ASYM20: a program for force constant and normal coordinate calculations, with a critical review of the theory involved

The theory of harmonic force constant refinement calculations is reviewed, and a general-purpose program for force constant and normal coordinate calculations is described. The program, called ASYM20. is available through Quantum Chemistry Program Exchange. It will work on molecules of any symmetry containing up to 20 atoms and will produce results on a series of isotopomers as desired. The vibrational secular equations are solved in either nonredundant valence internal coordinates or symmetry coordinates. As well as calculating the (harmonic) vibrational wavenumbers and normal coordinates, the program will calculate centrifugal distortion constants, Coriolis zeta constants, harmonic contributions to the α′s. root-mean-square amplitudes of vibration, and other quantities related to gas electron-diffraction studies and thermodynamic properties. The program will work in either a predict mode, in which it calculates results from an input force field, or in a refine mode, in which it refines an input force field by least squares to fit observed data on the quantities mentioned above. Predicate values of the force constants may be included in the data set for a least-squares refinement. The program is written in FORTRAN for use on a PC or a mainframe computer. Operation is mainly controlled by steering indices in the input data file, but some interactive control is also implemented.

Torque in mooring chain. Part 1: Background and theory

Chain in both its forms - common (or stud-less) and stud-link - has many engineering applications. It is widely used as a component in the moorings of offshore floating systems, where its ruggedness and corrosion resistance make it an attractive choice. Chain exhibits some interesting behaviour in that when straight and subject to an axial load it does not twist or generate any torque, but if twisted or loaded when in a twisted condition it behaves in a highly non-linear manner, with the torque dependent upon the level of twist and axial load. Clearly an understanding of the way in which chains may behave and interact with other mooring components (such as wire rope, which also exhibits coupling between axial load and generated torque) when they are in service is essential. However, the sizes of chain that are in use in offshore moorings (typical bar diameters are 75 mm and greater) are too large to allow easy testing. This paper, which is in two parts, aims to address the issues and considerations relevant to torque in mooring chain. The first part introduces a frictionless theory that predicts the resultant torques and 'lift' in the links as non-dimensionalized functions of the angle of twist. Fortran code is presented in an Appendix, which allows the reader to make use of the analysis. The second part of the paper presents results from experimental work on both stud-less (41 mm) and stud-link (20.5 and 56 mm) chains. Torsional data are presented in both 'constant twist' and 'constant load' forms, as well as considering the lift between the links.

A comparative study of Java and C performance in two large-scale parallel applications

In the 1990s the Message Passing Interface Forum defined MPI bindings for Fortran, C, and C++. With the success of MPI these relatively conservative languages have continued to dominate in the parallel computing community. There are compelling arguments in favour of more modern languages like Java. These include portability, better runtime error checking, modularity, and multi-threading. But these arguments have not converted many HPC programmers, perhaps due to the scarcity of full-scale scientific Java codes, and the lack of evidence for performance competitive with C or Fortran. This paper tries to redress this situation by porting two scientific applications to Java. Both of these applications are parallelized using our thread-safe Java messaging system—MPJ Express. The first application is the Gadget-2 code, which is a massively parallel structure formation code for cosmological simulations. The second application uses the finite-domain time-difference method for simulations in the area of computational electromagnetics. We evaluate and compare the performance of the Java and C versions of these two scientific applications, and demonstrate that the Java codes can achieve performance comparable with legacy applications written in conventional HPC languages. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.

Molecular t-matrices for low-energy electron diffraction (TMOL v1.1)*1

We describe a FORTRAN-90 program that computes scattering t-matrices for a molecule. These can be used in a Low-Energy Electron Diffraction program to solve the molecular structural problem very efficiently. The intramolecular multiple scattering is computed within a Dyson-like approach, using free space Green propagators in a basis of spherical waves. The advantage of this approach is related to exploiting the chemical identity of the molecule, and to the simplicity to translate and rotate these t-matrices without performing a new multiple-scattering calculation for each configuration. FORTRAN-90 routines for rotating the resulting t-matrices using Wigner matrices are also provided.

