Solução semi-analítica da equação de Langevin assintótica para o deslocamento aleatório pelo método Picard

Neste trabalho é desenvolvida uma solução semi-analítica para a Equação de Langevin assintótica (Equação de Deslocamento Aleatório) aplicada à dispersão de poluentes na Camada Limite Convectiva (CLC). A solução tem como ponto de partida uma equação diferencial de primeira ordem para o deslocamento aleatório, sobre a qual é aplicado o Método Iterativo de Picard. O novo modelo é parametrizado por um coeficiente de difusão obtido a partir da Teoria de Difusão Estatística de Taylor e de um modelo para o espectro de turbulência, assumindo a supersposição linear dos efeitos de turbulência térmica e mecânica. A avaliação do modelo é realizada através da comparação com dados de concentração medidos durante o experimento de dispersão de Copenhagen e com resultados obtidos por outros quatro modelos: modelo de partículas estocástico para velocidade aleatória (Modelo de Langevin), solução analítica da equação difusão-advecção, solução numérica da equação difusão-advecção e modelo Gaussiano. Uma análise estatística revela que o modelo proposto simula satisfatoriamente os valores de concentração observados e apresenta boa concordância com os resultados dos outros modelos de dispersão. Além disso, a solução através do Método Iterativo de Picard pode apresentar algumas vantagem em relação ao método clássico de solução.

Aplicação da equação de Fokker-Planck no estudo de canais iônicos

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Formulação supersimétrica de processos estocásticos com ruído multiplicativo

Os processos estocásticos com ruído branco multiplicativo são objeto de atenção constante em uma grande área da pesquisa científica. A variedade de prescrições possíveis para definir matematicamente estes processos oferece um obstáculo ao desenvolvimento de ferramentas gerais para seu tratamento. Na presente tese, estudamos propriedades de equilíbrio de processos markovianos com ruído branco multiplicativo. Para conseguirmos isto, definimos uma transformação de reversão temporal de tais processos levando em conta que a distribuição estacionária de probabilidade depende da prescrição. Deduzimos um formalismo funcional visando obter o funcional gerador das funções de correlação e resposta de um processo estocástico multiplicativo representado por uma equação de Langevin. Ao representar o processo estocástico neste formalismo (de Grassmann) funcional eludimos a necessidade de fixar uma prescrição particular. Neste contexto, analisamos as propriedades de equilíbrio e estudamos as simetrias ocultas do processo. Mostramos que, usando uma definição apropriada da distribuição de equilíbrio e considerando a transformação de reversão temporal adequada, as propriedades usuais de equilíbrio são satisfeitas para qualquer prescrição. Finalmente, apresentamos uma dedução detalhada da formulação supersimétrica covariante de um processo markoviano com ruído branco multiplicativo e estudamos algumas das relações impostas pelas funções de correlação através das identidades de Ward-Takahashi.

Processos estocásticos em teoria de campos e aplicação ao universo inflacionário

É conhecido que derivações microscópicas obtidas através de métodos de teoria quântica de campos (TQC) podem conduzir a complicadas equações de movimento (EdM) que possuem um termo dissipativo com memória e um termo de ruído colorido. Um caso particularmente interessante é o modelo que escreve a interação entre um sistema e um banho térmico a temperatura T. Motivado por isso, usamos uma prescrição que nos permite reescrever EdMs não-markovianas semelhantes as obtidas em TQC em termos de um sistema de equações locais, para então confrontarmos a solução desse sistema com a solução aproximada usada correntemente na literatura, a chamada aproximação markoviana. A pergunta chave a qual se pretende responder aqui é: dado um conjunto de parâmetros que descrevem o modelo, a aproximação markoviana é suficientemente boa para descrever a dinâmica do sistema se comparada a dinâmica obtida atravéS da EdM não-markoviana? Além disso, consideramos uma versão linear da ELG de forma que pudéssemos determinar o nível de confiança da nossa metodologia numérica, procedimento este realizado comparando-se a solução analítica com a solução numérica. Como exemplo de aplicação prática do tema discutido aqui, comparamos a evolução não-markoviana do inflaton com a evolução markoviana do mesmo num modelo de universo primordial denominado inflação não-isentrópica (warm inflation).

Simulação numérica da cavitação em turbomáquinas usando uma formulação Euler-Lagrange.

