Resolução numérica de escoamentos compressíveis empregando um método de partículas livre de malhas e o processamento em paralelo (CUDA)

Os métodos numéricos convencionais, baseados em malhas, têm sido amplamente aplicados na resolução de problemas da Dinâmica dos Fluidos Computacional. Entretanto, em problemas de escoamento de fluidos que envolvem superfícies livres, grandes explosões, grandes deformações, descontinuidades, ondas de choque etc., estes métodos podem apresentar algumas dificuldades práticas quando da resolução destes problemas. Como uma alternativa viável, existem os métodos de partículas livre de malhas. Neste trabalho é feita uma introdução ao método Lagrangeano de partículas, livre de malhas, Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) voltado para a simulação numérica de escoamentos de fluidos newtonianos compressíveis e quase-incompressíveis. Dois códigos numéricos foram desenvolvidos, uma versão serial e outra em paralelo, empregando a linguagem de programação C/C++ e a Compute Unified Device Architecture (CUDA), que possibilita o processamento em paralelo empregando os núcleos das Graphics Processing Units (GPUs) das placas de vídeo da NVIDIA Corporation. Os resultados numéricos foram validados e a eficiência computacional avaliada considerandose a resolução dos problemas unidimensionais Shock Tube e Blast Wave e bidimensional da Cavidade (Shear Driven Cavity Problem).

Um método sintético de difusão para aceleração do esquema de fonte de espalhamento em cálculos SN unidimensionais de fonte fixa

O esquema iterativo de fonte de espalhamento (SI) é tradicionalmente aplicado para a convergência da solução numérica de malha fina para problemas de transporte de nêutrons monoenergéticos na formulação de ordenadas discretas com fonte fixa. O esquema SI é muito simples de se implementar sob o ponto de vista computacional; porém, o esquema SI pode apresentar taxa de convergência muito lenta, principalmente para meios difusivos (baixa absorção) com vários livres caminhos médios de extensão. Nesta dissertação descrevemos uma técnica de aceleração baseada na melhoria da estimativa inicial para a distribuição da fonte de espalhamento no interior do domínio de solução. Em outras palavras, usamos como estimativa inicial para o fluxo escalar médio na grade de discretização de malha fina, presentes nos termos da fonte de espalhamento das equações discretizadas SN usadas nas varreduras de transporte, a solução numérica da equação da difusão de nêutrons em grade espacial de malha grossa com condições de contorno especiais, que aproximam as condições de contorno prescritas que são clássicas em cálculos SN, incluindo condições de contorno do tipo vácuo. Para aplicarmos esta solução gerada pela equação da difusão em grade de discretização de malha grossa nas equações discretizadas SN de transporte na grade de discretização de malha fina, primeiro implementamos uma reconstrução espacial dentro de cada nodo de discretização, e então determinamos o fluxo escalar médio em grade de discretização de malha fina para usá-lo nos termos da fonte de espalhamento. Consideramos um número de experimentos numéricos para ilustrar a eficiência oferecida pela presente técnica (DSA) de aceleração sintética de difusão.

Effects of the frequency chirp on the fields of a chirped Gaussian pulse passing through a hard-edged aperture

Based on the Huygens-Fresnel diffraction integral and Fourier transform, propagation expression of a chirped Gaussian pulse passing through a hard-edged aperture is derived. Intensity distributions of the pulse with different frequency chirp in the near-field and far-field are analyzed in detail by numerical calculations. In the near-field, amplitudes of the intensity peaks generated by the modulation of the hard-edged aperture decrease with increasing the frequency chirp, which results in the improving of the beam uniformity. A physical explanation for the smoothing effect brought by increasing the frequency chirp is given. The smoothing effect is achieved not only in the pulse with Gaussian transverse profile but also in the pulse with Hermite-Gaussian transverse profile when the frequency chirp increases. (C) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

Transverse intensity distributions of a broadband laser modulated by a hard-edged aperture

By means of the Huygens-Fresnel diffraction integral, the field representation of a laser beam modulated by a hard-edged aperture is derived. The near-field and far-field transverse intensity distributions of the beams with different bandwidths are analyzed by using the representation. The numerical calculation results indicate that the amplitudes and numbers of the intensity spikes decrease with increasing bandwidth, and beam smoothing is achieved when the bandwidth takes a certain value in the near field. In the far field, the radius of the transverse intensity distribution decreases as the bandwidth increases, and the physical explanation of this fact is also given. (c) 2005 Optical Society of America.

