Moho map of South America from receiver functions and surface waves

We estimate crustal structure and thickness of South America north of roughly 40 degrees S. To this end, we analyzed receiver functions from 20 relatively new temporary broadband seismic stations deployed across eastern Brazil. In the analysis we include teleseismic and some regional events, particularly for stations that recorded few suitable earthquakes. We first estimate crustal thickness and average Poisson`s ratio using two different stacking methods. We then combine the new crustal constraints with results from previous receiver function studies. To interpolate the crustal thickness between the station locations, we jointly invert these Moho point constraints, Rayleigh wave group velocities, and regional S and Rayleigh waveforms for a continuous map of Moho depth. The new tomographic Moho map suggests that Moho depth and Moho relief vary slightly with age within the Precambrian crust. Whether or not a positive correlation between crustal thickness and geologic age is derived from the pre-interpolation point constraints depends strongly on the selected subset of receiver functions. This implies that using only pre-interpolation point constraints (receiver functions) inadequately samples the spatial variation in geologic age. The new Moho map also reveals an anomalously deep Moho beneath the oldest core of the Amazonian Craton.

Multivariate analysis of the energy cycle of the South American rainy season

The South American (SA) rainy season is studied in this paper through the application of a multivariate Empirical Orthogonal Function (EOF) analysis to a SA gridded precipitation analysis and to the components of Lorenz Energy Cycle (LEC) derived from the National Centers for Environmental Prediction (NCEP) reanalysis. The EOF analysis leads to the identification of patterns of the rainy season and the associated mechanisms in terms of their energetics. The first combined EOF represents the northwest-southeast dipole of the precipitation between South and Central America, the South American Monsoon System (SAMS). The second combined EOF represents a synoptic pattern associated with the SACZ (South Atlantic convergence zone) and the third EOF is in spatial quadrature to the second EOF. The phase relationship of the EOFs, as computed from the principal components (PCs), suggests a nonlinear transition from the SACZ to the fully developed SAMS mode by November and between both components describing the SACZ by September-October (the rainy season onset). According to the LEC, the first mode is dominated by the eddy generation term at its maximum, the second by both baroclinic and eddy generation terms and the third by barotropic instability previous to the connection to the second mode by September-October. The predominance of the different LEC components at each phase of the SAMS can be used as an indicator of the onset of the rainy season in terms of physical processes, while the existence of the outstanding spectral peaks in the time dependence of the EOFs at the intraseasonal time scale could be used for monitoring purposes. Copyright (C) 2009 Royal Meteorological Society

Satellite Rainfall Estimates Over South America - Possible Applicability to the Water Management of Large Watersheds1

This work analyzes high-resolution precipitation data from satellite-derived rainfall estimates over South America, especially over the Amazon Basin. The goal is to examine whether satellite-derived precipitation estimates can be used in hydrology and in the management of larger watersheds of South America. High spatial-temporal resolution precipitation estimates obtained with the CMORPH method serve this purpose while providing an additional hydrometeorological perspective on the convective regime over South America and its predictability. CMORPH rainfall estimates at 8-km spatial resolution for 2003 and 2004 were compared with available rain gauge measurements at daily, monthly, and yearly accumulation time scales. The results show the correlation between satellite-derived and gauge-measured precipitation increases with accumulation period from daily to monthly, especially during the rainy season. Time-longitude diagrams of CMORPH hourly rainfall show the genesis, strength, longevity, and phase speed of convective systems. Hourly rainfall analyses indicate that convection over the Amazon region is often more organized than previously thought, thus inferring that basin scale predictions of rainfall for hydrological and water management purposes have the potential to become more skillful. Flow estimates based on CMORPH and the rain gauge network are compared to long-term observed average flow. The results suggest this satellite-based rainfall estimation technique has considerable utility. Other statistics for monthly accumulations also suggest CMORPH can be an important source of rainfall information at smaller spatial scales where in situ observations are lacking.

Numerical solution of the eXtended Pom-Pom model for viscoelastic free surface flows

In this paper we present a finite difference method for solving two-dimensional viscoelastic unsteady free surface flows governed by the single equation version of the eXtended Pom-Pom (XPP) model. The momentum equations are solved by a projection method which uncouples the velocity and pressure fields. We are interested in low Reynolds number flows and, to enhance the stability of the numerical method, an implicit technique for computing the pressure condition on the free surface is employed. This strategy is invoked to solve the governing equations within a Marker-and-Cell type approach while simultaneously calculating the correct normal stress condition on the free surface. The numerical code is validated by performing mesh refinement on a two-dimensional channel flow. Numerical results include an investigation of the influence of the parameters of the XPP equation on the extrudate swelling ratio and the simulation of the Barus effect for XPP fluids. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