Turbomáquinas são máquinas operacionais que transferem energia mecânica entre um rotor e um fluido. Estas máquinas têm muitas aplicações industriais. Um dos componentes de uma turbomáquina responsável pela transferência da energia, ou receber a rotação do eixo e transformar em energia de fluido em caso de bomba ou transferir a energia do fluido para o eixo em caso de uma turbina, é o impelidor ou rotor. O fenómeno da cavitação envolve escoamento bifásico: o líquido a ser bombeado e as bolhas de vapor que são formadas durante o processo de bombeamento. O processo de formação dessas bolhas é complexo, mas ocorre principalmente devido a presença de regiões de pressões muito baixas. O colapso dessas bolhas pode muitas vezes levar a deterioração do material, dependendo da intensidade ou da velocidade de colapso das bolhas. O principal objetivo deste trabalho foi estudar o comportamento hidrodinâmico do escoamento nos canais do impelidor de uma turbomáquina do tipo radial usando recursos de fluidodinâmica computacional (CFD). Uma abordagem Euler-Lagrange acoplada com o modelo da equação de Langevin foi empregada para estimar a trajetória das bolhas. Resultados das simulações mostram as particularidades de um escoamento líquido-bolha de vapor passando em um canal de geometria curva, fornecendo assim informações que podem nos ajudar na prevenção da cavitação nessas máquinas.

Dinâmica Estocástica e Cosmologia: alguns resultados analíticos

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior

Portadores quentes: modelo browniano

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Cálculo fracionário aplicado ao movimento browniano

This work aims to study several diffusive regimes, especially Brownian motion. We deal with problems involving anomalous diffusion using the method of fractional derivatives and fractional integrals. We introduce concepts of fractional calculus and apply it to the generalized Langevin equation. Through the fractional Laplace transform we calculate the values of diffusion coefficients for two super diffusive cases, verifying the validity of the method

Numerical study of the Ginzburg-Landau-Langevin equation: coherent structures and noise perturbation theory

Pós-graduação em Física - IFT

Langevin dynamics modeling of the water diffusion tensor in partially aligned collagen networks

In this work, a Langevin dynamics model of the diffusion of water in articular cartilage was developed. Numerical simulations of the translational dynamics of water molecules and their interaction with collagen fibers were used to study the quantitative relationship between the organization of the collagen fiber network and the diffusion tensor of water in model cartilage. Langevin dynamics was used to simulate water diffusion in both ordered and partially disordered cartilage models. In addition, an analytical approach was developed to estimate the diffusion tensor for a network comprising a given distribution of fiber orientations. The key findings are that (1) an approximately linear relationship was observed between collagen volume fraction and the fractional anisotropy of the diffusion tensor in fiber networks of a given degree of alignment, (2) for any given fiber volume fraction, fractional anisotropy follows a fiber alignment dependency similar to the square of the second Legendre polynomial of cos(θ), with the minimum anisotropy occurring at approximately the magic angle (θMA), and (3) a decrease in the principal eigenvalue and an increase in the transverse eigenvalues is observed as the fiber orientation angle θ progresses from 0◦ to 90◦. The corresponding diffusion ellipsoids are prolate for θ < θMA, spherical for θ ≈ θMA, and oblate for θ > θMA. Expansion of the model to include discrimination between the combined effects of alignment disorder and collagen fiber volume fraction on the diffusion tensor is discussed.

Classical Langevin dynamics of a charged particle moving on a sphere and diamagnetism: A surprise

It is generally known that the orbital diamagnetism of a classical system of charged particles in thermal equilibrium is identically zero —the Bohr-van Leeuwen theorem. Physically, this null result derives from the exact cancellation of the orbital diamagnetic moment associated with the complete cyclotron orbits of the charged particles by the paramagnetic moment subtended by the incomplete orbits skipping the boundary in the opposite sense. Motivated by this crucial but subtle role of the boundary, we have simulated here the case of a finite but unbounded system, namely that of a charged particle moving on the surface of a sphere in the presence of an externally applied uniform magnetic field. Following a real space-time approach based on the classical Langevin equation, we have computed the orbital magnetic moment that now indeed turns out to be non-zero and has the diamagnetic sign. To the best of our knowledge, this is the first report of the possibility of finite classical diamagnetism in principle, and it is due to the avoided cancellation.

Albert Einstein, Paul Langevin, Princesse de Noeille, and Paul Painleve; Paris Portraits Groups

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Brownian motion of spins; generalized spin Langevin equation

We derive the Langevin equations for a spin interacting with a heat bath, starting from a fully dynamical treatment. The obtained equations are non-Markovian with multiplicative fluctuations and concommitant dissipative terms obeying the fluctuation-dissipation theorem. In the Markovian limit our equations reduce to the phenomenological equations proposed by Kubo and Hashitsume. The perturbative treatment on our equations lead to Landau-Lifshitz equations and to other known results in the literature.

Fluctuation-dissipation relation for nonlinear Langevin equations

It is shown that the fluctuation-dissipation theorem is satisfied by the solutions of a general set of nonlinear Langevin equations with a quadratic free-energy functional (constant susceptibility) and field-dependent kinetic coefficients, provided the kinetic coefficients satisfy the Onsager reciprocal relations for the irreversible terms and the antisymmetry relations for the reversible terms. The analysis employs a perturbation expansion of the nonlinear terms, and a functional integral calculation of the correlation and response functions, and it is shown that the fluctuation-dissipation relation is satisfied at each order in the expansion.