The Finite Element Method (FEM) is a powerful numerical method to solve wave propagation problems for open-region electromagnetic radiation/scattering problems involving objects with arbitrary geometry and constitutive parameters. In high-frequency applications, the FEM requires an electrically large computational domain, implying a large number of unknowns, such that the numerical solution of the problem is not feasible even on state-of-the-art computers. An appealing way to solve a large FEM problem is to employ a Domain Decomposition Method (DDM) that allows the decomposition of a large problem into several coupled subproblems which can be solved independently, thus reducing considerably the memory storage requirements. In this thesis, two new domain decomposition algorithms (FB-DDM and ILF-DDM) are implemented for the finite element solution of electromagnetic radiation/scattering problems. For this purpose, a nodal FEM code (FEMS2D) employing triangular elements and a vector FEM code (FEMS3D) employing tetrahedral edge elements have been developed for 2D and 3D problems, respectively. The unbounded domain of the radiation/scattering problem, as well as the boundaries of the subdomains in the DDMs, are truncated by the Perfectly Matched Layer (PML) absorber. The PML is implemented using two new approaches: Locally-conformal PML and Multi-center PML. These approaches are based on a locally-defined complex coordinate transformation which makes possible to handle challenging PML geometries, especially with curvature discontinuities. In order to implement these PML methods, we also introduce the concept of complex space FEM using elements with complex nodal coordinates. The performances of the DDMs and the PML methods are investigated numerically in several applications.

The object of the thesis research is to realize a complex-valued QR decomposition (QRD) algorithm on FPGAs for MIMO communication systems. The challenge is to implement a QRD processor that efficiently utilizes hardware resources to meet throughput requirements in MIMO systems. By studying the basic QRD algorithm using Givens rotations and the CORDIC algorithm, the thesis develops a master-slave structure to more efficiently implement CORDIC-based Givens rotations compared to traditional methods. Based on the master-slave structure, an processing-element array architecture is proposed to further improve result precision and to achieve near-theoretical latency with parallelized normalization and rotations. The proposed architecture also demonstrates flexible scalability through implementations for different sizes of QRDs. The QRD implementations can process 7.41, 1.90 and 0.209 million matrices per second for two by two, four by four and eight by eight QRDs respectively. This study has built the foundation to develop QRD processors that can fulfill high throughput requirements for MIMO systems.

Thesis (Ph. D.)--Ohio State University, 2007. / Title from first page of PDF file. Includes bibliographical references (p. 127-134).

Domain decomposition and convex optimization play fundamental roles in current computation and analysis in many areas of science and engineering. These methods have been well developed and studied in the past thirty years, but they still require further study and improving not only in mathematics but in actual engineering computation with exponential increase of computational complexity and scale. The main goal of this thesis is to develop some efficient and powerful algorithms based on domain decomposition method and convex optimization. The topicsstudied in this thesis mainly include two classes of convex optimization problems: optimal control problems governed by time-dependent partial differential equations and general structured convex optimization problems. These problems have acquired a wide range of applications in engineering and also demand a very high computational complexity. The main contributions are as follows: In Chapter 2, the relevance of an adequate inner loop starting point (as opposed to a sufficient inner loop stopping rule) is discussed in the context of a numerical optimization algorithm consisting of nested primal-dual proximal-gradient iterations. To study the optimal control problem, we obtain second order domain decomposition methods by combining Crank-Nicolson scheme with implicit Galerkin method in the sub-domains and explicit flux approximation along inner boundaries in Chapter 3. Parallelism can be easily achieved for these explicit/implicit methods. Time step constraints are proved to be less severe than that of fully explicit Galerkin finite element method. Based on the domain