A computational study of some rheological influences on the ""splashing experiment""

In various attempts to relate the behaviour of highly-elastic liquids in complex flows to their rheometrical behaviour, obvious candidates for study have been the variation of shear viscosity with shear rate, the two normal stress differences N(1) and N(2), especially N(1), the extensional viscosity, and the dynamic moduli G` and G ``. In this paper, we shall confine attention to `constant-viscosity` Boger fluids, and, accordingly, we shall limit attention to N(1), eta(E), G` and G ``. We shall concentrate on the ""splashing"" problem (particularly that which arises when a liquid drop falls onto the free surface of the same liquid). Modern numerical techniques are employed to provide the theoretical predictions. We show that high eta(E) can certainly reduce the height of the so-called Worthington jet, thus confirming earlier suggestions, but other rheometrical influences (steady and transient) can also have a role to play and the overall picture may not be as clear as it was once envisaged. We argue that this is due in the main to the fact that splashing is a manifestly unsteady flow. To confirm this proposition, we obtain numerical simulations for the linear Jeffreys model. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

An improved finite element space for discontinuous pressures

We consider incompressible Stokes flow with an internal interface at which the pressure is discontinuous, as happens for example in problems involving surface tension. We assume that the mesh does not follow the interface, which makes classical interpolation spaces to yield suboptimal convergence rates (typically, the interpolation error in the L(2)(Omega)-norm is of order h(1/2)). We propose a modification of the P(1)-conforming space that accommodates discontinuities at the interface without introducing additional degrees of freedom or modifying the sparsity pattern of the linear system. The unknowns are the pressure values at the vertices of the mesh and the basis functions are computed locally at each element, so that the implementation of the proposed space into existing codes is straightforward. With this modification, numerical tests show that the interpolation order improves to O(h(3/2)). The new pressure space is implemented for the stable P(1)(+)/P(1) mini-element discretization, and for the stabilized equal-order P(1)/P(1) discretization. Assessment is carried out for Poiseuille flow with a forcing surface and for a static bubble. In all cases the proposed pressure space leads to improved convergence orders and to more accurate results than the standard P(1) space. In addition, two Navier-Stokes simulations with moving interfaces (Rayleigh-Taylor instability and merging bubbles) are reported to show that the proposed space is robust enough to carry out realistic simulations. (c) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Experimental and theoretical investigation of first hyperpolarizability in aminophenols

This work reports theoretical and experimental studies on the first hyperpolarizability (beta) of aminophenols, evaluating the influence of the NH(2) group position relative to the OH group on the hyperpolarizability. A new extension of hyper-Rayleigh scattering technique using picosecond pulse trains was employed to obtain the experimental absolute values of (beta). The theoretical static beta(0) values were calculated using AMI method implemented in the AMPAC program. The theoretical and experimental data show a clear dependence between beta and the relative position of the electron donor (D) and acceptor (A) groups, presenting the 2-aminophenol the higher values. Moreover, calculations show excellent qualitative agreement between theoretical and experimental data, which are improved when the simulations considering the solvated molecule in a combination of discrete solvent molecules interacting with the solute and the application of continuous dielectric model. Besides, the study indicates that the experimental hyperpolarizabilities seem to be a property of the solute-solvation shell system. These facts have affirmed that the theoretical approach employed can be successfully used to foresee the variation in beta due to modifications in the D/A position. Moreover, a theoretical study of the ground state absorption is performed and compared with experimental data. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

High T/P evolution and metamorphic ages of the migmatitic basement of northern Sierras Pampeanas, Argentina: Characterization of a mid-crustal segment of the Famatinian belt

New petrologic, thermobarometric and U-Pb monazite geochronologic information allowed to resolve the metamorphic evolution of a high temperature mid-crustal segment of an ancient subduction-related orogen. The EI Portezuelo Metamorphic-Igneous Complex, in the northern Sierras Pampeanas, is mainly composed of migmatites that evolved from amphibolite to granulite metamorphic facies, reaching thermal peak conditions of 670-820 degrees C and 4.5-5.3 kbar. The petrographic study combined with conventional and pseudosection thermobarometry led to deducing a short prograde metamorphic evolution within migmatite blocks. The garnet-absent migmatites represent amphibolite-facies rocks, whereas the cordierite-garnet-K-feldspar-sillimanite migmatites represent higher metamorphic grade rocks. U-Pb geochronology on monazite grains within leucosome record the time of migmatization between approximate to 477 and 470 Ma. Thus, the El Portezuelo Metamorphic-Igneous Complex is an example of exhumed Early Ordovician anatectic middle crust of the Famatinian mobile belt. Homogeneous exposure of similar paleo-depths throughout the Famatinian back-arc and isobaric cooling paths suggest slow exhumation and consequent longstanding crustal residence at high temperatures. High thermal gradients uniformly distributed in the Famatinian back-arc can be explained by shallow convection of a low-viscosity asthenosphere promoted by subducting-slab dehydration. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

