A busca por um conjunto de bases de alta qualidade é feita por vários grupos, pois a utilização destes conjuntos é importante para a obtenção de resultados exatos, tanto para propriedades atômicas quanto para propriedades moleculares. Os conjuntos usados neste trabalho são constituídos através da utilização do Método da Coordenada Geradora Hartree-Fock em sua versão polinomial e foram construídos de forma a permitirem uma maior flexibilidade à camada de valência do átomo, flexibilidade esta que foi proporcionada pelo número de funções que descrevem a última camada do átomo. Uma nova metodologia para a construção de conjuntos de base foi proposta neste trabalho. Esta nova metodologia diminui a busca artesanal pela busca pelos conjuntos de base introduzindo o Método Simplex em nosso programa gerador de base GENBASIS minimizando o tempo de procura por essa bases de qualidade. A aplicação destes conjuntos para estimativa de propriedades atômicas e moleculares foi feita em comparação com conjuntos de base largamente utilizados na literatura, envolvendo cálculos com vários níveis de teoria, desde o método Hartree-Fock até a Teoria do Funcional Densidade. / The search for high quality basis set is made by several groups since the quality of the basis sets is a very important factor to obtain accurate results for atomic and molecular properties. The basis sets used in this work are designed by using the polynomial Generate Coordinate Method and were constructed with the aim to improve the flexibility of a basis sets to describe the valence shell. A new methodology for the search of this basis set is proposed in this work. This new methodology makes the search for this basis set less artisanal with the introduction of the Simplex Method in our basis generator program, GENBASIS. This introduction minimizes the time used in the search for these quality basis set. The application of our basis sets in atomic and molecular calculations were compared with the most used basis sets in the literature and were performed by using different level of calculations, namely, from Hartree-Fock to Density Functional Theory.

A esfera é utilizada como domínio computacional na modelagem de diversos fenômenos físicos, como em previsão numérica do tempo. Sua discretização pode ser feita de diversas formas, sendo comum o uso de malha regulares em latitude/longitude. Recentemente, também para melhor uso de computação paralela, há uma tendência ao uso de malhas mais isotrópicas, dentre as quais a icosaédrica. Apesar de já existirem modelos atmosféricos que usam malhas icosaédricas, não há consenso sobre as metodologias mais adequadas a esse tipo de malha. Nos propusemos, portanto, a estudar em detalhe diversos fatores envolvidos no desenvolvimento de modelos atmosféricos globais usando malhas geodésicas icosaédricas. A discretização usual por volumes finitos para divergente de um campo vetorial utiliza como base o Teorema da Divergência e a regra do ponto médio nas arestas das células computacionais. A distribuição do erro obtida com esse método apresenta uma forte relação com características geométricas da malha. Definimos o conceito geométrico de alinhamento de células computacionais e desenvolvemos uma teoria que serve de base para explicar interferências de malha na discretização usual do divergente. Destacamos os impactos de certas relações de alinhamento das células na ordem da discretização do método. A teoria desenvolvida se aplica a qualquer malha geodésica e também pode ser usada para os operadores rotacional e laplaciano. Investigamos diversos métodos de interpolação na esfera adequados a malhas icosaédricas, e abordamos o problema de interpolação e reconstrução vetorial na esfera em malhas deslocadas. Usamos métodos alternativos de reconstrução vetorial aos usados na literatura, em particular, desenvolvemos um método híbrido de baixo custo e boa precisão. Por fim, utilizamos as técnicas de discretização, interpolação e reconstrução vetorial analisadas em um método semi-lagrangiano para o transporte na esfera em malhas geodésicas icosaédricas. Realizamos experimentos computacionais de transporte, incluindo testes de deformações na distribuição do campo transportado, que mostraram a adequação da metodologia para uso em modelos atmosféricos globais. A plataforma computacional desenvolvida nesta tese, incluindo geração de malhas, interpolações, reconstruções vetoriais e um modelo de transporte, fornece uma base para o futuro desenvolvimento de um modelo atmosférico global em malhas icosaédricas. / Spherical domains are used to model many physical phenomena, as, for instance, global numerical weather prediction. The sphere can be discretized in several ways, as for example a regular latitude-longitude grid. Recently, also motivated by a better use of parallel computers, more isotropic grids have been adopted in atmospheric global circulation models. Among those, the icosahedral grids are promising. Which kind of discretization methods and interpolation schemes are the best to use on those grids are still a research subject. Discretization of the sphere may be done in many ways and, recently, to make better use of computational resources, researchers