOLDE/CERN durchgeführt. Die neue Ionenquelle ermöglichte dabei den Test der kollinearen Laserspektroskopie an Praseodymionen am TRIGA-LASER Experiment. Die Spektroskopie der Prasdeodymionen motivierte sich aus der Beobachtung einer zeitlichen Modulation der EC-Zerfallsrate von wasserstoffähnlichem 140Pr58+. Für die Erklärung dieser sogenannten GSI Oszillationen wird unter anderem das magnetische Moment des Kerns benötigt, welches bislang noch nicht experimentell bestimmt wurde. Zudem wurde für wasserstoffähnliches 140Pr58+ überraschenderweise eine kleinere EC-Zerfallskonstante gemessen als für heliumähnliches 140Pr57+. Die Erklärung dieses Phänomens setzt ein positives magnetisches Moment voraus. Bei der Spektroskopie am COLLAPS Experiment wurden erstmals die magnetischen Momente von 135Pr, 136Pr und 137Pr vermessen. Aufgrund zu geringer Produktionsraten war die Spektroskopie des gewünschten Isotops 140Pr jedoch nicht erfolgreich. Die Untersuchung der Cadmiumisotope ist kernphysikalisch motiviert. In der Zinnregion erstrecken sich die Isotope über die beiden magischen Zahlen N=50 und N=82 bei gleichzeitiger Nähe des Z=50 Schalenabschlusses. Hier können verschiedene Kernmodelle getestet werden, die sich beispielsweise hinsichtlich der Stärke des N=82 Schalenabschlusses widersprechen. Diese Arbeit berichtet über erste Ergebnisse der Spektroskopie an Cadmiumatomen, die sich über die Isotope 106−124,126Cd sowie die zugehörigen langlebigen I=11/2− Isomere erstreckt. Die zuvor experimentell bekannten oder aus dem erweiterten Schalenmodell abgeleiteten Kernspins konnten für alle Isotope bis auf 119Cd bestätigt werden. Der Kernspin von 119Cd wurde eindeutig zu I=1/2 bestimmt. Die elektrischen Quadrupolmomente der Isomere zeigen ein bemerkenswert lineares Verhalten in Abhängigkeit von der Neutronenzahl und dies über die eigentliche Kapazität der 1h11/2 Unterschale hinaus. Die Änderungen der mittleren quadratischen Ladungsradien zeigen den auch an Indium- und Zinnisotopen beobachteten stetigen Verlauf. Der lineare Anteil passt sehr gut zu den Berechnung des Tröpfchenmodells in der Parametrisierung nach Berchidevsky und Tondeur. Die Differenzen der mittleren quadratischen Ladungsradien zwischen Grund- und isomeren Zustand der ungeraden Cadmiumisotope zeigen einen interessanten parabolischen Verlauf mit einem Minimum zwischen A=117 und A=119.

Finite Element Modeling of Shell Shape in the Freshwater Turtle Pseudemys concinna Reveals a Trade-Off between Mechanical Strength and Hydrodynamic Efficiency

Aquatic species can experience different selective pressures on morphology in different flow regimes. Species inhabiting lotic regimes often adapt to these conditions by evolving low-drag (i.e., streamlined) morphologies that reduce the likelihood of dislodgment or displacement. However, hydrodynamic factors are not the only selective pressures influencing organismal morphology and shapes well suited to flow conditions may compromise performance in other roles. We investigated the possibility of morphological trade-offs in the turtle Pseudemys concinna. Individuals living in lotic environments have flatter, more streamlined shells than those living in lentic environments; however, this flatter shape may also make the shells less capable of resisting predator-induced loads. We tested the idea that ‘‘lotic’’ shell shapes are weaker than ‘‘lentic’’ shell shapes, concomitantly examining effects of sex. Geometric morphometric data were used to transform an existing finite element shell model into a series of models corresponding to the shapes of individual turtles. Models were assigned identical material properties and loaded under identical conditions, and the stresses produced by a series of eight loads were extracted to describe the strength of the shells. ‘‘Lotic’’ shell shapes produced significantly higher stresses than ‘‘lentic’’ shell shapes, indicating that the former is weaker than the latter. Females had significantly stronger shell shapes than males, although these differences were less consistent than differences between flow regimes. We conclude that, despite the potential for many-to-one mapping of shell shape onto strength, P. concinna experiences a trade-off in shell shape between hydrodynamic and mechanical performance. This trade-off may be evident in many other turtle species or any other aquatic species that also depend on a shell for defense. However, evolution of body size may provide an avenue of escape from this trade-off in some cases, as changes in size can drastically affect mechanical performance while having little effect on hydrodynamic performance.

