Floating zone convection

The microgravity research, as a branch of the advanced sciences and a spe- cialized field of high technology, has been made in China since the late 1980's. The research group investigating microgravity fluid physics consisted of our col- leagues and the authors in the Institute of Mechanics of the Chinese Academy of Sciences (CAS), and we pay special attention to the floating zone convection as our first research priority. Now, the research group has expanded and is a part of the National Microgravity Laboratory of the CAS, and the research fields have been extended to include more subjects related to microgravity science. Howev- er, the floating zone convection is still an important topic that greatly holds our research interests.

Nonlinear Fluid Damping In Structure-Wake Oscillators In Modeling Vortex-Induced Vibrations

A Nonlinear Fluid Damping (NFD) in the form of the square-velocity is applied in the response analysis of Vortex-induced Vibrations (VIV). Its nonlinear hydrodynamic effects oil the coupled wake and structure oscillators are investigated. A comparison between the coupled systems with the linear and nonlinear fluid dampings and experiments shows that the NFD model can well describe response characteristics, such as the amplification of body displacement at lock-in and frequency lock-ill, both at high and low mass ratios. Particularly, the predicted peak amplitude of the body in the Griffin plot is ill good agreement with experimental data and empirical equation, indicating the significant effect of the NFD on the structure motion.

Subgrid scale fluid velocity timescales seen by inertial particles in large-eddy simulation of particle-laden turbulence

Large-eddy simulation (LES) has emerged as a promising tool for simulating turbulent flows in general and, in recent years,has also been applied to the particle-laden turbulence with some success (Kassinos et al., 2007). The motion of inertial particles is much more complicated than fluid elements, and therefore, LES of turbulent flow laden with inertial particles encounters new challenges. In the conventional LES, only large-scale eddies are explicitly resolved and the effects of unresolved, small or subgrid scale (SGS) eddies on the large-scale eddies are modeled. The SGS turbulent flow field is not available. The effects of SGS turbulent velocity field on particle motion have been studied by Wang and Squires (1996), Armenio et al. (1999), Yamamoto et al. (2001), Shotorban and Mashayek (2006a,b), Fede and Simonin (2006), Berrouk et al. (2007), Bini and Jones (2008), and Pozorski and Apte (2009), amongst others. One contemporary method to include the effects of SGS eddies on inertial particle motions is to introduce a stochastic differential equation (SDE), that is, a Langevin stochastic equation to model the SGS fluid velocity seen by inertial particles (Fede et al., 2006; Shotorban and Mashayek, 2006a; Shotorban and Mashayek, 2006b; Berrouk et al., 2007; Bini and Jones, 2008; Pozorski and Apte, 2009).However, the accuracy of such a Langevin equation model depends primarily on the prescription of the SGS fluid velocity autocorrelation time seen by an inertial particle or the inertial particle–SGS eddy interaction timescale (denoted by $\delt T_{Lp}$ and a second model constant in the diffusion term which controls the intensity of the random force received by an inertial particle (denoted by C_0, see Eq. (7)). From the theoretical point of view, dTLp differs significantly from the Lagrangian fluid velocity correlation time (Reeks, 1977; Wang and Stock, 1993), and this carries the essential nonlinearity in the statistical modeling of particle motion. dTLp and C0 may depend on the filter width and particle Stokes number even for a given turbulent flow. In previous studies, dTLp is modeled either by the fluid SGS Lagrangian timescale (Fede et al., 2006; Shotorban and Mashayek, 2006b; Pozorski and Apte, 2009; Bini and Jones, 2008) or by a simple extension of the timescale obtained from the full flow field (Berrouk et al., 2007). In this work, we shall study the subtle and on-monotonic dependence of $\delt T_{Lp}$ on the filter width and particle Stokes number using a flow field obtained from Direct Numerical Simulation (DNS). We then propose an empirical closure model for $\delta T_{Lp}$. Finally, the model is validated against LES of particle-laden turbulence in predicting single-particle statistics such as particle kinetic energy. As a first step, we consider the particle motion under the one-way coupling assumption in isotropic turbulent flow and neglect the gravitational settling effect. The one-way coupling assumption is only valid for low particle mass loading.

