Tese de doutoramento. Ciências de Engenharia. 2005. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto, Institut National Polytechnique de Toulouse

Neste trabalho estudamos um sistema de equações diferenciais parabólicas que modelam um processo de difusão-reação em duas dimensões da mistura molecular e reação química irreverssível de um só passo entre duas espécies químicas A e B para formar um produto P. Apresentamos resultados analíticos e computacionais relacionados à existência e unicidade da solução, assim como estimativas do erro local e global utilizando elementos finitos. Para os resultados analíticos usamos a teoria de semigrupos e o principio do m´aximo, e a simulação numérica é feita usando diferenças finitas centrais e o esquema simplificado de Ruge-Kutta. As estimativas do erro local para o problema semi-discretizado são estabelecidas usando normas de Sobolev, e para estimar o erro global usamos shadowing finito a posteriori. Os resultados computacionais obtidos mostram que o comportamento da solução está dentro do esperado e concorda com resultados da referências. Assim mesmo as estimativas do erro local e global são obtidas para pequenos intervalos de tempo e assumindo suficiente regularidade sobre a velocidade do fluído no qual realiza-se o processo. Destacamos que a estimativa do erro global usando shadowing finito é obtida sob hipóteses a posteriori sobre o operador do problema e o forte controle da velocidade numa vizinhança suficientemente pequena.

Neste trabalho estudamos um sistema de equações diferenciais parabólicas que modelam um processo de difusão-reação em duas dimensões da mistura molecular e reação química irreverssível de um só passo entre duas espécies químicas A e B para formar um produto P. Apresentamos resultados analíticos e computacionais relacionados à existência e unicidade da solução, assim como estimativas do erro local e global utilizando elementos finitos. Para os resultados analíticos usamos a teoria de semigrupos e o principio do m´aximo, e a simulação numérica é feita usando diferenças finitas centrais e o esquema simplificado de Ruge-Kutta. As estimativas do erro local para o problema semi-discretizado são estabelecidas usando normas de Sobolev, e para estimar o erro global usamos shadowing finito a posteriori. Os resultados computacionais obtidos mostram que o comportamento da solução está dentro do esperado e concorda com resultados da referências. Assim mesmo as estimativas do erro local e global são obtidas para pequenos intervalos de tempo e assumindo suficiente regularidade sobre a velocidade do fluído no qual realiza-se o processo. Destacamos que a estimativa do erro global usando shadowing finito é obtida sob hipóteses a posteriori sobre o operador do problema e o forte controle da velocidade numa vizinhança suficientemente pequena.

Neste trabalho estudamos um sistema de equações diferenciais parabólicas que modelam um processo de difusão-reação em duas dimensões da mistura molecular e reação química irreverssível de um só passo entre duas espécies químicas A e B para formar um produto P. Apresentamos resultados analíticos e computacionais relacionados à existência e unicidade da solução, assim como estimativas do erro local e global utilizando elementos finitos. Para os resultados analíticos usamos a teoria de semigrupos e o principio do m´aximo, e a simulação numérica é feita usando diferenças finitas centrais e o esquema simplificado de Ruge-Kutta. As estimativas do erro local para o problema semi-discretizado são estabelecidas usando normas de Sobolev, e para estimar o erro global usamos shadowing finito a posteriori. Os resultados computacionais obtidos mostram que o comportamento da solução está dentro do esperado e concorda com resultados da referências. Assim mesmo as estimativas do erro local e global são obtidas para pequenos intervalos de tempo e assumindo suficiente regularidade sobre a velocidade do fluído no qual realiza-se o processo. Destacamos que a estimativa do erro global usando shadowing finito é obtida sob hipóteses a posteriori sobre o operador do problema e o forte controle da velocidade numa vizinhança suficientemente pequena.

Os problemas de engenharia atualmente têm aumentado a sua ordem de grandeza, por conta de diversos fatores. A modelagem em ambiente computacional dos mesmos esbarra em limitações, como grandes quantidades de tempo de processamento gastos com diversas simulações da modelagem e a pouca quantidade de memória disponível para alocar propriamente os problemas. A resolução de grandes sistemas de equações lineares, comumente abordado nos problemas atuais de engenharia, necessita da exploração das duas situações mencionadas anteriormente. A subárea computacional que permite explorar a redução do tempo e a possibilidade de alocação na memória de tais problemas é chamada de computação de alto desempenho. O objetivo deste trabalho é ilustrar o uso de softwares de resolução de sistemas de equações lineares, chamados de solvers, projetados para os ambientes computacionais de alto desempenho, testando-os e avaliando-os em um conjunto de matrizes conhecido, bem como abordar os detalhes computacionais envolvidos em tais procedimentos. / Engineering problems today have increased their order of magnitude, due to several factors. Modeling these problems with computers brings up certain limitations, as the amount of processing time needed for several simulations and the lack of available memory to properly allocate them. The resolution of large systems of linear equations, commonly discussed in current engineering problems, needs the exploration of the two situations mentioned above. The subarea that allows exploring the computational time reduction and the possibility of allocating memory in such problems is called high performance computing. The aim of this paper is to illustrate the use of software to solve systems of linear equations, called solvers, designed for high performance computing environments, to test and evaluate them for a set of matrices as well as to address the computational details involved in such procedures.