A prediction model for assessing residential radon concentration in Switzerland

Indoor radon is regularly measured in Switzerland. However, a nationwide model to predict residential radon levels has not been developed. The aim of this study was to develop a prediction model to assess indoor radon concentrations in Switzerland. The model was based on 44,631 measurements from the nationwide Swiss radon database collected between 1994 and 2004. Of these, 80% randomly selected measurements were used for model development and the remaining 20% for an independent model validation. A multivariable log-linear regression model was fitted and relevant predictors selected according to evidence from the literature, the adjusted R², the Akaike's information criterion (AIC), and the Bayesian information criterion (BIC). The prediction model was evaluated by calculating Spearman rank correlation between measured and predicted values. Additionally, the predicted values were categorised into three categories (50th, 50th-90th and 90th percentile) and compared with measured categories using a weighted Kappa statistic. The most relevant predictors for indoor radon levels were tectonic units and year of construction of the building, followed by soil texture, degree of urbanisation, floor of the building where the measurement was taken and housing type (P-values <0.001 for all). Mean predicted radon values (geometric mean) were 66 Bq/m³ (interquartile range 40-111 Bq/m³) in the lowest exposure category, 126 Bq/m³ (69-215 Bq/m³) in the medium category, and 219 Bq/m³ (108-427 Bq/m³) in the highest category. Spearman correlation between predictions and measurements was 0.45 (95%-CI: 0.44; 0.46) for the development dataset and 0.44 (95%-CI: 0.42; 0.46) for the validation dataset. Kappa coefficients were 0.31 for the development and 0.30 for the validation dataset, respectively. The model explained 20% overall variability (adjusted R²). In conclusion, this residential radon prediction model, based on a large number of measurements, was demonstrated to be robust through validation with an independent dataset. The model is appropriate for predicting radon level exposure of the Swiss population in epidemiological research. Nevertheless, some exposure misclassification and regression to the mean is unavoidable and should be taken into account in future applications of the model.

Fast-timing study of the l-forbidden 1/2(+) -> 3/2(+) M1 transition in Sn-129

The levels in Sn-129 populated from the beta(-) decay of In-129 isomers were investigated at the ISOLDE facility of CERN using the newly commissioned ISOLDE Decay Station (IDS). The lowest 1/2(+) state and the 3/2(+) ground state in 129Sn are expected to have configurations dominated by the neutron s(1/2) (l = 0) and d(3/2) (l = 2) single-particle states, respectively. Consequently, these states should be connected by a somewhat slow l-forbidden M1 transition. Using fast-timing spectroscopy we havemeasured the half-life of the 1/2(+) 315.3-keV state, T-1/2 = 19(10) ps, which corresponds to a moderately fast M1 transition. Shell-model calculations using the CD-Bonn effective interaction, with standard effective charges and g factors, predict a 4-ns half-life for this level. We can reconcile the shell-model calculations to the measured T-1/2 value by the renormalization of the M1 effective operator for neutron holes.

The lattice solid model to simulate the physics of rocks and earthquakes: Incorporation of friction

The particle-based lattice solid model developed to study the physics of rocks and the nonlinear dynamics of earthquakes is refined by incorporating intrinsic friction between particles. The model provides a means for studying the causes of seismic wave attenuation, as well as frictional heat generation, fault zone evolution, and localisation phenomena. A modified velocity-Verlat scheme that allows friction to be precisely modelled is developed. This is a difficult computational problem given that a discontinuity must be accurately simulated by the numerical approach (i.e., the transition from static to dynamical frictional behaviour). This is achieved using a half time step integration scheme. At each half time step, a nonlinear system is solved to compute the static frictional forces and states of touching particle-pairs. Improved efficiency is achieved by adaptively adjusting the time step increment, depending on the particle velocities in the system. The total energy is calculated and verified to remain constant to a high precision during simulations. Numerical experiments show that the model can be applied to the study of earthquake dynamics, the stick-slip instability, heat generation, and fault zone evolution. Such experiments may lead to a conclusive resolution of the heat flow paradox and improved understanding of earthquake precursory phenomena and dynamics. (C) 1999 Academic Press.

