Com os grandes avanços ocorridos na disponibilização de computadores, existe uma tendência contínua para a utilização de técnicas computacionais auxiliando no projeto de equipamentos de engenharia. Cada vez mais estão se obtendo resultados bastante próximos às condições reais, incluindo a simulação de motores de combustão interna. Neste sentido o presente trabalho tem o objetivo de analisar o escoamento turbulento no processo de admissão de ar em um motor operando em ciclo Diesel. A investigação é focada na determinação da influência do passo de tempo no cálculo do coeficiente de descarga e razão de swirl. Adicionalmente, o campo de velocidades, pressão, energia cinética turbulenta e outros parâmetros são apresentados e analisados, com o objetivo de auxiliar no entendimento da dinâmica envolvida. Essencialmente, dois modelos de turbulência são empregados, juntamente com dois tratamentos de parede. Seus resultados também são confrontados e discutidos. A geometria considerada é de um motor Fiat 1.9 L quatro tempos com duas válvulas. A análise é concentrada em um único cilindro. O pacote computacional utilizado é o Star-cd, e seu aplicativo es-ice. A independência de malha foi obtida, chegando a 1.672.056 volumes. Os resultados são apresentados de duas formas. A primeira delas refere-se a resultados de simulações em regime permanente, realizadas em boa parte por outros autores, com ênfase na determinação do coeficiente de descarga e razão de swirl, estes confrontados com valores experimentais, visando à validação da metodologia. Fica evidente a importância da escolha do modelo de turbulência na simulação de motores de combustão interna, assim como das funções de interpolação utilizadas. Na segunda parte os resultados referem-se a uma análise transiente, considerando o movimento do pistão e válvulas, a 1500 RPM. Observa-se a grande exigência quanto ao passo de tempo requerido no transiente real, ficando demonstrado que para esta velocidade o menor passo de tempo utilizado, 0,05° (5.5555E-6 s), ainda é insuficiente para alguns momentos do ciclo. É possível notar maior influência no coeficiente de descarga do que na razão de swirl, em relação aos passos de tempo utilizados. A forte dependência do modelo de turbulência nos resultados obtidos é mais uma vez confirmada, conforme o esperado, já que as hipóteses sobre a física do fenômeno são diferentes em cada modelo. Os resultados quanto ao tratamento na parede não apresentaram significantes diferenças, quando aplicados junto ao modelo de turbulência k-ω SST. / Considering the increase in the availability of computers, there is a continuing trend toward the use of computational simulation aiding in the design of engineering equipments. Reasonable results, close to the real conditions, are obtained, including the simulation of internal combustion engines. In this way, the present work has the objective of analyzing the turbulent flow in the air intake process of an engine operating in Diesel cycle. The investigation focuses on the determination of the time step in the calculation of the air discharge coefficient and swirl ratio. Additionally, the turbulent kinetic energy, pressure and velocity fields, besides other parameters, are presented and analyzed, with the objective of aiding in the understanding of the involved dynamics. Essentially, two turbulence models are employed, together with two wall treatments. Their results are also confronted and discussed. The considered geometry is a four-stroke, 1.9-L FIAT engine, with two valves. The analysis is concentrated on a single cylinder. The software package used is the Star-cd, and its application es-ice. The mesh independence is carried out, arriving in 1.672.056 volumes. The results are presented in two ways. The first one refers to simulation results of the steady state, also accomplished by other authors, with emphasis in the determination of the discharge coefficient and swirl ratio. These data are confronted with experimental values, aiming to validate the applied methodology. The importance of the choice of the turbulent model becomes evident in the simulation of internal combustion engines, as well as the interpolation functions used. In the second part the results refer to a transient analysis, considering the valves and piston movement, at 1500 rpm. It is observed the great demand on time step required is observed for the real transient, demonstrating that, for this speed, the smallest time step used, 0.05º (5.5555E-6 s), is still insufficient for some moments of the cycle. Also regarding the time step, it is possible to notice a greater influence in the discharge coefficient than in the swirl ratio. The strong dependence of the turbulence model on the results is once again confirmed, as expected, since the hypotheses about the physics of the phenomenon are different in each model. The results, regarding the wall treatment, presented no significant differences, when applied together with the SST k-ω turbulence model.