decomposition method in Chapter 3, we propose an iterative algorithm to solve an optimal control problem associated with the corresponding partial differential equation with pointwise constraint for the control variable in Chapter 4. In Chapter 5, overlapping domain decomposition methods are designed for the wave equation on account of prediction-correction" strategy. A family of unit decomposition functions allow reasonable residual distribution or corrections. No iteration is needed in each time step. This dissertation also covers convergence analysis from the point of view of mathematics for each algorithm we present. The main discretization strategy we adopt is finite element method. Moreover, numerical results are provided respectivelyto verify the theory in each chapter. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Neste trabalho, relatam-se soluções analíticas para as equações da cinética da teoria de difusão de nêutrons. Para a solução das equações da cinética pontual consideram-se seis grupos de precursores de nêutrons atrasados e assume-se reatividade variável como uma função arbitrária do tempo. A ideia principal consiste inicialmente na determinação da solução das equações da cinética pontual com reatividade constante apenas usando os resultados bem conhecidos para a solução de sistemas de equações diferenciais matriciais lineares de primeira ordem com entradas constantes. Com a aplicação do método de Decomposição, é possível transformar as equações da cinética pontual com reatividade variável com o tempo em um conjunto de problemas recursivos semelhantes às equações da cinética pontual com reatividade constante, o que pode ser resolvido diretamente com a técnica mencionada anteriormente. Para ilustração, apresentam-se simulações para as funções com reatividade constante, linear e senoidal, bem como comparações com resultados na literatura. Já com relação às equações da cinética espacial, consideram-se um e seis grupos de precursores de nêutrons atrasados, modelo multigrupo de energia, meio homogêneo e dimensões espaciais bi e tridimensionais. O formalismo do procedimento da solução é geral em relação ao número de grupos de energia, famílias de precursores de nêutrons atrasados e regiões com diferentes composições químicas. O fluxo rápido e térmico e as concentrações de nêutrons atrasados são expandidos em uma série de termos de autofunções que, pela aplicação da técnica da GITT, resulta em uma equação diferencial matricial de primeira ordem semelhante às equações de cinética pontual. Por esse motivo, a solução deste problema transformado segue o formalismo do método da Decomposição aplicado às equações da cinética pontual. Por fim, apresentam-se simulações numéricas e comparações com resultados disponíveis na literatura. / In this work we report analytical solutions for the neutron kinetics diffusion equations. For the solution of the point kinetics equations we consider six groups of delayed neutron precursors and assume that the reactivity is an arbitrary function of time. The main idea initially consists in the determination of the solution of the point kinetics equations with constant reactivity by just using the well-known results of the solution of systems of first-order linear ordinary differential equations in matrix form with constant matrix entries. Applying the decomposition method, we are able to transform the point kinetics equations with time dependent reactivity into a set of recursive problems similar to the point kinetics equations with constant reactivity, which can be directly solved by the above mentioned technique. For illustration, we also report simulations for constant, linear and sinusoidal reactivity time functions of time as well as comparisons with results published in the literature. As for the space kinetics equations we consider six groups of delayed neutron precursors, energy multigroup model, homogeneous media and two and three-dimensional geometries. The solution procedure formalism is general with respect to the number of energy groups, neutron precursor families and regions with different chemical compositions. The fast and thermal flux and the delayed neutron precursors concentrations are expanded in a series in terms of eigenfunctions that, upon insertion into the kinetics equation and upon taking moments, result in a first order linear differential matrix equation with source terms similar to the point kinetics equations. The solution of this transformed problem follows the formalism of the decomposition method applied to the point kinetics equations. We present numerical simulations and comparisons with available results in the literature.

