Three dimensional laminar natural convection flow of and heat transfer in incompressible air between two inclined parallel plates are analyzed with the Boussinesq approximation by using spectral methods. The plates are assumed to be infinitely long in streamwise and spanwise directions. For these directions, periodic boundary conditions are used and for the normal direction constant wall temperature and no slip boundary conditions are used. Unsteady Navier-Stokes and energy equations are solved using a pseudospectral C code in order to obtain velocity and temperature profiles inside the channel. Fourier series are used to expand the variables in x and z directions, while Chebyshev polynomials are used to expand the variables in y direction. By using the temperature distribution between the plates, local and average Nusselt numbers (Nu) are calculated. Nu values are correlated with &amp / #966 / ,which is the inclination angle, and with Racos&amp / #966 / to compare the results with the literature. Additionally, non-dimensional velocity values and streamlines of the fluid are presented with proper plots.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / A inflação consegue dar conta de uma série de problemas do Modelo padrão da Cosmologia, preservando ainda o sucesso do modelo do Big Bang. Na sua versão mais simples, a inflação é controlada por um campo escalar, o ínflaton, que faz com que o universo se expanda exponencialmente. Após, o ínflaton decai e ocorre o reaquecimento do universo. Contudo, alguns autores apontam a existência de uma fase intermediária, chamada de pré-aquecimento. O decaimento do ínflaton possui uma rica dinâmica não-linear. No primeiro estágio, a ressonância paramétrica promove o crescimento exponencial de alguns modos do ínflaton. Isto altera a dinâmica do modo homogêneo do ínflaton, promovendo uma reestruturação das cartas de ressonâncias da equação de movimento dos modos perturbativos. Desta forma, ocorre a transferência de energia para estes modos, até que o universo termaliza. Esta transferência de energia é típica de um sistema turbulento. Por se tratar de uma evolução não-linear, torna-se conveniente a implementação computacional de métodos numéricos. Neste contexto, os métodos espectrais têm se mostrado uma excelente ferramenta para estudar este tipo de sistema. Esta dissertação apresenta os resultados do esquema numérico desenvolvido para o modelo com potencial quártico, que será a base para os demais estudos a serem desenvolvidos. Como mostrado, este esquema é extremamente preciso e eficiente. / Inflation can resolve a few problems of the Standard Model of Cosmology, while still preserving the successful from Big Bang model. In the simplest version, inflation is driven by a scalar field, the inflaton, which causes the universe to expand exponentially fast. Afterwards, the inflaton decays and reheating of the universe occurs. However, some authors suggest the existence of an intermediate phase, called preheating. The decay of the inflaton has a rich non-linear dynamics. In the first stage, the parametric resonance produces exponential growth in some modes. This changes the homogeneous inflaton dynamics, producing a restructuring the resonance charts of the equation of motion of the perturbative modes. Therefore, there is energy transfer to other modes, until the universe thermalize. This energy transfer is typical of a turbulent system. Since the evolution is non-linear, a implementation computational of numerical methods is convenient. In this context, spectral methods have proven to be an excellent tool for studying this kind of system. This thesis presents the results of the numerical scheme developed for the model with the quartic potential, that will be the basis for other studies to be undertaken. As shown, this scheme has proven to be extremely accurate and efficient.