O processo de parametrização de malhas em planos é um tópico de pesquisa bastante explorado. Apesar do grande esforço despendido no desenvolvimento de técnicas mais eficientes e robustas, pouco se tem investido no uso das representações paramétricas geradas por estas técnicas. Este trabalho apresenta contribuições relacionadas ao uso do espaço paramétrico para computações eficientes. A principal motivação vem do fato de alguns algoritmos serem mais eficientes quando aplicados sobre a versão paramétrica da malha. Algoritmos para o cálculo de distância mínima, por exemplo, podem ter um aumento significativo de eficiência quando aplicados em versões paramétricas de malhas. Nossos resultados demonstram que esses aumentos de eficiência podem chegar a cerca de uma ordem de magnitude em alguns casos. As contribuições deste trabalho possuem aplicação direta em três campos de pesquisa relacionados à computação gráfica: displacement mapping, cálculo de distâncias sobre superfícies e movimentação de agentes. A contribuição relacionada a displacement mapping, apresentada no capítulo 4, é utilizada para aumentar a performance de renderização e a qualidade visual de terrenos em jogos. O novo método de cálculo de distâncias proposto, apresentado no capítulo 5, aumenta a eficiência de vários algoritmos de cálculo de distância sobre superfícies de malhas. Este novo método também é utilizado em uma nova técnica para cálculo de movimentação de agentes em superfícies de malhas arbitrárias. Esta técnica é apresentada no capítulo 6. O potencial da nova técnica de cálculo de distância sobre malhas não está restrito aos exemplos apresentados. Em geral, qualquer técnica que utilize o cálculo de distância sobre superfícies de malhas de triângulos se beneficia das contribuições deste trabalho, podendo-se citar como exemplos a geração de texturas procedurais, rotulamento de superfícies, re-triangulação de malhas e segmentação de malhas, entre outros. / The process of parameterizing a mesh to the plane is an ongoing research topic. Although there are several works dedicated to parameterization techniques the use of the resulting parameterizations has received less attention. This work presents contributions related to the use of the parametric space to improve the computational efficiency of several algorithms. The main motivation comes from the fact that some algorithms are more efficiently computed on the parametric version of the mesh, compared to the 3-D version. For example, shortest distances can be computed, usually, an order of magnitude faster on the parametric space. The contributions of this work can be applied to at least three research fields related to computer graphics: displacement mapping, distance computation on the surface of triangular meshes and agent path planning. The contribution related to displacement mapping, presented in chapter 4, is used to increase the rendering performance and visual quality of terrains in games. The new method to compute distances, presented in chapter 5, increases the efficiency of several distance computation algorithms. This new method was also used on a novel agent path planning algorithm, to navigate agents on the surface of arbitrary meshes. This technique is presented in chapter 6. The potential of the new distance computation method is not restricted to the applications presented in this thesis. In general, any technique that uses distance computation on the surface of triangular meshes can have the performance improved by the method. We can cite the following applications: procedural texture generation, surface labeling, re-meshing, mesh segmentation, etc.

