This thesis focuses on the application of electromagnetic inverse source techniques to characterize antennas using phaseless (amplitude-only) near-field (NF) measurement data. Removing the need to measure phase reduces the overall cost of the measurement apparatus since simple power meters can be used instead of expensive vector network analyzers. It has also been shown in the literature that a phaseless approach can improve the accuracy of the calculated far-field (FF) pattern in the presence of probe positioning errors compared to the amplitude-and-phase approach. A brief discussion on the state-of-the-art methods for characterizing antennas using phaseless near-field measurement data is presented. Two general approaches used most often to perform near-field to far-field (NF-FF) transformations, namely modal expansion and source reconstruction, are explained in detail for scenarios with and without phase information. A phaseless source reconstruction method (SRM) is the primary focus of this work. The SRM is an application of an electromagnetic inverse source technique and therefore, the complexities of solving the associated ill-posed inverse source problem are discussed. The application of the SRM to spherical and planar measurement geometries are presented along with the concerns regarding regularization resulting from discretizing the ill-posed system. A multiplicative regularization (MR) scheme originally developed for inverse scattering is adapted to suit the nonlinear cost functional for the phaseless planar measurement case and the mathematical framework is derived in detail. The resulting MR-SRM is fully automated and incorporates adaptive regularization. The developed algorithms are evaluated using several examples with synthetic phaseless NF data demonstrating the benefits and limitations of the source reconstruction method and the multiplicative regularization scheme. The application of the SRM to antenna diagnostics using phaseless NF data is also shown. Finally, the developed planar algorithms are tested with experimentally collected phaseless measurement data to demonstrate their potential as suitable antenna characterization techniques that can be of interest to the antenna measurement community. / October 2016

Este trabalho apresenta um estudo prospectivo referente ao desenvolvimento de um medidor eletromagnético inteligente de vazão, cuja finalidade é determinar a vazão de escoamento a partir da reconstrução do perfil de velocidade utilizando técnicas tomográficas. Em conseqüência disso, o medidor de vazão será capaz de corrigir a vazão dada, através da integração do perfil de velocidade correto reconstruído por tomografia. A técnica de reconstrução tomográfica utilizada é baseada na construção de um funcional de erro, gerado a partir da diferença entre voltagens simuladas numericamente para uma condição experimental, conhecidos os parâmetros determinantes da velocidade no interior da tubulação, e voltagens aproximadas simuladas numericamente para aproximações destes parâmetros. Neste trabalho, o modelo físico do medidor eletromagnético de vazão é baseado em um número de eletrodos colocados sobre as paredes do tubo sob uma estratégia de excitação específica, sem injeção de corrente, considerando o campo magnético uniforme. A partir da expansão do funcional de erro, sobre um conjunto de funções conhecidas, uma superfície de erro é gerada. As características da patologia desta superfície requerem outros tipos de técnicas de otimização. Técnicas tradicionais de otimização não são viáveis, pois o processo de busca pára no primeiro mínimo local encontrado. Essa convergência para mínimos locais é justificada devido à presença de regiões planas e vales apresentando vários mínimos locais circundando o ponto de mínimo global (ou ponto referente aos parâmetros ótimos da velocidade). Em vista da ocorrência deste fato, técnicas baseadas em algoritmos evolucionários são testadas e apresentadas para uma série de casos demonstrando a praticidade de nossa pesquisa. / This work presents a prospective study on the development of an intelligent electromagnetic flow meter intended to determine output based on the reconstruction of velocity profile using tomographic techniques. As a result, the flow meter will be able to correct the output measure through the integration of the right velocity profile produced by tomography. The tomographic reconstruction technique utilized is based on the definition of an error functional generated from the difference between voltages simulated numerically for a experimental condition, being known the parameters which define the velocity within the pipe and approximate voltages simulated numerically for approaches of these parameters. In this work the physical model of the electromagnetic flow meter is based on a number of electrodes flush mounted on pipe walls and under a specific strategy of excitement, without electrical current input and considering the magnetic field uniform. From the expansion of the error functional over a set of known functions an error surface is generated. The characteristics of the pathology of this surface require other types of optimization techniques. Traditional optimization techniques are not viable since the search stops at the first local minimum. This convergence to local minimums is justified due to the presence of flat regions and valleys presenting several local minimums around the global minimum point (or point relative to the optimum parameters of velocity). Due to this fact techniques based on evolutionary algorithms are tested and presented for a series of cases demonstrating the usefulness of our research.