Canonical description of the perspective projections

A unique parameterization of the perspective projections in all whole-numbered dimensions is reported. The algorithm for generating a perspective transformation from parameters and for recovering parameters from a transformation is a modification of the Givens orthogonalization algorithm. The algorithm for recovering a perspective transformation from a perspective projection is a modification of Roberts' classical algorithm. Both algorithms have been implemented in Pop-11 with call-out to the NAG Fortran libraries. Preliminary monte-carlo tests show that the transformation algorithm is highly accurate, but that the projection algorithm cannot recover magnitude and shear parameters accurately. However, there is reason to believe that the projection algorithm might improve significantly with the use of many corresponding points, or with multiple perspective views of an object. Previous parameterizations of the perspective transformations in the computer graphics and computer vision literature are discussed.

FAMOUS, faster: using parallel computing techniques to accelerate the FAMOUS/HadCM3 climate model with a focus on the radiative transfer algorithm

We have optimised the atmospheric radiation algorithm of the FAMOUS climate model on several hardware platforms. The optimisation involved translating the Fortran code to C and restructuring the algorithm around the computation of a single air column. Instead of the existing MPI-based domain decomposition, we used a task queue and a thread pool to schedule the computation of individual columns on the available processors. Finally, four air columns are packed together in a single data structure and computed simultaneously using Single Instruction Multiple Data operations. The modified algorithm runs more than 50 times faster on the CELL’s Synergistic Processing Elements than on its main PowerPC processing element. On Intel-compatible processors, the new radiation code runs 4 times faster. On the tested graphics processor, using OpenCL, we find a speed-up of more than 2.5 times as compared to the original code on the main CPU. Because the radiation code takes more than 60% of the total CPU time, FAMOUS executes more than twice as fast. Our version of the algorithm returns bit-wise identical results, which demonstrates the robustness of our approach. We estimate that this project required around two and a half man-years of work.

Programs to compute magnetization to density ratio and the magnetization inclination from 3-D gravity and magnetic anomalies

Vector field formulation based on the Poisson theorem allows an automatic determination of rock physical properties (magnetization to density ratio-MDR-and the magnetization inclination-MI) from combined processing of gravity and magnetic geophysical data. The basic assumptions (i.e., Poisson conditions) are: that gravity and magnetic fields share common sources, and that these sources have a uniform magnetization direction and MDR. In addition, the previously existing formulation was restricted to profile data, and assumed sufficiently elongated (2-D) sources. For sources that violate Poisson conditions or have a 3-D geometry, the apparent values of MDR and MI that are generated in this way have an unclear relationship to the actual properties in the subsurface. We present Fortran programs that estimate MDR and MI values for 3-D sources through processing of gridded gravity and magnetic data. Tests with simple geophysical models indicate that magnetization polarity can be successfully recovered by MDR-MI processing, even in cases where juxtaposed bodies cannot be clearly distinguished on the basis of anomaly data. These results may be useful in crustal studies, especially in mapping magnetization polarity from marine-based gravity and magnetic data. (c) 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Solar position diagram

Program SOLVEJ är ett användarvänligt program som visar solens vandring över himlavalvet vid upp till fem valfria datum och vid valfri ort. Programmet är utvecklat av två skäl. För det första, att demonstreras för en intresserad allmänhet som del av vandringsutställning om solenergi, vilken är initierad och utarbetad av SERC. För det andra, att användas av solenerglintressenter för att snabbt få en uppfattning om solinstrålningen på en ort vid olika tidpunkter på året.Indata till programmet ges från tangentbordet. Som svar på frågor skrivs för vilken ort diagrammet skall gälla, max fem datum, ortens latitud och longitud, som anges positiv i västlig riktning, samt tidszonen. Varje uppgift avslutas med tryck på tangenten ENTER. Programmet kommer nu att rita ett koordinatsystem på skärmen. Första axeln visar vädersträcken, norr, öster, söder, väster och norr, varje delstreck utgör 10 grader. För södra halvklotet byter norr och söder plats. Andra axeln visar höjden över horisonten i grader, 0 till 90 grader och 10 grader för varje delstreck. Efter några sekunder ritas diagrammet upp med solhöjden som funktion av väderstrecket och varje hel timme markerad. Se fig. 1-4. Slutligen frågas efter om diagrammet skall ritas ut på printer. SOLVEJ avbrytes med att trycka CTRL+BREAK.SOLVEJ är skrivet i Quick-BASIC (se App. 1) och leveras både som källkod och körklar version. Lämplig dator är IBM-kompatibel AT med EGA- eller VGA-skärmkort (ej Herkules Lämplig printer är IBM Proprinter eller liknande matrisskrivare, kopplad till LPT1 på kommunikationskortet.Till grund för beräkningarna har använts artikeln On Calculating the Position of the Sun, publicerad i nr. 1 1988 av The International Journal of Ambient Energy. Fem empiriska ekvationer beträffande beräkningar av solens position har studerats för att undersöka deras tillförlitlighet. Felaktigheter på fem grader eller mer kan uppträda om man använder sig av de enkla ekvationer som kan hittas solenergi-böcker och som inte kräver tillgång till dator. FORTRAN-rutinen SUNAE2 (se App. 2) beräknar solpositionen med noggrannast kända metod. Program SOLVEJ är en utveckling av SUNAE2.