Tendo em vista o aumento considerável da poltúção do ar provocado em grande parte pela industrialização e o aumento da emissão de poluentes resultantes da queima de combustíveis fósseis por veículos automotores, o presente trabalho tem como objetivo melhorar a previsão e o entendimento da dispersão turbulenta atmosférica. Para tanto, apresenta-se, pela primeira vez, uma representação analít ica para a equação de advecção-difusão-reação tridimensional transiente, com perfil de vento e coeficientes de difusão tmbulenta dependentes da altura, que modelam a dispersão de poluentes na atmosfera. A solução da equação é obtida pela combinação do método GILTT ( Generalized Integral Laplace Transform Technique) com o método da Decomposição de Adomian modificado. Consideram-se dois casos para a aplicação do modelo: no primeiro modela-se a dispersão de um poluente secundário formado por uma reação fotoquímica e no segundo caso, utiliza-se o modelo para determinar o campo de concentração de um poluente que sofre perdas e ganhos devido a influência da radiação solar. Para poder realizar essas análises propôs-se uma parametrização para o termo de reação fotoquímica. São apresentados os resultados numéricos e estatísticos, comparandose com os dados da campanha experimental da Usina Termelétrica de Candiota e com os dados de medições realizadas pela Fundação Estadual de Proteção Ambiental Henrique Luiz Roessler (FEPAM). / In view of the considerable increase of air pollution caused largely by industrialization and the increase of emission pollutants resulting from burning of fossil fuels by motor vehicles, the present work aims to improve the prediction and understanding of atmospheric turbu- lent dispersion. Therefore, is presented, for the rst time, an analytical representation to the transient three-dimensional advection-diffusion-reaction equation, with wind pro le and turbulent diffusion coefficients dependent of height, modeling the dispersion of pollutants in the atmosphere. The solution of the equation is obtained by combining of the GILTT method (Generalized Integral Laplace Transform Technique) with the modi ed Adomian Decomposition method. It is considered two cases for the application of the model: in the rst is modeled the dispersion of a secondary pollutant formed by a photochemical reaction, and in the second case the model is used to determine the concentration eld of a pollutant that suffers losses and gains due to the in uence of solar radiation. To realise these analisis a parameterization for the photochemical reaction term is proposed. Numerical and statistical results are presented, comparing with the experimental campaign data of the thermoelectric plant of Candiota and with data from measurements performed by the \Funda c~ao Estadual de Prote c~ao Ambiental Henrique Luiz Roessler" (FEPAM).

Tendo em vista o aumento considerável da poltúção do ar provocado em grande parte pela industrialização e o aumento da emissão de poluentes resultantes da queima de combustíveis fósseis por veículos automotores, o presente trabalho tem como objetivo melhorar a previsão e o entendimento da dispersão turbulenta atmosférica. Para tanto, apresenta-se, pela primeira vez, uma representação analít ica para a equação de advecção-difusão-reação tridimensional transiente, com perfil de vento e coeficientes de difusão tmbulenta dependentes da altura, que modelam a dispersão de poluentes na atmosfera. A solução da equação é obtida pela combinação do método GILTT ( Generalized Integral Laplace Transform Technique) com o método da Decomposição de Adomian modificado. Consideram-se dois casos para a aplicação do modelo: no primeiro modela-se a dispersão de um poluente secundário formado por uma reação fotoquímica e no segundo caso, utiliza-se o modelo para determinar o campo de concentração de um poluente que sofre perdas e ganhos devido a influência da radiação solar. Para poder realizar essas análises propôs-se uma parametrização para o termo de reação fotoquímica. São apresentados os resultados numéricos e estatísticos, comparandose com os dados da campanha experimental da Usina Termelétrica de Candiota e com os dados de medições realizadas pela Fundação Estadual de Proteção Ambiental Henrique Luiz Roessler (FEPAM). / In view of the considerable increase of air pollution caused largely by industrialization and the increase of emission pollutants resulting from burning of fossil fuels by motor vehicles, the present work aims to improve the prediction and understanding of atmospheric turbu- lent dispersion. Therefore, is presented, for the rst time, an analytical representation to the transient three-dimensional advection-diffusion-reaction equation, with wind pro le and turbulent diffusion coefficients dependent of height, modeling the dispersion of pollutants in the atmosphere. The solution of the equation is obtained by combining of the GILTT method (Generalized Integral Laplace Transform Technique) with the modi ed Adomian Decomposition method. It is considered two cases for the application of the model: in the rst is modeled the dispersion of a secondary pollutant formed by a photochemical reaction, and in the second case the model is used to determine the concentration eld of a pollutant that suffers losses and gains due to the in uence of solar radiation. To realise these analisis a parameterization for the photochemical reaction term is proposed. Numerical and statistical results are presented, comparing with the experimental campaign data of the thermoelectric plant of Candiota and with data from measurements performed by the \Funda c~ao Estadual de Prote c~ao Ambiental Henrique Luiz Roessler" (FEPAM).