A Robust, Fully Adaptive Hybrid Level-Set/Front-Tracking Method for Two-Phase Flows with an Accurate Surface Tension Computation

We present a variable time step, fully adaptive in space, hybrid method for the accurate simulation of incompressible two-phase flows in the presence of surface tension in two dimensions. The method is based on the hybrid level set/front-tracking approach proposed in [H. D. Ceniceros and A. M. Roma, J. Comput. Phys., 205, 391400, 2005]. Geometric, interfacial quantities are computed from front-tracking via the immersed-boundary setting while the signed distance (level set) function, which is evaluated fast and to machine precision, is used as a fluid indicator. The surface tension force is obtained by employing the mixed Eulerian/Lagrangian representation introduced in [S. Shin, S. I. Abdel-Khalik, V. Daru and D. Juric, J. Comput. Phys., 203, 493-516, 2005] whose success for greatly reducing parasitic currents has been demonstrated. The use of our accurate fluid indicator together with effective Lagrangian marker control enhance this parasitic current reduction by several orders of magnitude. To resolve accurately and efficiently sharp gradients and salient flow features we employ dynamic, adaptive mesh refinements. This spatial adaption is used in concert with a dynamic control of the distribution of the Lagrangian nodes along the fluid interface and a variable time step, linearly implicit time integration scheme. We present numerical examples designed to test the capabilities and performance of the proposed approach as well as three applications: the long-time evolution of a fluid interface undergoing Rayleigh-Taylor instability, an example of bubble ascending dynamics, and a drop impacting on a free interface whose dynamics we compare with both existing numerical and experimental data.

A GUI for online presentation of steel and steelmaking ladle temperature data and simulation.

Continuous casting is a casting process that produces steel slabs in a continuous manner with steel being poured at the top of the caster and a steel strand emerging from the mould below. Molten steel is transferred from the AOD converter to the caster using a ladle. The ladle is designed to be strong and insulated. Complete insulation is never achieved. Some of the heat is lost to the refractories by convection and conduction. Heat losses by radiation also occur. It is important to know the temperature of the melt during the process. For this reason, an online model was previously developed to simulate the steel and ladle wall temperatures during the ladle cycle. The model was developed as an ODE based model using grey box modeling technique. The model’s performance was acceptable and needed to be presented in a user friendly way. The aim of this thesis work was basically to design a GUI that presents steel and ladle wall temperatures calculated by the model and also allow the user to make adjustments to the model. This thesis work also discusses the sensitivity analysis of different parameters involved and their effects on different temperature estimations.

Performance evaluation of ventilation radiators

A ventilation radiator is a combined ventilation and heat emission unit currently of interest due to its potential for increasing energy efficiency in exhaust ventilated buildings with warm water heating. This paper presents results of performance tests of several ventilation radiator models conducted under controlled laboratory conditions.   The purpose of the study was to validate results achieved by Computational Fluid Dynamics (CFD) in an earlier study and indentify possible improvements in the performance of such systems. The main focus was on heat transfer from internal convection fins, but comfort and health aspects related to ventilation rates and air temperatures were also considered.   The general results from the CFD simulations were confirmed; the heat output of ventilation radiators may be improved by at least 20 % without sacrificing ventilation efficiency or thermal comfort.   Improved thermal efficiency of ventilation radiators allows a lower supply water temperature and energy savings both for heating up and distribution of warm water in heat pumps or district heating systems. A secondary benefit is that a high ventilation rate can be maintained all year around without risk for cold draught.

Simulação numérica do processo de fusão e solidificação da água no interior de cilindros