Os problemas de contato representam uma classe de problemas da mecânica dos sólidos para a qual a não-linearidade é introduzida pela alteração das condições de contorno, as quais só podem ser determinadas no decorrer do processo de resolução. O presente trabalho trata dos problemas de contato abordando aspectos de sua formulação e implementação numérica. Apresentam-se, em particular, as formulações de dois diferentes tipos de elemento de contato revendo-se, mais detalhadamente, o tratamento numérico das restrições decorrentes de contato. Algumas estratégias para resolução computacional desta classe de problemas, consistindo em técnicas de otimização, foram implementadas num programa computacional de elementos finitos e avaliadas comparativamente por meio de exemplos numéricos com diferentes graus de complexidade. / Contact problems represent a class of solid mechanics problems for which the nonlinear behavior is caused by the change of the boundary conditions during the solution process. The present work treats contact problems observing aspects of its formulation and numerical implementation. Specifically, the formulation for two different contact elements is presented, analyzing, in details, the numerical formulation that results from the contact. Some strategies for the computational solution of this class of problems, given by optimization techniques, were implemented in a finite element computational program and were compared and evaluated by numerical examples with different levels of complexity.

Diss. (sammanfattning). Umeå : Sveriges lantbruksuniv. / Härtill 4 uppsatser.

Diss. (sammanfattning) Umeå : Sveriges lantbruksuniv., 2006. / Härtill 4 uppsatser.

Diss. (sammanfattning) Uppsala : Sveriges lantbruksuniv., 2006. / Härtill 4 uppsatser.

L'inertie thermique constitue un atout essentiel pour stocker l'énergie reçue par le bâtiment et la restituer quand cela est nécessaire : elle permet d'emmagasiner les apports gratuits issus du rayonnement solaire pour réduire les consommations énergétiques liées au chauffage en présence d'une isolation performante. En été, son association à la ventilation nocturne contribue à évacuer l'énergie stockée au cours de la journée limitant ainsi les surchauffes à l'intérieur du bâtiment. Une exploitation optimale de l'inertie passe par une sélection appropriée des matériaux de construction lors de la phase d'avant-projet et par le développement de stratégies visant à exploiter leur capacité de stockage. Les outils de simulation thermique dynamique dont on dispose permettent de modéliser de façon assez précise les transferts de chaleur dans l'enveloppe du bâtiment mais leur niveau de finesse n'est pas nécessairement adapté aux besoins des concepteurs au moment de faire les choix les plus fondamentaux. Néanmoins ils demeurent indispensables non seulement pour la validation de ces choix mais aussi pour le développement de méthodes destinées à améliorer l'exploitation de l'énergie avant de procéder à la réalisation d'un projet. Ce travail a consisté à développer une méthodologie de conception basée sur deux approches complémentaires : la première approche permet de décrire le comportement détaillé du bâtiment à l'aide d'un modèle de simulation dynamique performant développé dans la plateforme SimSPARK qu'on a eu l'occasion de comparer aux mesures expérimentales de la plateforme INCAS. La seconde est basée sur le développement de l'outil simplifié CoSPARK qui à partir de la connaissance de quelques éléments clés, permet de déterminer les caractéristiques appropriées de l'enveloppe pour favoriser la performance énergétique des bâtiments. La dernière partie de ce travail a été consacrée à l'optimisation de stratégies d'une part en activant l'inertie thermique dans le cas d'une ventilation nocturne adaptative pour l'été et d'autre part en réduisant les consommations de chauffage en hiver dans le cas d'un plancher couplé à une installation solaire en utilisant le modèle de référence SimSPARK. / Thermal inertia is a key asset to store energy received by the building and release it when needed : in winter, when used with a good insulation, it can store solar heat gains available during the day (collected via different systems) and restitute them during the night thus reducing energy consumption. In summer, building thermal mass coupled with an efficient night ventilation helps remove the energy stored during the day, which limits overheating periods inside the building during the next day. Optimal use of thermal inertia results from an appropriate selection of building materials during the preliminary design phase and the development of strategies to exploit their storage capacity. Actual thermal simulation tools allow for higher accuracy in heat transfer modeling through the building envelope. However, their level of precision is not necessarily adapted to the needs of designers during the design phase when making the first choices. Nevertheless, they remain indispensable not only for the validation of these choices but also to develop methods to improve the management of the energy prior to the completion of a project. This work aimed to develop a design methodology based on two complementary approaches : the first method uses the accurate building response evaluated using a dynamic simulation model developed in SimSPARK simulation platform that we had the opportunity to compare with experimental measurements on the INCAS platform. The second one consists on using the results of a simplified tool (CoSPARK) to determine, with only few design key elements, the appropriate characteristics of the envelope that optimize the energy performance of the building. The last part of this work exposes some strategies that help take full advantage of the thermal mass inertia ; on one hand, for summer comfort, with the use of an adaptive night ventilation control, and, on the other hand, for winter periods, by reducing heating consumption using a radiant floor heating coupled with a solar system.