谱色散均匀化的计算研究

利用光传输理论对ICF驱动器中使用的光谱色散平滑(SSD)技术作了理论分析，并结合典型的随机相位板(RPP)技术，用计算机模拟了使用光谱色散平滑技术前后激光靶面辐照不均匀性的变化及其技术中不同带宽和调制频率下激光靶面辐照不均匀性的变化。

利用消衍射透镜列阵及光谱色散平滑实现焦斑均匀辐照

提出将空间域的透镜列阵法和时间域的光谱色散平滑法结合起来实现靶面的均匀辐照．消衍射型透镜列阵能获得边缘陡峭且顶部较平坦的准近场焦斑，光谱色散平滑则能有效地抹平焦斑内部由多光束干涉引起的细密条纹．数值结果显示，通过该方案能获得均匀性较好的焦斑．进一步分析了光谱色散平滑单元中位相调制和光栅的参数对辐照均匀性的影响，发现参数的选取要在焦斑均匀性和能量利用率之间取得合理平衡，以在整体上获得最佳的均匀辐照效果．

Influence of the chirp on the intensity distributions of an apertured pulse

Starting from the Huygens-Fresnel diffraction integral and the Fourier transform, the propagation expression of a chirped pulse passing through a hard-edged aperture is derived. Using the obtained expression, the intensity distributions of the pulse with different chirp in the near and far fields are analyzed in detail. Due to the modulation of the aperture, many intensity peaks emerge in the intensity distributions of the chirped pulse in the near field. However, the amplitudes of the intensity peaks decrease on increasing the chirp, which results in the smoothing effect in the intensity distributions. The beam smoothing brought by increasing the chirp is explained physically. Also, it is found that the radius of the intensity distribution of the chirped pulse decreases when the chirp increases in the far field. (c) 2005 Elsevier GmbH. All rights reserved.

Fields of apertured polychromatic laser beams with Gaussian and Hermite-Gaussian transverse modes

Starting from the Huygens-Fresnel diffraction integral, the field expressions of apertured polychromatic laser beams with Gaussian and Hermite-Gaussian transverse modes are derived. Influence of the bandwidth on the intensity distributions of the laser beams is analyzed. It is found that when the bandwidth increases, the amplitudes and numbers of the intensity spikes decrease and beam uniformity is improved in the near field and the width of transverse intensity distribution of the apertured beams decreases in the far field. Thus, the smoothing and narrowing effects can be achieved by increasing the bandwidth. Also, these effects are found in the laser beams with Hermite-Gaussian transverse modes as the bandwidth increases.(c) 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved.

谱色散平滑与透镜列阵联用实现均匀照明

为满足激光惯性约束聚变中靶面激光辐照不均匀性低于5%的要求, 在目前使用透镜列阵基础上, 提出了谱色散平滑与透镜列阵联用方案, 对其进行数值计算并分析其平滑效果和应用可行性。结果表明:焦斑的不均匀性从单独使用透镜列阵时的14%降低到与谱色散平滑结合后的3%;对焦斑点功率谱的分析表明谱色散平滑通过抑制焦斑中高频的频谱强度达到平滑效果。该方案可以进一步提高焦斑平滑效果, 计算结果对实际应用有着重要的参考意义。

利用二维光谱色散和透镜列阵改善靶面辐照均匀性

利用二维光谱色散平滑技术和透镜列阵(LA)来改善激光驱动器中靶面的辐照均匀性。通过消衍射透镜列阵可得到包络陡峭且中小空间尺度均匀性较好的焦斑。当在光路中加入二维光谱色散平滑单元后,光束在两个互相垂直的方向发生光谱色散,多光束干涉所引起的细密条纹也将在很大程度上被抹平,如果把横向热传导平滑效应也考虑在内,高空间频率的强度波动可进一步被消除。二维理论模拟结果表明采用该方案可获得顶部平坦边缘陡峭的焦斑,而且该方案无需仔细调整靶面的位置,实际应用较方便。

Two-dimensional performance of uniform irradiation with the use of an edge-softened lens array and spectral dispersion

A lens array composed of edge-softened elements is used to improve on-target irradiation uniformity in the Shenguang II Laser Facility, with which a Fresnel pattern of suppressed diffraction peaks is obtained. Additional uniformity can be reached by reducing short-wavelength interference speckles inside the pattern when the technique of smoothing by spectral dispersion is also used. Two-dimensional performance of irradiation is simulated and the results indicate that a pattern of steeper edges and a flat top can be achieved with this joint technique. (c) 2007 Optical Society of America.