Durante a realização de projetos de sistemas de refrigeração assistidos por sistemas de armazenagem de energia, na forma latente, é necessário que se saiba de antemão as taxas de transferência de energia dos mesmos. Na literatura soluções para este problema são escassos e não abordam todas as geometrias utilizadas para o armazenamento de energia latente, inexistindo correlaçõesmatemáticas que permitam aos projetistas prever o comportamento da fusão e da solidificação do material de mudança de fase (MMF) e as taxas de transferência de energia térmica. Na solução destes problemas são usualmente adotadas hipóteses simplificativas para amenizar o grau de complexidade da descrição matemática do problema Uma destas hipóteses constitui-se em desconsiderar o processo advectivo na transferência de calor no MMF, em sua fase líquida. Outra hipótese adotada, quando o MMF é a água pura, consiste em utilizar um comportamento linear para a massa específica ou um comportamento médio, consistindo em um afastamento da realidade. Este trabalho descreve esforços no sentido de aproximar estas soluções cada vez mais da realidade fisica do problema. São apresentadas simulações para a mudança de fase da água pura levando em conta a inversão da massa específica, em geometria polar, na forma transiente, utilizando o método de Volumes Finitos para solução das equações governantes. As soluções apresentadas, otimizadas quanto às malhas espacial e temporal, envolvem condições de contorno de primeira e terceira espécies Como resultado das soluções são apresentados o Nusselt local, ao longo da parede do cilindro além do Nusselt médio. Correlações matemáticas para o número de Nusselt médio durante a fusão e para o volume de MMF fundido, são propostos e apresentados. A evolução geométrica da fronteira de mudança de fase também é avaliada para as duas condições de contorno e diversos números de Rayleigh. Comparações entre o volume fundido considerando apenas o processo difusivo e o volume fundido utilizando a convecção são realizadas. Para a verificação da independ~encia de malha aplica-se o índice de convergência de malha (GCI) . Algumas comparações qualitativas com soluções experimentais disponíveis na literatura são apresentadas.

Desenvolvimento de um programa de simulação computacional de sistemas de aquecimento solar para água

Esta Tese apresenta uma análise do comportamento térmico de um sistema de aquecimento solar operando por termossifão. Neste tipo de sistema o fluido no coletor solar é circulado por convecção natural, que acontece devido à diferença de massa específica da água ao longo circuito. Nestes sistemas a vazão mássica varia ao longo do dia e do ano, dependendo, dentre outros fatores, da irradiância solar absorvida, do perfil de temperaturas da água no sistema, da geometria, do volume e do perfil de demanda de água quente. Para uma avaliação detalhada do comportamento térmico de aquecedores solares operando por termossifão foram realizados ensaios experimentais e cálculos teóricos. Os resultados dos experimentos concordaram com aqueles apresentados na literatura e sua análise fundamentou o desenvolvimento do aplicativo TermoSim, um programa de simulação computacional do comportamento térmico de sistemas de aquecimento de água com energia solar. O tratamento matemático adotado no TermoSim compreende a modelagem dos coletores solares de acordo com a teoria de Hottel-Bliss-Whillier. O reservatório térmico é modelado com estratificação térmica, convecção e condução entre as camadas. A vazão mássica é obtida a partir do balanço da quantidade de movimento no circuito. Os modelos matemáticos empregados na construção do aplicativo TermoSim foram validados através do confronto dos resultados simulados com medidas experimentais. Foi demonstrado que a utilização destes modelos é adequada e permite reproduzir com precisão o comportamento térmico dos coletores solares e do reservatório térmico. Além do programa TermoSim, foi também desenvolvido o programa TermoDim, que é uma ferramenta para o dimensionamento de sistemas de aquecimento solar, que requer apenas o conhecimento dos parâmetros geométricos do sistema, dados meteorológicos em média mensal e informação a respeito do volume de demanda. O TermoDim é apropriado para estimar o desempenho de aquecedores solares operando por termossifão com tanques verticais e horizontais. O método de dimensionamento do TermoDim é baseado na correlação para a eficiência média mensal obtida neste trabalho a partir de um grande número de simulações.

Simulação computacional por dinâmica molecular de propriedades de equilíbrio e espectroscópicas de misturas líquidas CS2/C6H6