Malhas simpliciais são utilizadas em várias áreas da Computação Gráfica e Engenharia, como por exemplo, em vizualização, simulação, prototipação, além de outras aplicações. Este tipo de malha é, geralmente, utilizada como aproximações discretas de espaços contínuos, onde eles oferecem representações flexíveis e eficientes. Muito esforço é gasto visando gerar malhas de boa qualidade, porém, em alguns casos as malhas acabam sendo modificadas. Entretanto, este tipo de operação é geralmente custosa e inflexível, o que pode resultar na geraão de malhas bem diferentes das originais. A habilidade de manipular cenas dinâmicas revela-se um dos problemas mais desafiadores da computação gráfica. Este trabalho propõe um método alternativo para atualizar malhas simpliciais que vai além de mudanças geométricas e topológicas. Tal método explora uma das propriedade das Tringulações de Delaunay com Pesos, que permite a usá-las para definir implicitamente as relações de conectividade de uma malha. Ao contrário de manter as informações de conectividade explicitamente, a atual abordagem simplesmente armazena uma coleção de pesos associados a cada vértice. Além disso, criamos um algoritmo para calcular uma Tringulação de Delaunay com Pesos a partir de uma dada triangulação. O algoritmo consiste em uma busca em largura que atribui pesos aos vértices, e uma estratégia de de subdivisão para assegurar que a triangulação reconstruída será correspondente à original. Este método apresenta diversas aplicações e, em particular, permite a criação de um sistema simples de realizar combinação entre triangulações, que será ilustrada com exemplos em 2D e 3D. / Simplicial meshes are used in many fields of Computer Graphics and Engineering, for instance, in visualization, simulation, prototyping, among other applications. This kind of mesh is often used as discrete approximations of continuous spaces, where they offer flexible and efficient representations. Considerable effort is spent in generating good quality meshes, but in some applications the meshes can be modified over time. However, this kind of operation is often very expensive and inflexible, sometimes leading to results very different from the original meshes. The ability to handle dynamic scenes reveals itself as one of the most challenging problems in computer graphics. This work proposes an alternative technique for updating simplicial meshes that undergo geometric and topological changes. It explores the property that a Weighted Delaunay Triangulation (WDT) can be used to implicitly define the connectivity of a mesh. Instead of explicitly maintaining connectivity information, this approach simply keeps a collection of weights associated to each vertex. It consists of an algorithm to compute a WDT from any given triangulation, which relies on a breadth-first traversal to assign weights to vertices, and a subdivision strategy to ensure that the reconstructed triangulation conforms with the original one. This technique has many applications and, in particular, it allows for a very simple method of merging triangulations, which is illustrated with both 2D and 3d examples.

Em muitos problemas de simulação de fenômenos físicos ou fenômenos de engenharia, o uso das malhas é um componente muito importante. Uma malha é uma aproximação de uma dada geometria por um conjunto de elementos mais simples, tais como triângulos e quadriláteros (caso bidimensional) ou tetraedros, prismas, pirâmides e hexaedros (caso tridimensional). Nesse texto, as malhas de interesse são as não-estruturadas e compostas por triângulos. A escolha de uma malha é fortemente influenciada pelo desempenho e precisão dos resultados da simulação. O desempenho depende do número de elementos a serem processados, ou seja, quanto maior for a área coberta por cada elemento da malha, menos elementos são necessários, por conseguinte, mais rápida será a simulaçao. A precisão nos resultados da simulação está relacionada tanto com o formato quanto com o tamanho dos elementos. Diferente do desempenho, quanto menor forem os elementos, mais precisos serão os resultados. O formato dos elementos também influencia a precisão, em geral, elementos mais próximos dos equiláteros são preferidos. Como é possível observar, desempenho e precisão são requisitos conflitantes e geralmente é necessário fazer uma ponderação entre eles. Para um determinado grupo de aplicações, o melhor compromisso entre desempenho e precisão é conseguido com elementos finos, longos e corretamente alinhados sobre o domí?nio onde a malha está definida. São as chamadas malhas anisotrópicas. Além