are adopting more isotropic grids, such as the icosahedral one. In this thesis, we investigate in detail the numerical methodology to be used in atmospheric models on icosahedral grids. The usual finite volume method of discretization of the divergence of a vector field is based on the divergence theorem and makes use of the midpoint rule for integration on the edges of computational cells. The error distribution obtained with this method usually presents a strong correlation with some characteristics of the icosahedral grid. We introduced the concept of cell alignment and developed a theory which explains the grid imprinting patterns observed with the usual divergence discretization. We show how grid alignment impacts in the order of the divergence discretization. The theory developed applies to any geodesic grid and can also be used for other operators such as curl and Laplacian. Several interpolation schemes suitable for icosahedral grids were analysed, including the vector interpolation and reconstruction problem on staggered grids. We considered alternative vector reconstruction methods, in particular, we developed a hybrid low cost and good precision method. Finally, employing the discretizations and interpolations previously analysed, we developed a semi-Lagrangian transport method for geodesic icosahedral grids. Several tests were carried out, including deformational test cases, which demonstrated that the methodology is suitable to use in global atmospheric models. The computational platform developed in this thesis, including mesh generation, interpolation, vector reconstruction and the transport model, provides a basis for future development of global atmospheric models on icosahedral grids.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2016-07-28T12:04:17Z No. of bitstreams: 1 rafaelbrunodasilvabrandi.pdf: 13228407 bytes, checksum: 1e92e8c2fa686ddcaea1c9ed0d33b278 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2016-07-28T12:16:14Z (GMT) No. of bitstreams: 1 rafaelbrunodasilvabrandi.pdf: 13228407 bytes, checksum: 1e92e8c2fa686ddcaea1c9ed0d33b278 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-07-28T12:16:14Z (GMT). No. of bitstreams: 1 rafaelbrunodasilvabrandi.pdf: 13228407 bytes, checksum: 1e92e8c2fa686ddcaea1c9ed0d33b278 (MD5) Previous issue date: 2016-02-29 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / O Sistema Elétrico Brasileiro (SEB) apresenta características peculiares devido às grandes dimensões do país e pelo fato da geração elétrica ser proveniente predominantemente de usinas hidráulicas. Como as afluências a estas usinas possuem comportamento estocástico e grandes reservatórios proporcionam ao sistema a capacidade de uma regularização plurianual, a utilização dos recursos hidráulicos deve ser planejada de forma minuciosa em um horizonte de tamanho considerável. Assim, o planejamento da operação de médio prazo compreende um período de 5 a 10 anos com discretização mensal e é realizado por uma cadeia de modelos computacionais tal que o principal modelo desta cadeia é baseado na técnica da Programação Dinâmica Dual Estocástica (PDDE). O objetivo deste trabalho é obter avanços nas metodologias de programação dinâmica atualmente utilizadas. Partindo-se da utilização da inserção iterativa de cortes, implementa-se um modelo computacional para o planejamento da operação de médio prazo baseado na metodologia de Programação Dinâmica Estocástica (PDE) utilizando uma discretização mais eficiente do espaço de estados (PDEE). Além disso, a metodologia proposta de PDE possui um critério de convergência bem definido para o problema, de forma que a inclusão da medida de risco CVaR não altera o processo de avaliação da convergência de forma significante. Dado que a inclusão desta medida de risco à PDDE convencional dificulta a avaliação da convergência do processo pela dificuldade da estimação de um limite superior válido, o critério de convergência proposto na PDEE é, então, base para um novo critério de convergência para a PDDE tal que pode ser aplicado mesmo na consideração do CVaR e não aumenta o custo computacional envolvido. Adicionalmente, obtém-se um critério de convergência mais detalhado em que as séries utilizadas para amostras de afluência podem ser avaliadas individualmente tais que aquelas que, em certo momento, não contribuam de forma determinante para a convergência podem ser descartadas do processo, diminuindo o tempo computacional, ou ainda serem substituídas por novas séries dentro de uma reamostragem mais seletiva dos cenários utilizados na PDDE. As metodologias propostas foram aplicadas para o cálculo do planejamento de médio prazo do SIN baseando-se em subsistemas equivalentes de energia. Observa-se uma melhoria no algoritmo base utilizado para a PDE e que o critério proposto para convergência da PDDE possui validade mesmo quando CVaR é considerado na modelagem. / The Brazilian National Grid (BNG) presents peculiar characteristics due to its huge territory dimensions and hydro-generation predominancy. As the water inflows to these plants are stochastic and a pluriannual regularization for system storage capacity is provided, the use of hydro-generation must be