Influence of Rayleigh-Taylor Instability on Liquid Propellant Reorientation in a Low-Gravity Environment

A computational simulation is conducted to investigate the influence of Rayleigh-Taylor instability on liquid propellant reorientation flow dynamics for the tank of CZ-3A launch vehicle series fuel tanks in a low-gravity environment. The volume-of-fluid (VOF) method is used to simulate the free surface flow of gas-liquid. The process of the liquid propellant reorientation started from initially flat and curved interfaces are numerically studied. These two different initial conditions of the gas-liquid interface result in two modes of liquid flow. It is found that the Rayleigh-Taylor instability can be reduced evidently at the initial gas-liquid interface with a high curve during the process of liquid reorientation in a low-gravity environment.

Chemistry of low-valent platinum dimers

Physical and chemical properties of low-valent platinum dimers, namely [Pt_2(P_2O_5H_2)4]^(4-) and Pt_2(µ-dppm)_2Cl_2, have been investigated using a variety of structural and spectroscopic techniques.

Platinum(II) d^8-d^8 dimers have been shown to exhibit much thermal and photochemical reactivity. Chapter 2 describes studies aimed at elucidating the excited state reduction potenetial of [Pt_2(P_2O_5H_2)4]^(4-), Pt_2, in organic media. By conducting excited state electron transfer studies using derivatized pyridiniums and benzophenones, the excited state reduction potential has been estimated to be ~2 V. The Pt_2 complex undergoes partial oxidation to form Pt(II,III) linear chains. Chapter 3 describes the structural and spectroscopic techniques used to determine the translational symmetries of these [Pt_2(P_2O_5H_2)4]^(4-) (X = Cl, Br), Pt_2X, chains. Pt_2Br has been found to be intermediate between (AAB)_n and (AABCCB)_n, while, Pt_2Cl is of (AABCCB)_n translational symmetry. Investigations into the electronic transitions of Pt_2Cl and Pt_2Br were conducted using high pressure techniques and are presented in Chapter 4. The Pt_2X electronic spectrum exhibits bands attributable to the reduced Pt2 complex and the oxidized Pt_2X_2 complex [Pt_2(P_2O_5H_2)4]^(4-) along with an intervalence charge-tranfer band characteristic of a mixed-valence solid.

Photophysical investigations of a new luminescent chromophore, Pt_2(µ-dppm)_2Cl_2, a d^9-d^9 dimer, and its analogs are described in Chapter 5. The absorption band directly responsible for the observed emission is believed to be very weak and, as of yet, unobserved. Attempts to determine the spin multiplicty and approximate energy of this unobserved transition are described in Chapter 6. Excited-state energy transfer studies indicate that this absorption band is a triplet transition at -13,000 cm^(-1). Although, the Pt_2(µ-dppm)_2Cl_2 excited state is non-luminescent in fluid solution, it has been shown to undergo thermal electron transfer to tetracyanoethylene and photoinduced electron transfer to methylviologen. These experiments are presented in Chapter 7. Preliminary studies, described in Chapter 8, of non-bridged d^9-d^9 platinum(I) dimers have shown that [Pt_2(CNCH_3)_6]^(2+) serves as a versatile precursor in the synthesis of new d^8-d^8 A-frame complexes.

Structural and clumped-isotope constraints on the mechanisms of displacement along low-angle detachments

Despite years of research on low-angle detachments, much about them remains enigmatic. This thesis addresses some of the uncertainty regarding two particular detachments, the Mormon Peak detachment in Nevada and the Heart Mountain detachment in Wyoming and Montana.

Constraints on the geometry and kinematics of emplacement of the Mormon Peak detachment are provided by detailed geologic mapping of the Meadow Valley Mountains, along with an analysis of structural data within the allochthon in the Mormon Mountains. Identifiable structures well suited to constrain the kinematics of the detachment include a newly mapped, Sevier-age monoclinal flexure in the hanging wall of the detachment. This flexure, including the syncline at its base and the anticline at its top, can be readily matched to the base and top of the frontal Sevier thrust ramp, which is exposed in the footwall of the detachment to the east in the Mormon Mountains and Tule Springs Hills. The ~12 km of offset of these structural markers precludes the radial sliding hypothesis for emplacement of the allochthon.