disso, um método de refinamento anisotrópico pode melhorar ainda mais a precisão dos resultados. O principal objetivo desse trabalho é desenvolver métodos de refinamento de malhas anisotrópicas, usando como base, e tendo como ponto de partida, os métodos de refinamento Delaunay isotrópicos, a saber, os métodos de refinamento Delaunay de Jim Ruppert [13] e de Paul Chew [6], e também realizar a simplificação Delaunay proposto por Olivier Devillers [8] / The use of polygonal meshes for numerical simulation of physical problems is a well known component. Mesh is an piecewise approximation from a given geometry defined by a set of simpler elements, such as triangles and quadrilaterals (two-dimensional case) or tetrahedra, prisms, pyramid and hexahedra (three-dimensional case). In this work, the interest is unstructured meshes of triangles. The choice of a mesh is aimed at the performance and the precision of the simulation results. The performance depends of the number of elements that will be processed, i.e., the larger is the covered area for each mesh element, the less element is needed, therefore the simulation is faster performed. The simulation precision is related with the shape and the size of the elements. On the other hand, the smaller the elements are, the more precise are the results. The shape of the elements also influences on precision, generally, equilateral elements are preferred. It is worth to mention that performance and precision are opposite requirements and it is important to ponder between them. For a group of applications, the best commitment between performance and precision is obtained with thin and long elements correctly aligned on the domain where the mesh is defined. These meshes are named anisotropic meshes. Furthermore, a method of anisotropic refinement can even improve the precision. We aim at developing anisotropic mesh methods based on isotropic properties from well known Delaunay refinement methods, viz., the Delaynay refinement methods by Jim Ruppert [13] and Paul Chew [6], and performing a Delaunay simplification proposed by Olivier Devillers [8]

A compressão de dados é uma área de muito interesse em termos computacionais devido à necessidade de armazená-los e transmiti-los. Em particular, a compressão de malhas possui grande interesse em função do crescimento de sua utilização em jogos tridimensionais e modelagens diversas. Nos últimos anos, uma nova teoria de aquisição e reconstrução de sinais foi desenvolvida, baseada no conceito de esparsidade na minimização da norma L1 e na incoerência do sinal, chamada Compressive Sensing (CS). Essa teoria possui algumas características marcantes, como a aleatoriedade de amostragem e a reconstrução via minimização, de modo que a própria aquisição do sinal é feita considerando somente os coeficientes significativos. Qualquer objeto que possa ser interpretado como um sinal esparso permite sua utilização. Assim, ao se representar esparsamente um objeto (sons, imagens) é possível aplicar a técnica de CS. Este trabalho verifica a viabilidade da aplicação da teoria de CS na compressão de malhas, de modo que seja possível um sensoreamento e representação compressivos na geometria de uma malha. Nos experimentos realizados, foram utilizadas variações dos parâmetros de entrada e técnicas de minimização da Norma L1. Os resultados obtidos mostram que a técnica de CS pode ser utilizada como estratégia de compressão da geometria das malhas. / Data compression is an area of a major interest in computational terms due to the issues on storage and transmission. Particularly, mesh compression has wide usage due to the increase of its application in games and three-dimensional modeling. In recent years, a new theory of acquisition and reconstruction of signals was developed, based on the concept of sparsity and in the minimization of the L1 norm and the incoherency of the signal, called Compressive Sensing (CS). This theory has some remarkable features, such as random sampling and reconstruction by minimization, in a way that the signal acquisition is done by considering only its significant coefficients. Any object that can be interpreted as a sparse sign allows its use. Thus, representing an object sparsely (sounds, images), you can apply the technique of CS. This work explores the viability of CS theory on mesh compression, so that it is possible a representative and compressive sensing on the mesh geometry. In the performed experiments, different parameters and L1 Norm minimization strategies were used. The results show that CS can be used as a mesh geometry compression strategy.