planned in an accurate manner such that it considersalongplanningperiod. So, thelong-termoperationplanning(LTOP)problemis generallysolvedbyachainofcomputationalmodelsthatconsideraperiodof5to10years ahead such that the primary model of this chain is based on Stochastic Dual Dynamic Programming (SDDP) technique. The main contribution of this thesis is to propose some improvements in Stochastic Dynamic Programming techniques usually settled on solving LTOP problems. In the fashion of an iterative cut selection, it is firstly proposed a LTOP problem solution model that uses an ecient state space discretization for Stochastic Dynamic Programming (SDP), called ESDP. The proposed model of SDP has a welldefined convergence criterion such that including CVaR does not hinder convergence analysis. Due to the lack of good upper bound estimators in SDDP when including CVaR, additional issues are encountered on defining a convergence criterion. So, based on ESDP convergence analysis, a new criterion for SDDP convergence is proposed such that it can be used regardless of CVaR representation with no extra computational burden. Moreover, the proposed convergence criterion for SDDP has a more detailed description such that forward paths can be individually assessed and then be accordingly discarded for computational time reduction, or even define paths to be replaced in a more particular resampling scheme in SDDP. Based on aggregate reservoir representation, the proposed methodsofconvergenceofSDDPandtheESDPwereappliedonLTOPproblemsrelatedto BNG. Results show improvements in SDDP based technique and eectiveness of proposed convergence criterion for SDDP when CVaR is used.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2018-07-26T12:29:23Z No. of bitstreams: 1 pedroandrearroyosilva.pdf: 4154699 bytes, checksum: 1875b7d54dd015591fcdd55db287ee37 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2018-09-03T16:20:02Z (GMT) No. of bitstreams: 1 pedroandrearroyosilva.pdf: 4154699 bytes, checksum: 1875b7d54dd015591fcdd55db287ee37 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-09-03T16:20:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 pedroandrearroyosilva.pdf: 4154699 bytes, checksum: 1875b7d54dd015591fcdd55db287ee37 (MD5) Previous issue date: 2018-04-23 / A formação de padrões espaço-temporais são observados em processos químicos e bio-lógicos. Apesar dos sistemas bioquímicos serem altamente heterogêneos, aproximações homogenizadas contínuas formadas por equações diferenciais parciais são utilizadas fre-quentemente. Estas aproximações são usualmente justificadas pela diferença de escalas entre as heterogeneidades e o tamanho da característica espacial dos padrões. Em certas condições do meio, por exemplo, quando há um acoplamento fraco entre as células car-díacas, os modelos homogenizados discretos são mais adequados. Entretanto, os modelos discretos são menos manejáveis, por exemplo, na geração de malha para 2D e 3D, se comparado com os modelos contínuos. Aqui estudamos um modelo matemático homoge-nizado contínuo que se aproxima do modelo homogenizado. Este modelo é dado a partir de equações diferencias parciais com um parâmetro que depende da discretização da ma-lha. Dessa maneira nos referimos a este por um modelo matemático com parâmetros que dependem da discretização. Validamos nossa aproximação em um meio excitável genérico que simula três fenômenos em 1D: a propagação do potencial de ação transmembrânico no tecido cardíaco, a propagação do potencial de ação em filamentos de axônios cobertos por bainhas de mielina e a propagação do ativador e inibidor em microemulsões químicas. Para o caso 2D desenvolvemos uma versão da nossa aproximação que reproduz ondas espirais em um meio com acoplamento fraco. / The spatio-temporal patterns formations are observed in chemical and biological pro-cesses. Although biochemical systems are highly heterogeneous, homogenized continuum approaches formed by partial differential equations have been employed frequently. These approaches are usually justified by the difference scales between the characteristic spatial size of the patterns. Under some conditions of the medium, for instance, under weak coupling between cardiac cells, discrete models are more adequate. On the other hand discrete models may be less manageable, for instance, in terms of mesh generation, com-pared to the continuum models. Here we study a mathematical model to approach the discreteness which permits the computer implementation on non-uniform meshes. The model is cast as a partial differential equation but with a parameter that depends on the discretization mesh. Therefore we refer to it as a mathematical model with parameters dependent of discretization. We validate the approach in a generic excitable media that simulates three different phenomena in 1D: the propagation of action potential in car-diac tissue, the propation of the action potentialin filaments of axons wrapped by myelin sheaths, and the propagation of the activator/inhibitor in chemical microemulsions. For the 2D case we develop a version to this approach in microemulsions where it was possible to reproduce spiral waves with weak coupling of the medium.