The role of fluids in the slip along faults is a widely investigated topic, but the use of carbonate clumped-isotope thermometry to investigate these fluids is new. Faults rocks from within ~1 m of the Mormon Peak detachment, including veins, breccias, gouges, and host rocks, were analyzed for carbon, oxygen, and clumped-isotope measurements. The data indicate that much of the carbonate breccia and gouge material along the detachment is comminuted host rock, as expected. Measurements in vein material indicate that the fluid system is dominated by meteoric water, whose temperature indicates circulation to substantial depths (c. 4 km) in the upper crust near the fault zone.

Slip along the subhorizontal Heart Mountain detachment is particularly enigmatic, and many different mechanisms for failure have been proposed, predominantly involving catastrophic failure. Textural evidence of multiple slip events is abundant, and include multiple brecciation events and cross-cutting clastic dikes. Footwall deformation is observed in numerous exposures of the detachment. Stylolitic surfaces and alteration textures within and around “banded grains” previously interpreted to be an indicator of high-temperature fluidization along the fault suggest their formation instead via low-temperature dissolution and alteration processes. There is abundant textural evidence of the significant role of fluids along the detachment via pressure solution. The process of pressure solution creep may be responsible for enabling multiple slip events on the low-angle detachment, via a local rotation of the stress field.

Clumped-isotope thermometry of fault rocks associated with the Heart Mountain detachment indicates that despite its location on the flanks of a volcano that was active during slip, the majority of carbonate along the Heart Mountain detachment does not record significant heating above ambient temperatures (c. 40-70°C). Instead, cold meteoric fluids infiltrated the detachment breccia, and carbonate precipitated under ambient temperatures controlled by structural depth. Locally, fault gouge does preserve hot temperatures (>200°C), as is observed in both the Mormon Peak detachment and Heart Mountain detachment areas. Samples with very hot temperatures attributable to frictional shear heating are present but rare. They appear to be best preserved in hanging wall structures related to the detachment, rather than along the main detachment.

Evidence is presented for the prevalence of relatively cold, meteoric fluids along both shallow crustal detachments studied, and for protracted histories of slip along both detachments. Frictional heating is evident from both areas, but is a minor component of the preserved fault rock record. Pressure solution is evident, and might play a role in initiating slip on the Heart Mountain fault, and possibly other low-angle detachments.

On the transport properties of fluid-particle flow

The hydrodynamic forces acting on a solid particle in a viscous, incompressible fluid medium at low Reynolds number flow is investigated mathematically as a prerequisite to the understanding of transport processes in two-phase flow involving solid particles and fluid. Viscous interaction between a small number of spherical particles and continuous solid boundaries as well as fluid interface are analyzed under a “point-force” approximation. Non-spherical and elastic spherical particles in a simple shear flow area are then considered. Non-steady motion of a spherical particle is briefly touched upon to illustrate the transient effect of particle motion.

A macroscopic continuum description of particle-fluid flow is formulated in terms of spatial averages yielding a set of particle continuum and bulk fluid equations. Phenomenological formulas describing the transport processes in a fluid medium are extended to cases where the volume concentration of solid particles is sufficiently high to exert an important influence. Hydrodynamic forces acting on a spherical solid particle in such a system, e.g. drag, torque, rotational coupling force, and viscous collision force between streams of different sized particles moving relative to each other are obtained. Phenomenological constants, such as the shear viscosity coefficient, and the diffusion coefficient of the bulk fluid, are found as a function of the material properties of the constituents of the two-phase system and the volume concentration of solid. For transient heat conduction phenomena, it is found that the introduction of a complex conductivity for the bulk fluid permits a simple mathematical description of this otherwise complicated process. The rate of heat transfer between particle continuum and bulk fluid is also investigated by means of an Oseen-type approximation to the energy equation.