Variações ambientais e de processo representam um grande desafio a ser vencido pelas redes de distribuição de relógio. O efeito das variações nos atrasos da rede de distribuição de relógio não pode ser previsto com precisão e portanto não podem ser diretamente considerados no projeto das redes de distribuição de relógio. Estruturas baseadas em clock meshes (i.e. clock mesh, clock spines e crosslinks) são a maneira mais eficiente de proteger a rede de relógio do efeito das variações nos atrasos. Clock meshes tem sido utilizados por bastante tempo no projeto de microprocessadores e recentemente foram incluídos no fluxo de síntese de ASICs. Embora o uso de clock meshes esteja aumentando há uma grande necessidade por métodos de analise e otimização dos mesmos. Essa tese propõe soluções para ambos os problemas. Uma metodologia para permitir a simulação elétrica de clock meshes grandes é proposta. O método proposto permite que a simulação dos clock meshes seja paralelizada com um erro menor que 1%. Duas metodologias de otimização também são propostas nessa tese. A primeira consiste em um algoritmo para dimensionamento para os mesh buffers. Esse algoritmo permite que o clock skew e o consumo de potência sejam reduzidos ao custo de aumentar o clock slew. O segundo método de otimização proposto consiste em um novo projeto para os mesh buffers. O novo mesh buffer é capaz de reduzir o clock skew em 22% e o consumo de potencia em 59%. / Process and environmental variations are a great challenge to clock network designers. Variations effect on the clock network delays can not be predicted, hence it can not be directly accounted in the design stage. Clock mesh-based structures (i.e. clock mesh, clock spines and crosslinks) are the most effective way to tolerate variation effects on delays. Clock meshes have been used for a long time in microprocessor designs and recently became supported by commercial tools in the ASIC design flow. Although clock meshes have been known for some time and its use in ASIC design is increasing, there is a lack of good analysis and optimization strategies for clock meshes. This thesis tackles both problems. Chapter 1 presents a basic introduction to clock distribution and important definitions. A review of existent clock dsitribution design strategies is presented in chapter 2. A study about the clock distribution architecture used in several microprocessor and a comparison between mesh-based and pure tree clock distribution architectures is shown in chapter 3.2. A methodology for enabling and speeding up the simulation of large clock meshes is presented in chapter 4. The proposed analysis methodology was shown to enable the parallel evaluation of large clock meshes with an error smaller than 1%. Chapter 5 presents two optimization strategies, a new mesh buffer design and a mesh buffer sizing algorithm. The new mesh buffer design was proposed improving clock skew by 22% and clock power by 59%. The mesh buffer sizing algorithm can reduce clock skew by 33%, power consumption by 20% with at the cost of a 26% slew increase. At last conclusions are presented on chapter 6.

General relativity, one of the pillars of our understanding of the universe, has been a remarkably successful theory. It has stood the test of time for more than 100 years and has passed all experimental tests so far. Most recently, the LIGO collaboration made the first-ever direct detection of gravitational waves, confirming a long-standing prediction of general relativity. Despite this, several fundamental mathematical questions remain unanswered, many of which relate to the global existence and the stability of solutions to Einstein's equations. This thesis presents our efforts to use numerical relativity to investigate some of these questions. We present a complete picture of the end points of black ring instabilities in five dimensions. Fat rings collapse to Myers-Perry black holes. For intermediate rings, we discover a previously unknown instability that stretches the ring without changing its thickness and causes it to collapse to a Myers-Perry black hole. Most importantly, however, we find that for very thin rings, the Gregory-Laflamme instability dominates and causes the ring to break. This provides the first concrete evidence that in higher dimensions, the weak cosmic censorship conjecture may be violated even in asymptotically flat spacetimes. For Myers-Perry black holes, we investigate instabilities in five and six dimensions. In six dimensions, we demonstrate that both axisymmetric and non-axisymmetric instabilities can cause the black hole to pinch off, and we study the approach to the naked singularity in detail. Another question that has attracted intense interest recently is the instability of anti-de Sitter space. In this thesis, we explore how breaking spherical symmetry in gravitational collapse in anti-de Sitter space affects black hole formation. These findings were made possible by our new open source general relativity code, GRChombo, whose adaptive mesh capabilities allow accurate simulations of phenomena in which new length scales are produced dynamically. In this thesis, we describe GRChombo in detail, and analyse its performance on the latest supercomputers. Furthermore, we outline numerical advances that were necessary for simulating higher dimensional black holes stably and efficiently.