Model Configuration And Data Management In The Short-Term Water Information Forecasting Tools

The Short-term Water Information and Forecasting Tools (SWIFT) is a suite of tools for flood and short-term streamflow forecasting, consisting of a collection of hydrologic model components and utilities. Catchments are modeled using conceptual subareas and a node-link structure for channel routing. The tools comprise modules for calibration, model state updating, output error correction, ensemble runs and data assimilation. Given the combinatorial nature of the modelling experiments and the sub-daily time steps typically used for simulations, the volume of model configurations and time series data is substantial and its management is not trivial. SWIFT is currently used mostly for research purposes but has also been used operationally, with intersecting but significantly different requirements. Early versions of SWIFT used mostly ad-hoc text files handled via Fortran code, with limited use of netCDF for time series data. The configuration and data handling modules have since been redesigned. The model configuration now follows a design where the data model is decoupled from the on-disk persistence mechanism. For research purposes the preferred on-disk format is JSON, to leverage numerous software libraries in a variety of languages, while retaining the legacy option of custom tab-separated text formats when it is a preferred access arrangement for the researcher. By decoupling data model and data persistence, it is much easier to interchangeably use for instance relational databases to provide stricter provenance and audit trail capabilities in an operational flood forecasting context. For the time series data, given the volume and required throughput, text based formats are usually inadequate. A schema derived from CF conventions has been designed to efficiently handle time series for SWIFT.

Análise não linear física e geométrica de pórticos espaciais

Apresenta-se uma formulação do tipo incrementaliterativa destinada a análise não linear de pórticos espaciais. Considera-se os efeitos não lineares introduzidos pelas mudanças de configuração geométrica da estrutura e também pela combinação destes efeitos com aqueles inerentes ao comportamento plástico exibido pelo material. As relações cinemáticas empregadas permitem a consideração de deslocamentos arbitrariamente grandes, acompanhadas de pequenas deformações . A modelagem do comportamento plástico do material é efetuada através do conceito de rótula plástica, estabelecido a partir de um critério de plastificação generalizado. Adota-se uma matriz de rigidez geométrica de barra baseada em momentos semitangenciais. Para elementos com extremos plastificados, é deduzida uma matriz de rigidez elasto-plástica. Emprega-se um método numérico do tipo incremental-iterativo, que utiliza como condição básica de controle da análise a constância do trabalho realizado pelos incrementos de cargas, em cada passo incremental (Método de Controle por Trabalho).A formulação permite uma descricão completa do desempenho mecânico da estrutura, inclusive em estágio de deformação pós-crítico em que ocorre regressão do carregamento com aumento de deslocamentos, ou vice-versa. A formulação foi implementada em um programa computacional elaborado em linguagem FORTRAN. Vários exemplos numéricos são apresentados para mostrar a eficiência das procedimentos propostos.