Congo Red adsorption by ball-milled sugarcane bagasse

The adsorption of Congo Red (CR) by ball-milled sugarcane bagasse was evaluated in an aqueous batch system. CR adsorption capacity increased significantly with small changes in bagasse surface area. CR removal decreased with increasing solution pH from 5.0 to 10.0. Maximum adsorption capacity was 38.2 mg/g bagasse at a CR concentration of 500 mg/L. The equilibrium isotherm fitted the Freundlich model and the adsorption kinetics obeyed pseudo-second order equation. CR adsorption obeyed the intra-particle diffusion model very well with bagasse surface area in the range of 0.58–0.66 m2/g, whereas it was controlled by multi-adsorption stages with bagasse surface area in the range of 1.31–1.82 m2/g. Thermodynamic analysis indicated that the adsorption process is an exothermic and spontaneous process. Fourier transform infrared analysis of bagasse containing adsorbed CR indicated interactions between the carboxyl and hydroxyl groups of bagasse and CR function groups.

Numerical simulation of red blood cells’ motion : a review

The micro-circulation of blood plays an important role in human body by providing oxygen and nutrients to the cells and removing carbon dioxide and wastes from the cells. This process is greatly affected by the rheological properties of the Red Blood Cells (RBCs). Changes in the rheological properties of the RBCs are caused by certain human diseases such as malaria and sickle cell diseases. Therefore it is important to understand the motion and deformation mechanism of RBCs in order to diagnose and treat this kind of diseases. Although, many methods have been developed to explore the behavior of the RBCs in micro-channels, they could not explain the deformation mechanism of the RBCs properly. Recently developed Particle Methods are employed to explain the RBCs’ behavior in micro-channels more comprehensively. The main objective of this study is to critically analyze the present methods, used to model the RBC behavior in micro-channels, in order to develop a computationally efficient particle based model to describe the complete behavior of the RBCs in micro-channels accurately and comprehensively

Experimental impact and finite element analysis of a composite, portable road safety barrier

This thesis provides an experimental and computational platform for investigating the performance and behaviour of water filled, plastic portable road safety barriers in an isolated impact scenario. A schedule of experimental impact tests were conducted assessing the impact response of an existing design of road safety barrier utilising a novel horizontal impact testing system. A coupled finite element and smooth particle hydrodynamic model of the barrier system was developed and validated against the results of the experimental tests. The validated model was subsequently used to assess the effect of certain composite materials on the impact performance of the water filled, portable road safety barrier system.

Optimisation of indoor environmental quality and energy consumption within office buildings

This research investigated airborne particle characteristics and their dynamics inside and around the envelope of mechanically ventilated office buildings, together with building thermal conditions and energy consumption. Based on these, a comprehensive model was developed to facilitate the optimisation of building heating, ventilation and air conditioning systems, in order to protect the health of their occupants and minimise the energy requirements of these buildings.

Pore accessibility by methane and carbon dioxide in coal as determined by neutron scattering

Contrast-matching ultrasmall-angle neutron scattering (USANS) and small-angle neutron scattering (SANS) techniques were used for the first time to determine both the total pore volume and the fraction of the pore volume that is inaccessible to deuterated methane, CD4, in four bituminous coals in the range of pore sizes between ∼10 Å and ∼5 μm. Two samples originated from the Illinois Basin in the U.S.A., and the other two samples were commercial Australian bituminous coals from the Bowen Basin. The total and inaccessible porosity were determined in each coal using both Porod invariant and the polydisperse spherical particle (PDSP) model analysis of the scattering data acquired from coals both in vacuum and at the pressure of CD4, at which the scattering length density of the pore-saturating fluid is equal to that of the solid coal matrix (zero average contrast pressure). The total porosity of the coals studied ranged from 7 to 13%, and the volume of pores inaccessible to CD4 varied from ∼13 to ∼36% of the total pore volume. The volume fraction of inaccessible pores shows no correlation with the maceral composition; however, it increases with a decreasing total pore volume. In situ measurements of the structure of one coal saturated with CO2 and CD4 were conducted as a function of the pressure in the range of 1−400 bar. The neutron scattering intensity from small pores with radii less than 35 Å in this coal increased sharply immediately after the fluid injection for both gases, which demonstrates strong condensation and densification of the invading subcritical CO2 and supercritical methane in small pores.