Os problemas de engenharia atualmente têm aumentado a sua ordem de grandeza, por conta de diversos fatores. A modelagem em ambiente computacional dos mesmos esbarra em limitações, como grandes quantidades de tempo de processamento gastos com diversas simulações da modelagem e a pouca quantidade de memória disponível para alocar propriamente os problemas. A resolução de grandes sistemas de equações lineares, comumente abordado nos problemas atuais de engenharia, necessita da exploração das duas situações mencionadas anteriormente. A subárea computacional que permite explorar a redução do tempo e a possibilidade de alocação na memória de tais problemas é chamada de computação de alto desempenho. O objetivo deste trabalho é ilustrar o uso de softwares de resolução de sistemas de equações lineares, chamados de solvers, projetados para os ambientes computacionais de alto desempenho, testando-os e avaliando-os em um conjunto de matrizes conhecido, bem como abordar os detalhes computacionais envolvidos em tais procedimentos. / Engineering problems today have increased their order of magnitude, due to several factors. Modeling these problems with computers brings up certain limitations, as the amount of processing time needed for several simulations and the lack of available memory to properly allocate them. The resolution of large systems of linear equations, commonly discussed in current engineering problems, needs the exploration of the two situations mentioned above. The subarea that allows exploring the computational time reduction and the possibility of allocating memory in such problems is called high performance computing. The aim of this paper is to illustrate the use of software to solve systems of linear equations, called solvers, designed for high performance computing environments, to test and evaluate them for a set of matrices as well as to address the computational details involved in such procedures.

Made available in DSpace on 2014-06-12T15:49:04Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo2722_1.pdf: 2068380 bytes, checksum: fe9165ca8335da65c76dd8ae35976529 (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2011 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Nesta tese estudaremos a dinâmica de vacinação do modelo epidêmico discreto SIR em que são consideradas indivíduos de um universo em três categorias possíveis; suscetível, infectado e recuperado em relação a algum estado prêdefinido. Um aspecto importante do trabalho é o ponto de vista distinto para estudar o modelo epidemiológico SIR, que concorda com os modelos contínuos e é mais prático para aplicar os dados reais. Este trabalho está dividido em duas partes. Na primeira parte, foi desenvolvido um modelo matemático SIR baseado nos dados biológicos discretos. O modelo inclui a estrutura etária da população humana através da dinâmica da matriz de Leslie. Na segunda parte, aplicamos dois tipos de estratégias de vacinação, vacinação constante e vacinação em pulso, e comparamos os resultados obtidos nestas estratégias. Mostramos que, sob um regime previsto a vacinação em pulsos o sistema converge para uma solução estável, com número de indivíduos infecciosos sendo igual a zero. Mostramos também que a vacinação em pulsos implicará na eliminação de epidemias se certas condições a respeito da magnitude da taxa de vacinação e da duração dos pulsos forem observadas. Os resultados teóricos são confirmados por simulações numéricas. A introdução básica de variações sazonais no modelo SIR conduz à dinâmica periódica e caótica da epidemia. É mostrado que, sob a variação sazonal, apesar da complexa dinâmica do sistema, leva a vacinação para a erradicação das epidemias. Deduzimos as condições para a erradicação da epidemia sob diversas restrições e estudamos a eficácia e o custo do vacinação em pulso, também comparamos as políticas de vacinação constantes e mistas