Estresse e acidentes de trabalho: Estudo Pró-Saúde

Esta tese tem o objetivo geral de investigar a associação entre estresse e acidentes no trabalho em funcionários técnico-administrativos efetivos de uma universidade pública no Rio de Janeiro por meio de modelos multiníveis. Para alcançar tal objetivo, a tese foi distribuída em dois artigos. O primeiro artigo investiga a associação entre estresse e acidentes no trabalho considerando componentes hierárquicos da estrutura dos dados por meio de modelos multiníveis com funcionários no primeiro nível agrupados em setores de trabalho no segundo nível. O segundo artigo investiga o comportamento dos coeficientes fixos e aleatórios dos modelos multiníveis com classificação cruzada entre setores de trabalho e grupos ocupacionais em relação aos modelos multiníveis que consideram apenas componentes hierárquicos dos setores de trabalho, ignorando o ajuste dos grupos ocupacionais. O estresse psicossocial no trabalho foi abordado a partir das relações entre alta demanda psicológica e baixo controle do processo laboral, Estas dimensões foram captadas por meio da versão resumida da escala Karasek, que também contém informações sobre o apoio social no trabalho. Dimensões isoladas do estresse no trabalho (demanda e controle), razão entre demanda psicológica e controle do trabalho (Razão D/C) e o apoio social no trabalho foram mensurados no nível individual e nos setores de trabalho. De modo geral, os resultados destacam a demanda psicológica mensurada no nível individual como um importante fator associado à ocorrência de acidentes de trabalho. O apoio social no trabalho, mensurado no nível individual e no setor de trabalho, apresentou associação inversa à prevalência de acidentes de trabalho, sendo, no setor, acentuada entre as mulheres. Os resultados também mostram que os parâmetros fixos dos modelos com e sem classificação cruzada foram semelhantes e que, de modo geral, os erros padrões (EP) foram um pouco maiores nos modelos com classificação cruzada, apesar deste comportamento do EP não ter sido observado quando relacionado aos coeficientes fixos das variáveis agregadas no setor de trabalho. A maior distinção entre as duas abordagens foi observada em relação aos coeficientes aleatórios relacionados aos setores de trabalho, que alteraram substancialmente após ajustar o efeito da ocupação por meio dos modelos com classificação cruzada. Este estudo reforça a importância de características psicossociais na ocorrência de acidentes de trabalho e contribui para o conhecimento dessas relações a partir de abordagens analíticas que refinam a captação da estrutura de dependência dos indivíduos em seu ambiente de trabalho. Sugere-se a realização de outros estudos com metodologia similar, que permitam aprofundar o conhecimento sobre estresse e acidentes no trabalho.

Estudo do comportamento caótico e determinação de dimensão fractal em modelos pré-inflacionários não compactos

O caos determinístico é um dos aspectos mais interessantes no que diz respeito à teoria moderna dos sistemas dinâmicos, e está intrinsecamente associado a pequenas variações nas condições iniciais de um dado modelo. Neste trabalho, é feito um estudo acerca do comportamento caótico em dois casos específicos. Primeiramente, estudam-se modelos préinflacionários não-compactos de Friedmann-Robertson-Walker com campo escalar minimamente acoplado e, em seguida, modelos anisotrópicos de Bianchi IX. Em ambos os casos, o componente material é um fluido perfeito. Tais modelos possuem constante cosmológica e podem ser estudados através de uma descrição unificada, a partir de transformações de variáveis convenientes. Estes sistemas possuem estruturas similares no espaço de fases, denominadas centros-sela, que fazem com que as soluções estejam contidas em hipersuperfícies cuja topologia é cilíndrica. Estas estruturas dominam a relação entre colapso e escape para a inflação, que podem ser tratadas como bacias cuja fronteira pode ser fractal, e que podem ser associadas a uma estrutura denominada repulsor estranho. Utilizando o método de contagem de caixas, são calculadas as dimensões características das fronteiras nos modelos, o que envolve técnicas e algoritmos de computação numérica, e tal método permite estudar o escape caótico para a inflação.

