Quantum theory of the far-off-resonance continuous-wave Raman laser: Heisenberg-Langevin approach

We present the quantum theory of the far-off-resonance continuous-wave Raman laser using the Heisenberg-Langevin approach. We show that the simplified quantum Langevin equations for this system are mathematically identical to those of the nondegenerate optical parametric oscillator in the time domain with the following associations: pump pump, Stokes signal, and Raman coherence idler. We derive analytical results for both the steady-state behavior and the time-dependent noise spectra, using standard linearization procedures. In the semiclassical limit, these results match with previous purely semiclassical treatments, which yield excellent agreement with experimental observations. The analytical time-dependent results predict perfect photon statistics conversion from the pump to the Stokes and nonclassical behavior under certain operational conditions.

Continuous variable polarization entanglement, experiment and analysis

We generate and characterize continuous variable polarization entanglement between two optical beams. We first produce quadrature entanglement, and by performing local operations we transform it into a polarization basis. We extend two entanglement criteria, the inseparability criteria proposed by Duan et al (2000 Phys. Rev. Lett. 84 2722) and the Einstein–Podolsky–Rosen (EPR) paradox criteria proposed by Reid and Drummond (1988 Phys. Rev. Lett. 60 2731), to Stokes operators; and use them to characterize the entanglement. Our results for the EPR paradox criteria are visualized in terms of uncertainty balls on the Poincaré sphere. We demonstrate theoretically that using two quadrature entangled pairs it is possible to entangle three orthogonal Stokes operators between a pair of beams, although with a bound √3 times more stringent than for the quadrature entanglement.

Métodos computacionais em engenharia mecânica

Este estudo pretende mostrar algumas aplicações dos métodos computacionais na actividade de projecto em Engenharia Mecânica. Apresentam-se problemas concretos de engenharia que foram abordados durante um estágio realizado no CERN – Centre Européen pour la Recherche Nucléaire, e onde foram utilizados: a) o método dos elementos finitos para cálculo de temperaturas e fluxos de calor e a sua influência sobre os deslocamentos, tensões e deformações que ocorrem numa peça; b) o método híbrido dos elementos finitos/volumes finitos para a discretização das equações de Navier-Stokes e a análise do escoamento de fluidos; c) um algoritmo genético para a obtenção da solução óptima de um problema estrutural. O projecto em engenharia é uma actividade cada vez mais complexa, que requer o uso de ferramentas computacionais sofisticadas tais como os programas ANSYS e MATLAB que foram utilizados no estudo. A criação de modelos numéricos e a análise do seu comportamento com estas ferramentas requer simultaneamente um bom conhecimento dos princípios que estão na base do seu desenvolvimento e uma boa perícia na sua manipulação. Com elas é possível obter soluções quando os constrangimentos do projecto são exigentes e análises detalhadas do comportamento estrutural são necessárias. Neste estudo pretende-se também demonstrar que uma combinação inovadora destas ferramentas pode contribuir para obter aplicações úteis para a actividade de projecto em engenharia.

Development of procedures for the simulation of atmospheric flows over complex terrain, using OpenFOAM