Avanços no método LTSn para cálculo de criticalidade e desenvolvimento da primeira versão do código LTSn

O objetivo deste trabalho consiste no desenvolvimento de alguns avanços, teóricos e numéricos, no método LTSN visando implementar a primeira versão de um código computacional, para resolver a equação de transporte utilizando formulação LTSN na forma de multigrupos em geometria plana. Os avanços para o método LTSN estão fundamentados na solução iterativa para o sistema de equações que constituem as condições de contorno, um novo método para a busca do valor de keff baseado no método da bissecção. O desenvolvimento desta metodologia permitiu realizar o calculo muito rápido com altas ordens de quadratura e com esforço computacional muito reduzido. Juntos os avanços matemáticos e numéricos, implementados nesta primeira versão de um código fortran, tal como nos códigos já conhecidos permite solucionar a equação de transporte na forma de multigrupos, tanto para o cálculo direto como para o adjunto, com fontes arbitrárias. Este código utiliza de recursos computacionais da linguagem FORTRAN e as bibliotecas LAPACK, para a otimização de seus algoritmos, facilitando o desenvolvimento futuro. A validação deste trabalho foi feita utilizando dois problemas: um relativo ao fluxo angular e escalar, tanto para o fluxo direto como para o adjunto, cuja importância está relacionada com busca de convergência, relação de reciprocidade e comprovação da solução adjunta, e; um problema de criticalidade, para comprovar a eficácia do algoritmo de busca iterativa de keff e espessura crítica. Com este trabalho se abrem muitas possibilidades tanto teóricas como numéricas a investigar com o método LTSN.

Análise numérica de problemas de fratura elástica e elastoplástica

Este trabalho apresenta o método dos elementos finitos em conjunto com métodos numéricos especificos para a solução de problemas de fratura. Esta é uma poderosa ferramenta para a análise de fraturas e soluções confiáveis são obtidas para problemas complexos de Engenharia tanto no campo linear como no não-linear. O elemento finito. implementado é do tipo isoparamétrico quadrâtico da família Serendipity. Com dois graus de liberdade por nó, permite discretizar em estado plano de tensão ou deformação estruturas com geometrias bastante variadas. Para a análise linear são implementadas quatro técnicas consagradas para a avaliação do fator de intensidade de tensão no modo I de fratura: extrapolação de doslocamentos (usando malha somente com elementos convencionais e malha mesclada com elementos especiais), taxa de liberação de energia de defermação, extensão virtual da trinca e o método da integral J, descartando-se neste caso a hipótese de descarregamento. A linguagem de programação adotada é o FORTRAN 77. A entrada de dados é feita por intermédio de arquivos previamente preparados. Os resultados obtidos são confrontados com resultados experimentais e computacionais fornecidos por outros programas. Analisam-se placas, estruturas de uso na indústria e simulam-se ensaios como o corpo de prova de flexão em três pontos e o corpo de prova de tensão. compacto.

Análise da interação solo-estrutura em fundações de concreto armado pelo método dos elementos finitos

A análise da iteração solo-estrutura em fundações é um importante campo de pesquisa que ainda tem um grande progresso a ser feito. No presente trabalho foi desenvolvido um programa computacional para a análise da interação solo-estrutura de fundações de concreto armado. Este tema abrange duas áreas da engenharia civil: estruturas e geotecnia. O método dos elementos finitos foi usado no trabalho na seqüência para resolver o problema considerando estado plano de defonnação e comportamento elastoplásti.co dos materiais estudados (solo, concreto e aço). A linguagem de programação MATLAB foi usada em toda esta pesquisa como alternativa ao FORTRAN. O MATLAB foi escolhido uma vez que é uma linguagem de programação que permite facilmente construir uma interfàce de pré e pósprocessamento amigável. Os passos para a solução completa do problema foram os seguintes: Primeiramente um programa foi desenvolvido considerando o comportamento elastoplástico com critérios de plastificação e ruptura específicos para o concreto e solo. Soluções analíticas fechadas foram usadas para checar a precisão do programa. O segundo passo foi a introdução do reforço de aço no concreto por meio de um modelo para armaduras. Logo após, um modelo de fissuras para o concreto 1racionado foi in1roduzido no programa. Na seqüência o programa de pré e pós-processamento foi desenvolvido para gerar a malha de elementos finitos (pré-processamento), distribuição tensões e deformações, mapa de fissuras, etc (pósprocessamento). Finalmente, os parâme1ros constitutivos do solo, concreto e aço foram calibrados e várias situações reais de interação do solo-concreto de fundações de concreto armado foram simuladas. Nesta dissertação são encontrados resultados para as pressões de contato sapata-solo. Diferentes diagramas de tensões de interfàce foram obtidos em função rigidez relativa do elemento estrutural de concreto armado-solo. Na análise mnnérica, rigidez relativa desempenhou uma relevante função no comportamento mecânico do elemento estrutural de concreto armado (sapata) e da base de assentamento (solo), uma vez ruptura em ambos os casos esteve diretamente relacionada a esta grandeza. São encon1rados, em função da rigidez relativa, resultados indicativos dos modos de falha da fundação, excessiva plastificação do solo em fundações com rigidez relativa alta, e a plastificação armaduras, esmagamento do concreto, formação de fissuras, bielas e confinamento concreto para fundações de rigidez relativa baixa. Na análise numérica, obteve-se resultados importantes com relação ao projeto de fundações. Estes resultados foram cOnITontadoscom normas, destacando-se as discordâncias com relação às recomendações da nonna brasileira Projeto e Execução de Fundações" NBR-6122 (1996) para os diagramas de tensões interface sapata-solo usados no dimensionamento de fundações de concreto armado.