Estresse no trabalho e lesões por esforços repetitivos (LER) em servidores públicos de uma Universidade no Estado do Rio de Janeiro: Estudo Pró-Saúde

O presente estudo avalia a associação entre estresse no trabalho e auto-relato de diagnóstico médico de lesão por esforço repetitivo (LER). Trata-se de um estudo seccional, inserido no Estudo Pró-Saúde, que consiste no acompanhamento de uma coorte de funcionários técnico-administrativos de uma universidade no Estado do Rio de Janeiro. Os dados foram obtidos, no ano de 2001, a partir da aplicação de um questionário auto-preenchível. A população de estudo constou de 3.314 funcionários, dentre os quais, 485 apresentaram auto-relato de diagnóstico médico de LER, após sua admissão como funcionários da universidade. A prevalência de LER foi maior entre as mulheres (19,4%) do que entre os homens (8,8%). O estresse no trabalho foi avaliado através da versão reduzida do Job Content Questionnaire, desenvolvido por Karasek e Theorell, cujas questões se destinam a avaliar a demanda psicológica, o controle sobre o próprio trabalho e, o apoio social no trabalho. A análise do estresse no trabalho foi realizada de acordo com os quadrantes propostos por Karasek (1979): baixa exigência (baixa demanda e alto controle); trabalho passivo (baixa demanda e baixo controle); alta exigência (alta demanda e baixo controle) e; trabalho ativo (alta demanda e alto controle). Nesta análise, utilizou-se como categoria de referência, a baixa exigência, por compor um cenário ideal de trabalho. Após ajuste por variáveis socioeconômicas e demográficas (idade, escolaridade e renda familiar per capita) e, ocupacionais (anos de trabalho na universidade e ocupação), homens e mulheres com alta exigência no trabalho, apresentaram uma chance maior de serem acometidos por LER (homens: OR= 1,88; IC95% 1,07-3,29 e mulheres: OR= 1,90; IC95% 1,32-2,02). No ajuste adicional pelo apoio social no trabalho, houve redução da força da associação, para ambos os sexos. Para as mulheres com alta exigência no trabalho, esta associação manteve-se significativa (OR= 1,63; IC95%= 1,12-2,37); enquanto que para os homens, esta associação ficou marginalmente significante (OR= 1,62; IC95%= 0,91-2,87). Este estudo reforça que o desequilíbrio entre a demanda psicológica no trabalho e o controle sobre o próprio trabalho é importante na ocorrência de LER e, portanto, pode ser útil na elaboração de medidas preventivas desse crescente problema de sáude pública. Espera-se que as hipóteses geradas neste estudo possam ser testadas em novas investigações que incorporem o desenho longitudinal, como o Estudo Pró-Saúde, no qual este se insere.

Posição Socioeconômica de origem e contemporânea e parto cesáreo em primíparas no Estudo Pró-Saúde

Os objetivos do estudo foram avaliar o efeito da posição socioeconômica (PSE) de origem e contemporânea na proporção de parto cesáreo em primíparas (N=1438) na coorte do Estudo Pró-Saúde, e a evolução da proporção de partos cesáreos ao longo do tempo. A fim de identificar novos nascimentos na coorte, foi empregado o método probabilístico para relacionar as bases do Estudo Pró-Saúde e do Sistema de Informação sobre Nascidos Vivos. A PSE contemporânea e de origem foram classificadas, respectivamente, tomando por base a escolaridade da primípara e de seus pais, sendo criada uma variável com quatro níveis (PSE de origem-contemporânea: alta-alta; alta-baixa; baixa-alta e baixa-baixa). Considerando o grupo de PSE baixa-baixa como referência, foram observadas as seguintes razões de prevalência para parto cesáreo, após ajuste para idade e período do parto: alta-alta 1,16 (IC 95% 1,04 1,31); baixa-alta 1,16 (IC 95% 1,03 1,30); alta-baixa 1,14 (IC 95% 0,98 1,33). Nos estratos com PSE contemporânea alta observou-se um aumento de 1,5 vezes da proporção de partos cesáreos no último período avaliado (1990-2004), quando comparado com o período inicial (1947-1979), enquanto nos estratos de PSE contemporânea baixa esse aumento foi de 3 vezes. Concluindo, mulheres com PSE contemporânea alta, independentemente da PSE de origem, apresentaram maior probabilidade da realização do parto cesáreo. Entretanto, as mulheres dos estratos com PSE contemporânea baixa apresentaram o maior crescimento das proporções de partos cesáreos ao longo do tempo, o que potencialmente aumenta o risco de complicações em um grupo já mais vulnerável.