A força hidrodinâmica em termos dos coeficientes de massa adicional e amortecimento, para obstáculos aproximadamente circulares, finos e submersos sob uma superfície livre aquática, é calculada numericamente usando um método espectral. Primeiramente, é apresentado um modelo matemático para ondas aquáticas de superfície e em seguida, o problema de difração de ondas devido à presença de um obstáculo é descrito. Quando o obstáculo é submerso e fino, o problema pode ser formulado em termos de uma equação integral hipersingular. Usando um mapeamento conforme sobre um disco circular, é mostrado que a solução pode ser obtida através de um método espectral onde a hipersingularidade é avaliada analiticamente em termos de polinômios ortogonais. Os coeficientes da força hidrodinâmica, em função do número de onda, são obtidos para obstáculos quase circulares. A ocorrência de frequências ressoantes ´e observada para submersões suficientemente pequenas e subpicos de ressonância aparecem para valores moderados da submersão, em comparação com o caso do disco circular. / The hydrodynamic force, in terms of the added mass and damping coefficients, for thin and submerged nearly circular obstacles below a water free surface is computed by a spectral method. Firstly, a mathematical model for surface water waves is presented. Next, the diffraction problem of waves due to the presence of an obstacle is described. When the body is thin and submerged, the problem can be formulated in terms of a hypersingular integral equation. Using a conformal mapping over a circular disc, it is shown that the solution can be obtained by means of a spectral method where the hipersingularity is analytically evaluated in terms of orthogonal polynomials. The hydrodynamics coefficients, in function of the wavenumber, are computed and shown for nearly circular obstacles. The occurrence of resonant frequencies is observed for sufficiently small submergences and subpeaks of resonances appear for moderate values of the submergence, in comparison with the case of a circular disc.

Spectral tools in econometrics have lately experienced a renewed surge in interest. This dissertation contributes to this literature by providing conceptually different spectral-based methods and their applications to problems of modern economics. In the first part, we take a spectral decomposition of realized volatility and construct a multivariate GARCH style model that we fit by standard quasi-maximum likelihood and generalized autoregressive score procedures. We build our model on a belief that market agents obtain information in various time horizons and therefore form their expectations in various informational horizons. This behavior creates an overall volatility process that is a mixture of spectrum specific processes. We then apply the model to the currency markets, namely GBP, CHF, and EUR. With the help of the model confidence set test we show that the multi-scale model and the generalized autoregressive score based models produce forecasts that are in most cases superior to the competing models. Moreover, we find that most of the information for future volatility comes from the high frequency part of the spectra representing the very short investment horizons. In the second part, we provide a spectral decomposition of a system multivariate connectedness measure based on Diebold and Yilmaz...

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / A inflação consegue dar conta de uma série de problemas do Modelo padrão da Cosmologia, preservando ainda o sucesso do modelo do Big Bang. Na sua versão mais simples, a inflação é controlada por um campo escalar, o ínflaton, que faz com que o universo se expanda exponencialmente. Após, o ínflaton decai e ocorre o reaquecimento do universo. Contudo, alguns autores apontam a existência de uma fase intermediária, chamada de pré-aquecimento. O decaimento do ínflaton possui uma rica dinâmica não-linear. No primeiro estágio, a ressonância paramétrica promove o crescimento exponencial de alguns modos do ínflaton. Isto altera a dinâmica do modo homogêneo do ínflaton, promovendo uma reestruturação das cartas de ressonâncias da equação de movimento dos modos perturbativos. Desta forma, ocorre a transferência de energia para estes modos, até que o universo termaliza. Esta transferência de energia é típica de um sistema turbulento. Por se tratar de uma evolução não-linear, torna-se conveniente a implementação computacional de métodos numéricos. Neste contexto, os métodos espectrais têm se mostrado uma excelente ferramenta para estudar este tipo de sistema. Esta dissertação apresenta os resultados do esquema numérico desenvolvido para o modelo com potencial quártico, que será a base para os demais estudos a serem desenvolvidos. Como mostrado, este esquema é extremamente preciso e eficiente. / Inflation can resolve a few problems of the Standard Model of Cosmology, while still preserving the successful from Big Bang model. In the simplest version, inflation is driven by a scalar field, the inflaton, which causes the universe to expand exponentially fast. Afterwards, the inflaton decays and reheating of the universe occurs. However, some authors suggest the existence of an intermediate phase, called preheating. The decay of the inflaton has a rich non-linear dynamics. In the first stage, the parametric resonance produces exponential growth in some modes. This changes the homogeneous inflaton dynamics, producing a restructuring the resonance charts of the equation of motion of the perturbative modes. Therefore, there is energy transfer to other modes, until the universe thermalize. This energy transfer is typical of a turbulent system. Since the evolution is non-linear, a implementation computational of numerical methods is convenient. In this context, spectral methods have proven to be an excellent tool for studying this kind of system. This thesis presents the results of the numerical scheme developed for the model with the quartic potential, that will be the basis for other studies to be undertaken. As shown, this scheme has proven to be extremely accurate and efficient.