Este trabalho apresenta um estudo prospectivo referente ao desenvolvimento de um medidor eletromagnético inteligente de vazão, cuja finalidade é determinar a vazão de escoamento a partir da reconstrução do perfil de velocidade utilizando técnicas tomográficas. Em conseqüência disso, o medidor de vazão será capaz de corrigir a vazão dada, através da integração do perfil de velocidade correto reconstruído por tomografia. A técnica de reconstrução tomográfica utilizada é baseada na construção de um funcional de erro, gerado a partir da diferença entre voltagens simuladas numericamente para uma condição experimental, conhecidos os parâmetros determinantes da velocidade no interior da tubulação, e voltagens aproximadas simuladas numericamente para aproximações destes parâmetros. Neste trabalho, o modelo físico do medidor eletromagnético de vazão é baseado em um número de eletrodos colocados sobre as paredes do tubo sob uma estratégia de excitação específica, sem injeção de corrente, considerando o campo magnético uniforme. A partir da expansão do funcional de erro, sobre um conjunto de funções conhecidas, uma superfície de erro é gerada. As características da patologia desta superfície requerem outros tipos de técnicas de otimização. Técnicas tradicionais de otimização não são viáveis, pois o processo de busca pára no primeiro mínimo local encontrado. Essa convergência para mínimos locais é justificada devido à presença de regiões planas e vales apresentando vários mínimos locais circundando o ponto de mínimo global (ou ponto referente aos parâmetros ótimos da velocidade). Em vista da ocorrência deste fato, técnicas baseadas em algoritmos evolucionários são testadas e apresentadas para uma série de casos demonstrando a praticidade de nossa pesquisa. / This work presents a prospective study on the development of an intelligent electromagnetic flow meter intended to determine output based on the reconstruction of velocity profile using tomographic techniques. As a result, the flow meter will be able to correct the output measure through the integration of the right velocity profile produced by tomography. The tomographic reconstruction technique utilized is based on the definition of an error functional generated from the difference between voltages simulated numerically for a experimental condition, being known the parameters which define the velocity within the pipe and approximate voltages simulated numerically for approaches of these parameters. In this work the physical model of the electromagnetic flow meter is based on a number of electrodes flush mounted on pipe walls and under a specific strategy of excitement, without electrical current input and considering the magnetic field uniform. From the expansion of the error functional over a set of known functions an error surface is generated. The characteristics of the pathology of this surface require other types of optimization techniques. Traditional optimization techniques are not viable since the search stops at the first local minimum. This convergence to local minimums is justified due to the presence of flat regions and valleys presenting several local minimums around the global minimum point (or point relative to the optimum parameters of velocity). Due to this fact techniques based on evolutionary algorithms are tested and presented for a series of cases demonstrating the usefulness of our research.