The main purpose of this work was the development of procedures for the simulation of atmospheric ows over complex terrain, using OpenFOAM. For this aim, tools and procedures were developed apart from this code for the preprocessing and data extraction, which were thereafter applied in the simulation of a real case. For the generation of the computational domain, a systematic method able to translate the terrain elevation model to a native OpenFOAM format (blockMeshDict) was developed. The outcome was a structured mesh, in which the user has the ability to de ne the number of control volumes and its dimensions. With this procedure, the di culties of case set up and the high computation computational e ort reported in literature associated to the use of snappyHexMesh, the OpenFOAM resource explored until then for the accomplishment of this task, were considered to be overwhelmed. Developed procedures for the generation of boundary conditions allowed for the automatic creation of idealized inlet vertical pro les, de nition of wall functions boundary conditions and the calculation of internal eld rst guesses for the iterative solution process, having as input experimental data supplied by the user. The applicability of the generated boundary conditions was limited to the simulation of turbulent, steady-state, incompressible and neutrally strati ed atmospheric ows, always recurring to RaNS (Reynolds-averaged Navier-Stokes) models. For the modelling of terrain roughness, the developed procedure allowed to the user the de nition of idealized conditions, like an uniform aerodynamic roughness length or making its value variable as a function of topography characteristic values, or the using of real site data, and it was complemented by the development of techniques for the visual inspection of generated roughness maps. The absence and the non inclusion of a forest canopy model limited the applicability of this procedure to low aerodynamic roughness lengths. The developed tools and procedures were then applied in the simulation of a neutrally strati ed atmospheric ow over the Askervein hill. In the performed simulations was evaluated the solution sensibility to di erent convection schemes, mesh dimensions, ground roughness and formulations of the k - ε and k - ω models. When compared to experimental data, calculated values showed a good agreement of speed-up in hill top and lee side, with a relative error of less than 10% at a height of 10 m above ground level. Turbulent kinetic energy was considered to be well simulated in the hill windward and hill top, and grossly predicted in the lee side, where a zone of ow separation was also identi ed. Despite the need of more work to evaluate the importance of the downstream recirculation zone in the quality of gathered results, the agreement between the calculated and experimental values and the OpenFOAM sensibility to the tested parameters were considered to be generally in line with the simulations presented in the reviewed bibliographic sources.

POST-PROCESSING TECHNIQUES SUITABILITY FOR MESOLEVEL FREE BOUNDARY FLOWS

Reliable flow simulation software is inevitable to determine an optimal injection strategy in Liquid Composite Molding processes. Several methodologies can be implemented into standard software in order to reduce CPU time. Post-processing techniques might be one of them. Post-processing a finite element solution is a well-known procedure, which consists in a recalculation of the originally obtained quantities such that the rate of convergence increases without the need for expensive remeshing techniques. Post-processing is especially effective in problems where better accuracy is required for derivatives of nodal variables in regions where Dirichlet essential boundary condition is imposed strongly. In previous works influence of smoothness of non-homogeneous Dirichlet condition, imposed on smooth front was examined. However, usually quite a non-smooth boundary is obtained at each time step of the infiltration process due to discretization. Then direct application of post-processing techniques does not improve final results as expected. The new contribution of this paper lies in improvement of the standard methodology. Improved results clearly show that the recalculated flow front is closer to the ”exact” one, is smoother that the previous one and it improves local disturbances of the “exact” solution.

Post-processing Techniques in Free Boundary Flows during Liquid Composite Moulding Processes

Post-processing a finite element solution is a well-known technique, which consists in a recalculation of the originally obtained quantities such that the rate of convergence increases without the need for expensive remeshing techniques. Postprocessing is especially effective in problems where better accuracy is required for derivatives of nodal variables in regions where Dirichlet essential boundary condition is imposed strongly. Consequently such an approach can be exceptionally good in modelling of resin infiltration under quasi steady-state assumption by remeshing techniques and with explicit time integration, because only the free-front normal velocities are necessary to advance the resin front to the next position. The new contribution is the post-processing analysis and implementation of the freeboundary velocities of mesolevel infiltration analysis. Such implementation ensures better accuracy on even coarser meshes, which in consequence reduces the computational time also by the possibility of employing larger time steps.

Estudo numérico de uma técnica de redução de esforços numa estrutura cilíndrica circular

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Desenvolvimento de um procedimento de Numerical Site Calibration para um Parque Eólico usando Dinâmica de Fluidos Computacional