Neste trabalho, relatam-se soluções analíticas para as equações da cinética da teoria de difusão de nêutrons. Para a solução das equações da cinética pontual consideram-se seis grupos de precursores de nêutrons atrasados e assume-se reatividade variável como uma função arbitrária do tempo. A ideia principal consiste inicialmente na determinação da solução das equações da cinética pontual com reatividade constante apenas usando os resultados bem conhecidos para a solução de sistemas de equações diferenciais matriciais lineares de primeira ordem com entradas constantes. Com a aplicação do método de Decomposição, é possível transformar as equações da cinética pontual com reatividade variável com o tempo em um conjunto de problemas recursivos semelhantes às equações da cinética pontual com reatividade constante, o que pode ser resolvido diretamente com a técnica mencionada anteriormente. Para ilustração, apresentam-se simulações para as funções com reatividade constante, linear e senoidal, bem como comparações com resultados na literatura. Já com relação às equações da cinética espacial, consideram-se um e seis grupos de precursores de nêutrons atrasados, modelo multigrupo de energia, meio homogêneo e dimensões espaciais bi e tridimensionais. O formalismo do procedimento da solução é geral em relação ao número de grupos de energia, famílias de precursores de nêutrons atrasados e regiões com diferentes composições químicas. O fluxo rápido e térmico e as concentrações de nêutrons atrasados são expandidos em uma série de termos de autofunções que, pela aplicação da técnica da GITT, resulta em uma equação diferencial matricial de primeira ordem semelhante às equações de cinética pontual. Por esse motivo, a solução deste problema transformado segue o formalismo do método da Decomposição aplicado às equações da cinética pontual. Por fim, apresentam-se simulações numéricas e comparações com resultados disponíveis na literatura. / In this work we report analytical solutions for the neutron kinetics diffusion equations. For the solution of the point kinetics equations we consider six groups of delayed neutron precursors and assume that the reactivity is an arbitrary function of time. The main idea initially consists in the determination of the solution of the point kinetics equations with constant reactivity by just using the well-known results of the solution of systems of first-order linear ordinary differential equations in matrix form with constant matrix entries. Applying the decomposition method, we are able to transform the point kinetics equations with time dependent reactivity into a set of recursive problems similar to the point kinetics equations with constant reactivity, which can be directly solved by the above mentioned technique. For illustration, we also report simulations for constant, linear and sinusoidal reactivity time functions of time as well as comparisons with results published in the literature. As for the space kinetics equations we consider six groups of delayed neutron precursors, energy multigroup model, homogeneous media and two and three-dimensional geometries. The solution procedure formalism is general with respect to the number of energy groups, neutron precursor families and regions with different chemical compositions. The fast and thermal flux and the delayed neutron precursors concentrations are expanded in a series in terms of eigenfunctions that, upon insertion into the kinetics equation and upon taking moments, result in a first order linear differential matrix equation with source terms similar to the point kinetics equations. The solution of this transformed problem follows the formalism of the decomposition method applied to the point kinetics equations. We present numerical simulations and comparisons with available results in the literature.