Os problemas de contato representam uma classe de problemas da mecânica dos sólidos para a qual a não-linearidade é introduzida pela alteração das condições de contorno, as quais só podem ser determinadas no decorrer do processo de resolução. O presente trabalho trata dos problemas de contato abordando aspectos de sua formulação e implementação numérica. Apresentam-se, em particular, as formulações de dois diferentes tipos de elemento de contato revendo-se, mais detalhadamente, o tratamento numérico das restrições decorrentes de contato. Algumas estratégias para resolução computacional desta classe de problemas, consistindo em técnicas de otimização, foram implementadas num programa computacional de elementos finitos e avaliadas comparativamente por meio de exemplos numéricos com diferentes graus de complexidade. / Contact problems represent a class of solid mechanics problems for which the nonlinear behavior is caused by the change of the boundary conditions during the solution process. The present work treats contact problems observing aspects of its formulation and numerical implementation. Specifically, the formulation for two different contact elements is presented, analyzing, in details, the numerical formulation that results from the contact. Some strategies for the computational solution of this class of problems, given by optimization techniques, were implemented in a finite element computational program and were compared and evaluated by numerical examples with different levels of complexity.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The distribution system is an extremely important part of the energy supply. At the same time, distribution networks, most of them with radial configuration, are much more vulnerable elements compared with transmission and sub transmission systems. The world experience shows that up to 80% of all interruptions in the energy supply are caused by failure in elements of the distribution systems. Naturally, a significant increase in reliability can be obtained through re-structuring of the distribution networks. This involves transformation of the traditional overhead networks into protected compact networks, duplication of energy supply alternatives for the consumers, duplication of the distribution transformers and wide use of network automation. All these alternatives demand massive investments. Another way of reliability improvement is related with the installation of commutation equipments. However, this solution should foresee a composition choice of types of equipment, the necessary amount and strategic location that all together can guarantee better results under the costbenefit point of view. The importance and efficiency of these solutions are confirmed through a large number of related researches accomplished in several countries. However, optimal installation of commutation equipments is an extremely complex problem. In the first place, it is necessary to define what means optimal degree of reliability, which is linked with the analysis of several possible formulations for the reliability optimization problem. In the second place, it is necessary to find out which characteristics can be used for reliability estimation and in what ways they should be implemented in the objective functions and restrictions along the process of reliability optimization. In the third place, through analysis of the available data existing in the electricity company, it is necessary to define if this information is sufficient for solution of the network optimal sectioning problem and what is the uncertainty level of this information. Finally, it should be chosen appropriate optimization methods, considering that researches show the impossibility of an efficient use of the linear and non linear programming methods taking into account characteristics of objective functions and restrictions. Furthermore, it is necessary not to forget that, most of the time, this problem should be solved in networks that already have commutation equipment installed. Therefore, usually, the optimization problem is addressed to redistribution of equipments already installed or the installation of additional equipments. This work is an attempt to find answers with respect to all these previously mentioned items, taking into account the operational conditions of the Brazilian electricity companies. / O sistema de distribuição é parte extremamente importante do fornecimento de energia. Ao mesmo tempo, as redes de distribuição, na maioria das vezes com configuração radial, são os elementos mais vulneráveis comparado com o sistema de transmissão e sub transmissão. A experiência mundial mostra que até 80% de todas as interrupções no fornecimento de energia são provocados por falhas nos elementos dos sistemas de distribuição. Naturalmente, que um aumento significativo na confiabilidade pode ser atingido através da reestruturação das redes de distribuição. Isto envolve as transformações das redes aéreas tradicionais para redes compactas protegidas, ou a duplicação das alternativas de suprimento de energia para os consumidores, através da instalação de dois transformadores de distribuição ou automatização completa das redes. Todas estas alternativas exigem investimento muito elevado. Outro meio de aumento da confiabilidade está relacionado com a instalação de equipamentos de comutação. Entretanto, esta solução deve prever a escolha da composição ótima de vários tipos de equipamentos, quantidade necessária e localização estratégica, que em conjunto podem garantir maior efeito sob o ponto de vista do custo-benefício. A importância e eficiência destas soluções estão confirmadas através do grande número de pesquisas realizadas em vários países. Entretanto este problema é extremamente complexo. Em primeiro lugar, é necessário definir o que significa nível ótimo de confiabilidade, o que está ligado com a análise das várias formulações possíveis do problema de otimização da confiabilidade. Em segundo lugar, é necessário encontrar quais características podem servir para a estimação da confiabilidade e de que forma elas devem ser implementadas na função objetivo e restrição no processo de otimização da confiabilidade. Em terceiro lugar, através da análise dos dados disponíveis na concessionária é preciso definir se a informação é suficiente para a solução do chaveamento ótimo e qual o nível de incerteza desta informação. E, por último, devem ser escolhidos os métodos adequados de otimização, considerando que as pesquisas mostram a impossibilidade do uso eficiente de métodos de programação linear e não linear, levando em conta as características da função objetivo e restrições do problema em análise. Além disso, é necessário não esquecer que na maioria das vezes este problema deve ser resolvido em redes que já possuem equipamentos de comutação instalados. Por isso, geralmente, o problema de otimização está direcionado para a redistribuição dos equipamentos já instalados ou a instalação de equipamentos adicionais. Neste trabalho é realizada a tentativa de encontrar as respostas em relação a todos os itens mencionados anteriormente, com base nas condições de operação das concessionárias brasileiras.