Propriedades de equilíbrio e espectroscópicas são determinadas para a mistura líquida CS2/C6H6 na temperatura de 298K e nas frações molares de benzeno iguais a 0,25, 0,50 e 0,75, usando simulação computacional por Dinâmica Molecular. As interações intermoleculares são descritas em relaçãao a todos os átomos por um potencial Lennard-Jones (12/6), com as interações eletrostáticas representadas por quadrupolos pontuais, localizados nos centros de massa das mol´eculas. Um segundo potencial também é considerado, onde a distribuição de cargas na molécula é usada para descrever as interações eletrostáticas. Dados termodinâmicos e propriedades estruturais, descritas através de funções de distribuição radial e de correlação angular, são calculados. Os resultados obtidos com os dois potenciais mostram boa concordância com os dados experimentais. A análise das frações molares locais e das energias internas indica que a mistura líquida CS2/C6H6 apresenta comportamento aproximadamente ideal. As funções de distribuição radial e de correlação angular evidenciam uma configuração preferencialmente paralela entre as moléculas de CS2 e C6H6 a distâncias menores em relação a distância do máximo da função de distribução , correspondente a primeira camada de coordenação . Nesta região, a configuração perpendicularé fracamente favorecida em relação as demais orientações. Funções de correlação temporal da polarizabilidade coletiva e da polarizabilidade molecular, correspondentes aos espalhamentos Rayleigh e Raman, respectivamente, são calculadas a partir do modelo de interação dipolo induzido por dipolo de 1a ordem. As funções de correlação são divididas nas contribuições orientacional, induzida por colisão e cruzada, e nas contribuições dos componentes. Propriedades de equilíbrio como anisotropia efetiva e intensidades integradas são determinadas para as misturas e líquidos puros. Os resultados indicam que a correlação orientacional entre as moléculas de CS2 é a maior responsável pelos espectros Rayleigh e espectros Raman deste componente. A maior participação do benzeno ocorre no espalhamento Raman com uma maior correlação na contribuição induzida por colisão. A separação na escala temporal entre a dinâmica reorientacional e induzida por colisão determinada na simulação é menor em relação ao experimento. Tempos de correlação da contribuição induzida por colisão são maiores nas misturas em relação aos líquidos puros no espalhamento Rayleigh, conforme o experimento, e estão relacionados a contribuições significativas das funções de correlação entre os componentes CS2 e benzeno a tempo longo. Funções de correlação temporal do momento dipolar coletivo são determinadas a partir do modelo dipolo induzido por quadrupolo e analisadas em termos de contribuições isotrópicas, anisotrópicas e cruzadas, como também de contribuições dos componentes. A relação entre estes termos é concordante com os parâmetros moleculares de anisotropia e quadrupolo dos componentes. Os resultados da simulação indicam absorbância de excesso para as misturas em uma ordem semelhante a do experimento. O tempo de correlação maior na mistura de fração molar de benzeno igual a 0,25, também encontrado no experimento, está relacionado a elevada contribuição a tempo longo da função de correlação entre dipolos induzidos em moléculas de CS2 por moléculas de C6H6. Os espectros calculados na simulação e os espectros experimentais do espalhamento de luz despolarizado Rayleigh apresentam boa concordância, validando os modelos de potenciais de interação e de indução usados. No entanto, diferenças são encontradas no infravermelho longínquo. Modi cações no modelo simplificado de indução são propostas.

Caracterização de suspensões de nanopartículas poliméricas estudadas como carreadores de fármacos através de técnicas de espalhamento de luz e de raios-x a baixo ângulo

O objetivo do presente estudo foi caracterizar suspensões de nanopartículas (NP) de poli(-caprolactona) (PCL) contendo indometacina. Nanocápsulas com fármaco (NC1) foram submetidas a tratamento térmico para verificar se uma relaxação das cadeias poliméricas que recobrem o núcleo pudesse ocorrer. Resultados similares de grau de despolarização da luz espalhada ( c0), determinado por Espalhamento de luz estático, e pH, para as NC que passaram ou não por tratamento térmico, sugeriram que essa relaxação não ocorreu. NC, nanoemulsão (NE) e nanoesfera (NS) apresentaram  c0 que caracterizam espécies esféricas. No entanto, a suspensão NC3 (com fármaco em excesso) apresentou valores de  c0 que sugeriram a presença de nanocristais de fármaco em suspensão. A partir disto, analisou-se a intensidade de luz espalhada por NC0 (NC sem fármaco), NC1, NC3 e nanodispersões com e sem fármaco (ND1 e ND0, respectivamente). Houve uma queda brusca nas intensidades médias de luz espalhada pela NC3 e ND1 após armazenagem, evidenciada também através da normalização das intensidades pela Razão de Rayleigh. Estes dados, associados à redução do teor de fármaco após armazenagem, apenas para NC3 e ND1, levaram à conclusão de que são formados nanocristais de fármaco durante o preparo destas NP e que estes se depositam ao longo do tempo, reduzindo a intensidade de luz espalhada pelas amostras. Por outro lado, a NC1, quando formulada, não apresentou nanocristais nem houve formação desses após armazenagem Houve grande semelhança entre os espectros de Espalhamento de raios-X a baixo ângulo (SAXS) de NS e ND, atribuída à presença do tensoativo monostearato de sorbitano disperso nestas NP. Este tensoativo não foi identificado em espectros de SAXS de NC e NE. O mesmo perfil de espectro foi obtido para NC contendo diferentes concentrações de PCL, levando à conclusão de que as NC devem manter sua organização em nível molecular independente da concentração de PCL utilizada