The modern engineering design process includes computer software packages that require approximations to be made when representing geometries. These approximations lead to inherent discrepancies between the design geometry of a part or assembly and the corresponding manufactured geometry. Further approximations are made during the analysis portion of the design process. Manufacturing defects can also occur, which increase the discrepancies between the design and manufactured geometry. These approximations combined with manufacturing defects lead to discrepancies which, for high precision parts, such as jet engine compressor blades, can affect the modal analysis results. In order to account for the manufacturing defects during analysis, mesh morphing is used to morph a structural finite element analysis mesh to match the geometry of compressor blades with simulated manufacturing defects. The mesh morphing process is improved by providing a novel method to convert heteromorphic shape matching within Sculptor to homeomorphic shape matching. This novel method is automated using Java and the NX API. The heteromorphic to homeomorphic conversion method is determined to be valid due to its post-mesh morphing maximum deviations being on the same order as the post-mesh morphing maximum deviations of the ideal homeomorphic case. The usefulness of the automated heteromorphic to homeomorphic conversion method is demonstrated by simulating manufacturing defects on the pressure surface of a compressor blade model, morphing a structural finite element analysis mesh to match the geometry of compressor blades with simulated manufacturing defects, performing a modal analysis, and making observations on the effect of the simulated manufacturing defects on the modal characteristics of the compressor blade.

Dynamic response of materials to high-speed and high-intensity loading conditions is important in several applications including high-speed flows with droplets, bubbles and particles, and hyper-velocity impact and penetration processes. In such high-pressure physics problems, simulations encounter challenges associated with the treatment of material interfaces, particularly when strong nonlinear waves like shock and detonation waves impinge upon them. To simulate such complicated interfacial dynamics problems, a fixed Cartesian grid approach in conjunction with levelset interface tracking is attractive. In this regard, a sharp interface Cartesian grid-based, Ghost Fluid Method (GFM) is developed for resolving embedded fluid, elasto-plastic solid and rigid (solid) objects in hyper-velocity impact and high-intensity shock loaded environment. The embedded boundaries are tracked and represented by virtue of the level set interface tracking technique. The evolving multi-material interface and the flow are coupled by meticulously enforcing the boundary conditions and jump relations at the interface. In addition, a tree-based Local Mesh Refinement scheme is employed to efficiently resolve the desired physics. The framework developed is generic and is applicable to interfaces separating a wide range of materials and for a broad spectrum of speeds of interaction (O(km/s)). The wide repertoire of problems solved in this work demonstrates the flexibility, stability and robustness of the method in accurately capturing the dynamics of the embedded interface. Shocks interacting with large ensembles of particles are also computed.

Direct reading instruments (DRIs) are popular devices for measuring aerosols because they provide rapid on-site measurement of particle size and/or concentration. However, the output of DRIs may drift over time requiring frequent manufacturer calibration. Given the possibility of drift, the output of DRIs should ideally be verified to ensure proper response before and after field use. Methods for verifying the output of DRIs particle size reading are available for use in laboratory and field. However, methods for verifying the DRIs concentration reading are complex and often use of stationary installations that are not suited for field work. The objective of this study was to develop a verification device that can be used in the field to verify the output of DRIs for measuring aerosol concentration. The new device uses a nebulizer that produces aerosols through vibrating mesh technology. This vibrating mesh nebulizer (VMN) uses only electrical input to generate aerosols and does not require compressed air. The verification device was able to produce stable output of aerosols at low concentrations (0.2 mg/m3 to 1.2 mg/m3). It was also possible to produce different concentration levels of aerosol by changing the electrical current to the VMN. The verification device was used to monitor and validate the output of a condensation particle counter and a photometer. Results showed that both instruments having valid output and did not require manufacture calibration. The verification device made it possible to monitor and verify the output of two DRIs. This was achieved by generating reproducible aerosol output with specific composition. This verification device presents a practical method to verify the concentration output of DRIs for measuring aerosols.