Métodos de simulação para ciclos de Rankine

O presente trabalho é dedicado ao estudo de métodos de simulação para ciclos de Rankine. O trabalho é iniciado com a modelagem de um ciclo de Rankine simples e segue evoluindo para configurações mais complexas tal como o ciclo de Rankine com reaquecimento e regeneração. São adotadas as considerações mais convencionais da prática de projeto de centrais termelétricas cujos sistema térmicos baseiam-se no ciclo de Rankine, incluindo-se queda de pressão em tubulações do circuito além de outras perdas. Em seguida, são estabelecidas as expressões matemáticas que possibilitam a determinação das propriedades termodinâmicas da água em seus mais diversos estados ao longo do ciclo. Por último, são desenvolvidos métodos de simulação, chamados neste trabalho de Substituição Sucessiva e Bloco Único, que caracterizam-se pela resolução simultânea do conjunto de equações algébricas dos ciclos elaborados. As simulações são efetuadas através de programas escritos na linguagem Fortran. Os métodos de simulação são aplicados para a obtenção dos resultados considerados mais importantes na análise de sistemas térmicos de potência, tais como rendimento térmico do ciclo, título na saída da turbina, vazões mássicas pelo sistema, potência nas bombas e calor trocado no gerador de vapor e no condensador Na maioria das simulações, estes resultados apresentam-se como funções da: (1) potência elétrica requerida, eficiência isentrópica e pressões na turbina; (2) eficiência térmica, pressão e temperatura no gerador de vapor; (3) pressão e grau de subresfriamento do líquido saturado no condensador e (4) eficiência isentrópica das bombas. São obtidos os mesmos resultados para os métodos de simulação utilizados. O método da Substituição Sucessiva apresentou menor tempo computacional, principalmente para configurações de ciclo mais complexas. Uma aplicação alternativa do método de Bloco Único demonstrou ser inconveniente para ciclos de configurações mais complexas devido ao elevado tempo computacional, quando todas as equações de cálculo das propriedades termodinâmicas são incluídas no sistema de equações a ser resolvido. Melhores rendimentos térmicos e título na saída da turbina foram obtidos para configurações de ciclo de Rankine com reaquecimento e regeneração.

Solução da equação de condução de calor bidimensional, em meios multicompostos, pelos métodos nodal, com parâmetros concentrados, e a técnica da transformada de Laplace

Neste trabalho, desenvolvemos uma metodologia semi-analítica para solução de problemas de condução de calor bidimensional, não-estacionária em meios multicompostos. Esta metodologia combina os métodos nodal, com parâmetros concentrados, e a técnica da transformada de Laplace. Inicialmente, aplicamos o método nodal. Nele, a equação diferencial parcial que descreve o problema é integrada, transversalmente, em relação a uma das variáveis espaciais. Em seguida, é utilizado o método de parâmetros concentrados, onde a distribuição de temperatura nos contornos superior e inferior é substituída pelo seu valor médio. Os problemas diferenciais unidimensionais resultantes são então resolvidos com o uso da técnica da transformada de Laplace, cuja inversão é avaliada numericamente. O método proposto é usado na solução do problema de condução de calor, em paredes de edificações. A implementação computacional é feita, utilizando-se a linguagem FORTRAN e os resultados numéricos obtidos são comparados com os disponíveis na literatura.