Esta dissertação descreve o desenvolvimento e avaliação de um procedimento de \Numerical Site Calibration" (NSC) para um Parque Eólico, situado a sul de Portugal, usando Dinâmica de Fluídos Computacional (CFD). O NSC encontra-se baseado no \Site Calibration" (SC), sendo este um método de medição padronizado pela Comissão Electrónica Internacional através da norma IEC 61400. Este método tem a finalidade de quantificar e reduzir os efeitos provocados pelo terreno e por possíveis obstáculos, na medição do desempenho energético das turbinas eólicas. Assim, no SC são realizadas medições em dois pontos, no mastro referência e no local da turbina (mastro temporário). No entanto, em Parques Eólicos já construídos, este método não é aplicável visto ser necessária a instalação de um mastro de medição no local da turbina e, por conseguinte, o procedimento adequado para estas circunstâncias é o NSC. O desenvolvimento deste método é feito por um código CFD, desenvolvido por uma equipa de investigação do Instituto Superior de Engenharia do Porto, designado de WINDIETM, usado extensivamente pela empresa Megajoule Inovação, Lda em aplicações de energia eólica em todo mundo. Este código é uma ferramenta para simulação de escoamentos tridimensionais em terrenos complexos. As simulações do escoamento são realizadas no regime transiente utilizando as equações de Navier-Stokes médias de Reynolds com aproximação de Bussinesq e o modelo de turbulência TKE 1.5. As condições fronteira são provenientes dos resultados de uma simulação realizada com Weather Research and Forecasting, WRF. Estas simulações dividem-se em dois grupos, um dos conjuntos de simulações utiliza o esquema convectivo Upwind e o outro utiliza o esquema convectivo de 4aordem. A análise deste método é realizada a partir da comparação dos dados obtidos nas simulações realizadas no código WINDIETM e a coleta de dados medidos durante o processo SC. Em suma, conclui-se que o WINDIETM e as suas configurações reproduzem bons resultados de calibração, ja que produzem erros globais na ordem de dois pontos percentuais em relação ao SC realizado para o mesmo local em estudo.

Simulação de Escoamentos Atmosféricos para Estudo de Parques Eólicos: Estudo comparativo dos softwares OpenFOAM e Windie

A presente tese tem como principal objetivo a comparação entre dois software de CFD (Computer Fluid Dynamics) na simulação de escoamentos atmosféricos com vista à sua aplicação ao estudo e caracterização de parques eólicos. O software em causa são o OpenFOAM (Open Field Operation and Manipulation) - freeware open source genérico - e o Windie, ferramenta especializada no estudo de parques eólicos. Para este estudo foi usada a topografia circundante a um parque eólico situado na Grécia, do qual dispúnhamos de resultados de uma campanha de medições efetuada previamente. Para este _m foram usados procedimentos e ferramentas complementares ao Open-FOAM, desenvolvidas por da Silva Azevedo (2013) adequados para a realização do pré-processamento, extração de dados e pós-processamento, aplicados na simulação do caso pratico. As condições de cálculo usadas neste trabalho limitaram-se às usadas na simulação de escoamentos previamente simulados pelo software Windie: condições de escoamento turbulento, estacionário, incompressível e em regime não estratificado, com o recurso ao modelo de turbulência RaNS (Reynolds-averaged Navier-Stokes ) k - E atmosférico. Os resultados de ambas as simulações - OpenFOAM e Windie - foram comparados com resultados de uma campanha de medições, através dos valores de speed-up e intensidade turbulenta nas posições dos anemómetros.

Estudo numérico do escoamento numa chaminé como ventilador estático

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Testing for volatility persistence change: The effect of the credit crisis on the Portuguese banks

A Work Project, presented as part of the requirements for the Award of a Masters Degree in Finance from the NOVA – School of Business and Economics

Determinação das forças de impacto num quebra-mar misto utilizando o modelo numérico Smoothed Particle Hydrodynamics

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Controle óptimo de fluidos não newtonianos

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Matemática

Estudo numérico do fenómeno de vibração induzida por vórtices num cilindro com 1 grau de liberdade em OpenFoam