Neste trabalho, relatam-se soluções analíticas para as equações da cinética da teoria de difusão de nêutrons. Para a solução das equações da cinética pontual consideram-se seis grupos de precursores de nêutrons atrasados e assume-se reatividade variável como uma função arbitrária do tempo. A ideia principal consiste inicialmente na determinação da solução das equações da cinética pontual com reatividade constante apenas usando os resultados bem conhecidos para a solução de sistemas de equações diferenciais matriciais lineares de primeira ordem com entradas constantes. Com a aplicação do método de Decomposição, é possível transformar as equações da cinética pontual com reatividade variável com o tempo em um conjunto de problemas recursivos semelhantes às equações da cinética pontual com reatividade constante, o que pode ser resolvido diretamente com a técnica mencionada anteriormente. Para ilustração, apresentam-se simulações para as funções com reatividade constante, linear e senoidal, bem como comparações com resultados na literatura. Já com relação às equações da cinética espacial, consideram-se um e seis grupos de precursores de nêutrons atrasados, modelo multigrupo de energia, meio homogêneo e dimensões espaciais bi e tridimensionais. O formalismo do procedimento da solução é geral em relação ao número de grupos de energia, famílias de precursores de nêutrons atrasados e regiões com diferentes composições químicas. O fluxo rápido e térmico e as concentrações de nêutrons atrasados são expandidos em uma série de termos de autofunções que, pela aplicação da técnica da GITT, resulta em uma equação diferencial matricial de primeira ordem semelhante às equações de cinética pontual. Por esse motivo, a solução deste problema transformado segue o formalismo do método da Decomposição aplicado às equações da cinética pontual. Por fim, apresentam-se simulações numéricas e comparações com resultados disponíveis na literatura. / In this work we report analytical solutions for the neutron kinetics diffusion equations. For the solution of the point kinetics equations we consider six groups of delayed neutron precursors and assume that the reactivity is an arbitrary function of time. The main idea initially consists in the determination of the solution of the point kinetics equations with constant reactivity by just using the well-known results of the solution of systems of first-order linear ordinary differential equations in matrix form with constant matrix entries. Applying the decomposition method, we are able to transform the point kinetics equations with time dependent reactivity into a set of recursive problems similar to the point kinetics equations with constant reactivity, which can be directly solved by the above mentioned technique. For illustration, we also report simulations for constant, linear and sinusoidal reactivity time functions of time as well as comparisons with results published in the literature. As for the space kinetics equations we consider six groups of delayed neutron precursors, energy multigroup model, homogeneous media and two and three-dimensional geometries. The solution procedure formalism is general with respect to the number of energy groups, neutron precursor families and regions with different chemical compositions. The fast and thermal flux and the delayed neutron precursors concentrations are expanded in a series in terms of eigenfunctions that, upon insertion into the kinetics equation and upon taking moments, result in a first order linear differential matrix equation with source terms similar to the point kinetics equations. The solution of this transformed problem follows the formalism of the decomposition method applied to the point kinetics equations. We present numerical simulations and comparisons with available results in the literature.