Verificação à fadiga de pontes rodoviárias mistas (aço-concreto)

As pontes rodoviárias mistas (aço-concreto) estão sujeitadas às ações dinâmicas variáveis, por exemplo, devido ao tráfego de veículos sobre a superfície irregular do pavimento. Estas ações dinâmicas podem gerar a nucleação de fraturas ou mesmo a sua propagação sobre a estrutura. A correta consideração desses aspectos objetivou o desenvolvimento de uma metodologia de análise, com a finalidade de avaliar os níveis dos esforços e tensões oriundos do tráfego dos veículos sobre a superfície irregular do pavimento e, bem como, proceder uma verificação à fadiga de obras de arte rodoviárias em aço e mistas (aço-concreto). Para tal, as técnicas para a contagem de ciclos de tensão e a aplicação das regras de dano acumulado foram analisadas através de curvas do tipo S-N, associadas a diversas normas de projeto. A ponte rodoviária mista (aço-concreto) investigada neste estudo é constituída por quatro vigas de aço longitudinais e por um tabuleiro de concreto armado. O modelo numérico-computacional, desenvolvido para a análise dinâmica da ponte, foi concebido com base em técnicas usuais de discretização através do método dos elementos finitos. Simulam-se as almas das vigas de aço e as lajes de concreto do tabuleiro através de elementos finitos de casca. As mesas dessas vigas, transversinas e os enrijecedores são modelados por elementos de viga tridimensionais. Os veículos são representados a partir de sistemas "massa-mola-amortecedor". O tráfego dessas viaturas é considerado mediante a simulação de comboios semi-infinitos, deslocando-se com velocidade constante sobre a ponte. As conclusões da presente investigação versam acerca da vida útil de serviço dos elementos estruturais de pontes mistas (aço-concreto).

Modelagem do comportamento dinâmico de passarelas tubulares em aço e mistas (aço-concreto)

A experiência dos engenheiros estruturais e os conhecimentos adquiridos pelo uso de materiais e novas tecnologias, têm ocasionado estruturas de aço e mistas (aço-concreto) de passarelas cada vez mais ousadas. Este fato tem gerado estruturas de passarelas esbeltas, e consequentemente, alterando os seus estados de limite de serviço e último associados ao seu projeto. Uma consequência direta desta tendência de projeto é o aumento considerável das vibrações das estruturas. Portanto, a presente investigação foi realizada com base em um modelo de carregamento mais realista, desenvolvido para incorporar os efeitos dinâmicos induzidos pela caminhada de pessoas. O modelo de carregamento considera a subida e a descida da massa efetiva do corpo em cada passo. A posição da carga dinâmica também foi alterada de acordo com a posição do pedestre sobre a estrutura e a função do tempo gerada, possui uma variação espacial e temporal. O efeito do calcanhar do pedestre também foi incorporado na análise. O modelo estrutural investigado baseia-se em uma passarela tubular (aço-concreto), medindo 82,5m. A estrutura é composta por três vãos (32,5 m, 20,0 m e 17,5 m, respectivamente) e dois balanços (7,5 m e 5,0 m, respectivamente). O sistema estrutural é constituído por perfis de aço tubular e uma laje de concreto, e é atualmente utilizada para travessia de pedestres. Esta investigação é realizada com base em resultados experimentais, relacionando a resposta dinâmica da passarela com as obtidas via modelos de elementos finitos. O modelo computacional proposto adota as técnicas de refinamento de malha, usualmente presente em simulações pelo método de elementos finitos. O modelo de elementos finitos foi desenvolvido e validado com resultados experimentais. Este modelo de passarela tubular permitiu uma avaliação dinâmica completa, investigando especialmente ao conforto humano e seus limites de utilização associados à vibração. A resposta dinâmica do sistema, em termos de acelerações de pico, foi obtida e comparada com os valores limites propostos por diversos autores e padrões de projeto. As acelerações de pico encontradas na presente análise indicou que a passarela tubular investigada apresentou problemas relacionados com o conforto humano. Por isso, foi detectado que este tipo de estrutura pode atingir níveis de vibrações excessivas que podem comprometer o conforto do usuário na passarela e especialmente a sua segurança.

光谱色散后的相位调制光束衍射特性研究

用数值方法研究了激光驱动器系统中使用光谱色散平滑单元后光束的衍射特性、模拟结果表明，光谱色散会使光束衍射光斑变大，近场空间强度均匀性改善，而远场光斑内部存在光强接近于均匀分布的区域．进一步分析了光谱色散平滑单元中相位调制器的调制深度、调制频率及光栅色散系数等主要元件参数对光束传输特性的影响，发现在一定情况下光斑内部会出现较强的强度调制。

光谱色散平滑的实验研究

为提高国内惯性约束聚变（ICF）装置的焦斑平滑能力，在对光谱色散平滑（SSD）技术理论分析的基础上，开展相关实验并研究其平滑机制。实验结合另一种焦斑平滑技术——分布式相位板（DPP）比较分析光谱色散平滑技术应用下的焦斑均匀性的变化。实验表明，利用光谱色散平滑技术中的正弦相位调制对光谱展宽并色散后，在色散方向上的焦斑均匀性有明显改善，120μm内的光强调制被平滑，其平滑能力依赖于光谱色散平滑技术参量的选择；焦斑的低频光谱强度变化很小，但中高频光谱强度下降，焦斑质量有良好的改善，焦斑的不均匀性从40％降低到1