Esta dissertação tem o intuito de validar o código numérico OpenFoam para problemas de fenómeno de vibração induzida por desprendimento de vórtices num cilindro circular com um grau de liberdade transversal ao escoamento. Na primeira parte é simulado o escoamento em torno de um cilindro circular fixo, e na segunda parte o escoamento em torno do cilindro oscilatório. O número de Reynolds é 200 para todas as simulações e o movimento do cilindro é descrito segundo um sistema massa-mola e massa-mola-amortecedor. Para o movimento do cilindro utilizou-se o solver sixDoFRigidDisplacement e para a resolução de problemas de malha móvel o solver displacementLaplacian. O código numérico utilizado para o caso do cilindro fixo foi pimpleFoam e para o caso do cilindro oscilatório o pimpleDyMFoam. As simulações foram feitas através da resolução das equações de Navier-Stokes num domínio computacional bidimensional. Na simulação do escoamento em redor do cilindro fixo, os coeficientes de arrasto e sustentação e o número de Strouhal foram calculados e comparados com resultados da literatura. Os resultados estão próximos da realidade, no entanto observa-se que a dimensão da malha é muito importante para a precisão dos mesmos. Na simulação do escoamento em torno do cilindro oscilatório foram calculados os coeficientes de arrasto e sustentação e deslocamento do cilindro, para os sistemas massa-mola e massa-mola-amortecedor. Para os dois sistemas foi apresentada e comparada a evolução destes resultados em função da velocidade reduzida e por fim foram comparados. Observa-se que o fator de amortecimento afeta as respostas do cilindro, dependo da velocidade reduzida. Os resultados obtidos em ambos os estudos foram satisfatórios e conclui-se que o código OpenFoam é uma boa ferramenta para resolver problemas com o fenómeno de vibração induzida por vórtices.

Development and modulation of magnetic responsive supported ionic liquid membranes

The work presented in this thesis aims at developing a new separation process based on the application of supported magnetic ionic liquid membranes, SMILMs, using magnetic ionic liquids, MILs. MILs have attracted growing interest due to their ability to change their physicochemical characteristics when exposed to variable magnetic field conditions. The magnetic responsive behavior of MILs is thus expected to contribute for the development of more efficient separation processes, such as supported liquid membranes, where MILs may be used as a selective carrier. Driven by the MILs behavior, these membranes are expected to switch reversibly their permeability and selectivity by in situ and non-invasive adjustment of the conditions (e.g. intensity, direction vector and uniformity) of an external applied magnetic field. The development of these magnetic responsive membrane processes were anticipated by studies, performed along the first stage of this PhD work, aiming at getting a deep knowledge on the influence of magnetic field on MILs properties. The influence of the magnetic field on the molecular dynamics and structural rearrangement of MILs ionic network was assessed through a 1H-NMR technique. Through the 1H-NMR relaxometry analysis it was possible to estimate the self-diffusion profiles of two different model MILs, [Aliquat][FeCl4] and [P66614][FeCl4]. A comparative analysis was established between the behavior of magnetic and non-magnetic ionic liquids, MILs and ILs, to facilitate the perception of the magnetic field impact on MILs properties. In contrast to ILs, MILs show a specific relaxation mechanism, characterized by the magnetic dependence of their self-diffusion coefficients. MILs self-diffusion coefficients increased in the presence of magnetic field whereas ILs self-diffusion was not affected. In order to understand the reasons underlying the magnetic dependence of MILs self-diffusion, studies were performed to investigate the influence of the magnetic field on MILs’ viscosity. It was observed that the MIL´s viscosity decreases with the increase of the magnetic field, explaining the increase of MILs self-diffusion according to the modified Stokes- Einstein equation. Different gas and liquid transport studies were therefore performed aiming to determine the influence of the magnetic behavior of MILs on solute transport through SMILMs. Gas permeation studies were performed using pure CO2 andN2 gas streams and air, using a series of phosphonium cation based MILs, containing different paramagnetic anions. Transport studies were conducted in the presence and absence of magnetic field at a maximum intensity of 1.5T. The results revealed that gas permeability increased in the presence of the magnetic field, however, without affecting the membrane selectivity. The increase of gas permeability through SMILMs was related to the decrease of the MILs viscosity under magnetic field conditions.(...)