Orientador: Jacinta Enzweiler / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Geociências / Made available in DSpace on 2018-08-17T09:52:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Cotta_AloisioJoseBueno_D.pdf: 12674950 bytes, checksum: 5c83c715500dcc83803f8d9b7d8712f1 (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: A espectrometria de massas com plasma indutivamente acoplado (ICP-MS) possibilita determinações multielementares rápidas e com baixos limites de detecção numa variedade de matrizes, dentre elas as geológicas. Neste estudo, métodos comparativos utilizando um ICP-MS quadrupolar equipado com cela de colisão (CC) foram estabelecidos para determinar amplos conjuntos de elementos-traços em águas e em rochas. A aplicabilidade e as limitações da CC para atenuar interferências poliatômicas sobre os isótopos empregados foram amplamente investigadas. Em condições ótimas, muitas interferências puderam ser eliminadas ou significativamente atenuadas, o que tornou os métodos menos dependentes de correções matemáticas. Para a análise de rochas, técnicas clássicas de dissolução envolvendo misturas ácidas, como HF/HNO3, foram utilizadas e um novo procedimento com equipamento que possibilita efetuar a digestão sob pressão de até 13 MPa é proposto. Nesse caso, a precipitação de AlF3, o qual retém alguns elementos-traço, principalmente Co, Sr, Ba e Pb, foi o maior obstáculo à recuperação quantitativa dos analitos. A formação de AlF3 foi evitada com a adição de Mg à porção teste e com o controle da temperatura de digestão. A decomposição por sinterização com peróxido de sódio foi também investigada e verificou-se que a inclusão de uma etapa de aquecimento da dispersão resultante da dissolução do sinterizado em água, antes da separação do precipitado de hidróxidos de Fe e Ti, o qual retém os elementos-traço, auxilia na coprecipitação de Ni, Zr, Nb, Cd, Sn, Sb, Hf, Pb e Th e permite acrescentá-los à lista de elementos determináveis. Os métodos foram validados pela análise de um conjunto de materiais de referência (MR), alguns deles certificados. Os resultados obtidos demonstraram que os métodos desenvolvidos para águas e rochas apresentaram tendência e coeficientes de variação menores que 5% para a maior parte dos mensurandos. Os resultados obtidos para os MR certificados de rochas, BRP-1 e OU-6, foram utilizados para calcular a incerteza do método ao nível aproximado de confiança de 95%. A técnica de diluição isotópica foi aplicada para determinar Cr, Ni, Cu, Zn, Sr e Sn em alguns MR de rochas em uso e em candidatos a MR, com o objetivo de estabelecer o método e contribuir com novos valores para esses MR. As incertezas de todas as etapas do procedimento foram estimadas. Os resultados obtidos evidenciam que o valor certificado de Cr em BRP-1 deveria ser revisto e confirmam a necessidade do estabelecimento da rastreabilidade metrológica durante a certificação de MR. / Abstract: Inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) is suited for fast multi-trace element determinations with low detection limits in a variety of matrices, including geological samples. In this study we established comparative analytical methods for the determination of an expressive number of trace elements in water and rock samples using an ICP-MS equipped with collision cell (CC). The applicability and limitations of CC for polyatomic interference attenuation over the isotopes used were widely investigated. Under optimized conditions, many interferences were eliminated or significantly attenuated, so these methods depend less on mathematical corrections. For rock analyses, classical multi-acid decomposition techniques, with mixtures like HF/HNO3, were used, and a new procedure with equipment that allows digestion at 13 MPa is proposed. In this case, the precipitation of AlF3, which retains some trace elements like Co, Sr, Ba and Pb preferentially, was the major drawback in achieving quantitative recoveries. The formation of AlF3 was inhibited by adding Mg to the test portion and controlling the temperature of digestion. Sample decomposition by sintering with sodium peroxide was also tested and was demonstrated that including a heating step of the sinter dispersion obtained after dissolution in water and before the separation of the precipitated Fe and Ti hydroxides, which retain many trace elements, helps to achieve a quantitative co-precipiation of Ni, Zr, Nb, Cd, Sn, Sb, Hf, Pb and Th and allows to include them to the list of determinable elements. The methods were validated by analysis of a set of reference materials (RM) some of them certified. Relative standard deviations and bias of the results were less than 5% for most of the measurands. The results obtained for the certified RM BRP-1 and OU-6 were used to calculate the measurement uncertainty at the approximate 95% confidence interval. The isotope dilution technique was applied to determine Cr, Ni, Cu, Zn, Sr and Sn in some geochemical RM in use and in candidate RM, with the objective of establishing the method to contribute with new values for the analysed RM. The uncertainties of the whole analytical procedure were estimated. The results obtained show that the certified value of Cr in BRP-1 should be reviewed and confirm the need of establishing the metrological traceability during the certification of RM. / Doutorado / Geologia e Recursos Naturais / Doutor em Ciências