A high resolution spectrally accurate three-dimensional flow solver is developed in order to simulate convection dominated fluid flows. The governing incompressible Navier Stokes equations along with the energy equation for temperature are discretized using a second-order accurate projection method which utilizes Adams Bashforth and Backward Differentiation formula for temporal discretization of the non-linear convective and linear viscous terms, respectively. Spatial discretization is performed using a Fourier/Chebyshev spectral method. Extensive tests on three-dimensional Taylor Couette flow are performed and it is shown that the method successfully captures the different states ranging from formation of Taylor vortices to wavy vortex regime. Next, the code is validated for convection dominated flows through a comprehensive comparison of the results for two dimensional Rayleigh Benard convection with the theoretical and experimental results from the literature. Finally, fully parallel simulations, with efficient utilization of computational resources and memory, are performed on a model three-dimensional axially homogeneous Rayleigh Benard convection problem in order to explore the high Rayleigh number flows and to test the scaling of global properties.

This thesis is concerned with the further development and analysis of a class of Computational Fluid Dynamics (CFD) methods for the numerical simulation of compressible flows on unstructured grids, known as Residual Distribution (RD).<p>The RD method constitutes a class of discretization schemes for hyperbolic systems <p>of conservation laws, which forms an attractive alternative to the more classical Finite Volume methods, particularly since it allows better representation of the flow physics by genuinely multi-dimensional upwinding and offers second-order accuracy on a compact stencil.<p><p>Despite clear advantages of RD schemes, they also have some unexpected anomalies in common with Finite Volume methods and an attempt to resolve them is presented. The most notable anomaly is the violation of the entropy condition, which as a consequence allows unphysical expansion shocks to exist in the numerical solution. In the thesis the genuinely multi-dimensional character of this anomaly is analyzed and a multi-dimensional entropy fix is presented and shown to avoid expansion shocks. Another infamous anomaly is the carbuncle phenomenon, an instability observed in many numerical solutions with strong shocks, such as the bow shock on a blunt body in hypersonic flow. The occurence of the carbuncle phenomenon with RD methods is analyzed and a novel formulation for a shock fix, based on an anisotropic diffusion term added in the shock layer, is presented and shown to cure the anomaly in 2D and 3D hypersonic flow problems.<p><p>In the present work an effort has been made also to an objective and quantitative assessment of the merits of the RD method for typical aerodynamical engineering applications, such as the transonic flow over airfoils and wings.<p>Validation examples including inviscid, laminar as well as high Reynolds number turbulent flows <p>and comparisons against results from state-of-the-art Finite Volume methods are presented.<p>It is shown that the second-order multi-dimensional upwind RD schemes have an accuracy which is at least as good as second-order FV methods using dimension-by-dimension upwinding and that their main advantage lies in providing excellent monotone shock capturing. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Flow of granular materials is usually initiated when the shear stress is large enough and exceeds certain critical value. This can result in the presence of the dead-zones in which the flow itself does not take place. Motions of such materials are frequently described by Bingham model. Flows of granular fluids are frequently connected with the presence of free surface. In the thesis Bingham model is incorporated into a more general framework of Bingham-Korteweg fluids, which is a suitable way how to transfer free- boundary problems into the problems on fixed domains. A part of the thesis concerns mathematical analysis of interesting relevant problems for incompressible fluids. 1