Orientador: Waldemar Donizete Bastos / Banca: Andrea Cristina Prokopczyk Arita / Banca: Juliana Conceição Precioso Pereira / Banca: Carlos Alberto Raposo da Cunha / Banca: Valéria Neves Domingos Cavalcanti / Resumo: Neste trabalho estudamos o problema de controlabilidade exata na fronteira para um sistema de equações de onda acopladas em paralelo, em domínios suave por partes do plano, sob ação de controle do tipo Neuman. Utilizando o método empregado por D. L. Russell em [33] obtemos controlabilidade em tempo suficientemente grande para dados iniciais de energia finita e controle de quadrado integrável. A fim de obter tempo de controle próximo a valores ótimos, procedemos como em [21]: estendemos a solução do problema de Cauchy para tempo complexo e provamos que o operador solução associado ao problema de Cauchy é compacto e depende analiticamente do tempo num setor adequado do plano complexo. Utilizando decaimento local de energia, analiticidade e compacidade do operador solução obtemos o resultado desejado. / Abstract: In this work we study the problem of exact controllability on the boundary for a system of wave equations coupled in parallel, in piecewise smooth domains of the plane, under the action of control of Neuman type. Using the method employed by D. L. Russell in [33] we obtain controllability in time sufficiently large for initial data of finite energy and square integrable control. In order to obtain control time close to optimal values, we proceed as in [21]: we extend the solution of the Cauchy problem to complex time and we prove that the solution operator associated with the Cauchy problem is compact and depends analytically of the time in an appropriate sector of the complex plane. Using local decay of energy, analyticity and compactness of the solution operator we obtain the desired result. / Doutor

Nesta dissertação, apresenta-se um estudo sobre esquemas numéricos de alta precisão para modelagem matemática de camadas de mistura compressíveis em desenvolvimento temporal. O objetivo central é analisar condições de transição em camadas de mistura para diferentes números de Reynolds e Mach. Ap resenta-se, em primeiro lugar, a motivação à utilização de esquemas numéricos de alta precisão que visem obter soluções de problemas de escoamentos que envolvem diversas escalas de tempo e espaço, os parâmetros físicos relevantes para o tipo de escoamento aqui analisado e algumas definições essenciais como camada de mistura e instabilidade de Kelvin-Helmholtz. Descrevem-se, na continuação, as equações que governam os escoamentos viscosos compressíveis, a adimensionalização correspondente dessas equações, o sistema de equações adimensionais e as condições iniciais e de contorno. A Teoria da instabilidade Linear Hidrodinârnica para escoamentos livres incompressíveis e compressíveis é revisada onde, em particular, mostra-se a importância da escolha da taxa de amplificação máxima no tocante aos efeitos de compressibilidade e de viscosidade e constata-se a instabilidade do perfil tangente hiperbólica. São descritos os esquemas de diferenças finitas implícitos compactos de alta que permitem obter melhores resultados que os de ordem inferior com menor custo computacional. São demonstradas aproximações para a primeira e segunda derivadas e formulações para a fronteira da primeira e segunda derivadas, cujos resultados são aproximados aos dos métodos espectrais com a vantagem de usar domínios e condições de fronteira mais gerais. Em seguida, faz-se wna análise dos erros dos esquemas numéricos. Por último, apresentam-se alguns dos resultados obtidos de simulações numéricas comparando-se com toda a teoria física estudada para diversos números de Mach e Reynolds. Em particular, analisa-se a evolução temporal dos vórtices coerentes para diferentes condições de compressibilidade e viscosidade. / In this work a study about high precision numerical schemes for the mathematical modeling of compressible temporal mixing layer is presented. The main objetive is to analise the transition conditions for the mi.xing layer with different Reynolds and Mach numbers. Firstly, the rnotivation of using high precision schemes to solve flows problems that involved different time and length scales is presented, along with the description of the main physical parameters and others definit ions such as mixing layers and Kelvin-Helrnholtz instability. T hen, the governing equations for compressible viscous flows, their adimensionalisation and the corresponding initial and boundary condit ions are established. The linear stability t heory is revised for both incompressible and compressible free shear flows. In parti-cular, it is showed the importance of t he choice of the maximum amplification rate for the compressibility and viscosity conditions adopted and it is verified the instability of the hyperbolic tangent profile. Then the high precision compact finite differences are presented along .vith approximation for the first and second derivatives for the central and boundary region of the computational domain. Finally, some results obtained from numerical simulations vlith differents Reynolds and Mach numbers are presented and the temporal evolution of coherent vortices is analysed.

Consideremos o problema de Cauchy para o sistema acoplado de equações dispersivas e dissipativas do tipo Benjamin-Bona-Mahony. Concentramos nossa atenção no comportamento assintótico das soluções para o caso dispersivo e para o caso dissipativo. / We have considered the Cauchy problem to the coupled system of dispersive and dissipative equations of the Benjamin-Bona-Mahony•s type. vVe have concentrated our attention on the asymptotic behaviour of the solutions. t& the- di.spersive ease- and te the dissipative one.