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Esta dissertação trata da solução numérica de problemas em dinâmica dos fluidos usando dois novos esquemas upwind de alta resolução, denominados FDPUS-C1 (Five-Degree Polynomial Upwind Scheme of \' C POT. 1\' Class) e SDPUS-C1 (Six-Degree Polynomial Upwind Scheme of \'C POT.1\' Class), para a discretização de termos convectivos lineares e não-lineares. Os esquemas são baseados nos critérios de estabilidade TVD (Total Variation Diminishing) e CBC (Convection Boundedness Criterion) e são implementados, nos contextos das metodologias de diferenças finitas e volumes finitos, no ambiente de simulação Freeflow (an integrated simulation system for Free surface Flow) para escoamentos imcompressíveis 2D, 2D-1/2 e 3D, ou no código bem conhecido CLAWPACK ( Conservation LAW PACKage) para problemaw compressíveis 1D e 2D. Vários testes computacionais são feitos com o objetivo de verificar e validar os métodos numéricos contra esquemas upwind populares. Os novos esqumas são então aplicados na resolução de uma gama ampla de problemas em CFD (Computational Fluids Dynamics), tais como propagação de ondas de choque e escoamentos incompressíveis envolvendo superfícies livres móveis. Em particular, os resultados numéricos para leis de conservação hiperbólicas 2D e equações de Navier-Stokes incompressíveis 2D, 2D-1/2 e 3D demosntram que esses novos esquemas convectivos tipo upwind polinomiais funcionam muito bem / This dissertation deals with the numerical solution of fluid dynamics problems using two new high resolution upwind schemes,. namely FDPUS-C1 and SDPUS-C1, for the discretization of the linear and non-linear convection terms. The Schemes are based on TVD and DBC stability criteria and are implemented in the context of the finite difference and finite volume methodologies, either into the Freeflow code for 2D, 2D-1/2 and 3D incompressible flows or in the well-known CLAWPACK code for 1D and 2D compressible flows. Several computational tests are performed to verify and validate the numerical methods against other popularly used upwind schemes. The new schemes are then applied to solve a wide range of problems in CFD, such as shock wave propagation and incompressible fluid flows involving moving free msurfaces. In particular, the numerical results for 2D hyperbolic conservation laws and 2D, 2D-1/2 and 3D incompressible Navier-Stokes eqautions show that new polynomial upwind convection schemes perform very well

Dans cette thèse, nous étudions l'approximation et la stabilisation de certaines équations d'évolution, en utilisant la théorie des semi-groups et l'analyse spectrale. Cette thèse est divisée en deux parties principales. Dans la première partie, comme dans [3, 4], nous considérons l'approximation des équations d'évolution du deuxième ordre modélisant les vibrations de structures élastiques. Il est bien connu que le système approché par éléments finis ou différences finies n'est pas uniformément exponentiellement ou polynomialement stable par rapport au paramètre de discrétisation, même si le système continu a cette propriété. Dans la première partie, notre objectif est d'amortir les modes parasites à haute fréquence en introduisant des termes de viscosité numérique dans le schéma d'approximation. Avec ces termes de viscosité, nous montrons la décroissance exponentielle ou polynomiale du schéma discret lorsque le problème continu a une telle décroissance et quand le spectre de l'opérateur spatial associé au problème conservatif satisfait la condition du gap généralisée. En utilisant le Théorème de Trotter-Kato, nous montrons la convergence de la solution discrète vers la solution continue. Quelques exemples sont également présentés. / In this thesis, we study the approximation and stabilization of some evolution equations, using semigroup theory and some spectral analysis. This Ph.D. thesis is divided into two main parts. In the first part, as in [3, 4], we consider the approximation of second order evolution equations modeling the vibrations of elastic structures. It is well known that the approximated system by finite elements or finite differences is not uniformly exponentially or polynomially stable with respect to the discretization parameter, even if the continuous system has this property. Therefore, our goal is to damp the spurious high frequency modes by introducing numerical viscosity terms in the approximation scheme. With these viscosity terms, we show the exponential or polynomial decay of the discrete scheme when the continuous problem has such a decay and when the spectrum of the spatial operator associated with the undamped problem satisfies the generalized gap condition. By using the Trotter-Kato Theorem, we further show the convergence of the discrete solution to the continuous one. Some illustrative examples are also presented.