abstract: High-order methods are known for their accuracy and computational performance when applied to solving partial differential equations and have widespread use in representing images compactly. Nonetheless, high-order methods have difficulty representing functions containing discontinuities or functions having slow spectral decay in the chosen basis. Certain sensing techniques such as MRI and SAR provide data in terms of Fourier coefficients, and thus prescribe a natural high-order basis. The field of compressed sensing has introduced a set of techniques based on $\ell^1$ regularization that promote sparsity and facilitate working with functions having discontinuities. In this dissertation, high-order methods and $\ell^1$ regularization are used to address three problems: reconstructing piecewise smooth functions from sparse and and noisy Fourier data, recovering edge locations in piecewise smooth functions from sparse and noisy Fourier data, and reducing time-stepping constraints when numerically solving certain time-dependent hyperbolic partial differential equations. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Applied Mathematics 2016

A força hidrodinâmica em termos dos coeficientes de massa adicional e amortecimento, para obstáculos aproximadamente circulares, finos e submersos sob uma superfície livre aquática, é calculada numericamente usando um método espectral. Primeiramente, é apresentado um modelo matemático para ondas aquáticas de superfície e em seguida, o problema de difração de ondas devido à presença de um obstáculo é descrito. Quando o obstáculo é submerso e fino, o problema pode ser formulado em termos de uma equação integral hipersingular. Usando um mapeamento conforme sobre um disco circular, é mostrado que a solução pode ser obtida através de um método espectral onde a hipersingularidade é avaliada analiticamente em termos de polinômios ortogonais. Os coeficientes da força hidrodinâmica, em função do número de onda, são obtidos para obstáculos quase circulares. A ocorrência de frequências ressoantes ´e observada para submersões suficientemente pequenas e subpicos de ressonância aparecem para valores moderados da submersão, em comparação com o caso do disco circular. / The hydrodynamic force, in terms of the added mass and damping coefficients, for thin and submerged nearly circular obstacles below a water free surface is computed by a spectral method. Firstly, a mathematical model for surface water waves is presented. Next, the diffraction problem of waves due to the presence of an obstacle is described. When the body is thin and submerged, the problem can be formulated in terms of a hypersingular integral equation. Using a conformal mapping over a circular disc, it is shown that the solution can be obtained by means of a spectral method where the hipersingularity is analytically evaluated in terms of orthogonal polynomials. The hydrodynamics coefficients, in function of the wavenumber, are computed and shown for nearly circular obstacles. The occurrence of resonant frequencies is observed for sufficiently small submergences and subpeaks of resonances appear for moderate values of the submergence, in comparison with the case of a circular disc.

A força hidrodinâmica em termos dos coeficientes de massa adicional e amortecimento, para obstáculos aproximadamente circulares, finos e submersos sob uma superfície livre aquática, é calculada numericamente usando um método espectral. Primeiramente, é apresentado um modelo matemático para ondas aquáticas de superfície e em seguida, o problema de difração de ondas devido à presença de um obstáculo é descrito. Quando o obstáculo é submerso e fino, o problema pode ser formulado em termos de uma equação integral hipersingular. Usando um mapeamento conforme sobre um disco circular, é mostrado que a solução pode ser obtida através de um método espectral onde a hipersingularidade é avaliada analiticamente em termos de polinômios ortogonais. Os coeficientes da força hidrodinâmica, em função do número de onda, são obtidos para obstáculos quase circulares. A ocorrência de frequências ressoantes ´e observada para submersões suficientemente pequenas e subpicos de ressonância aparecem para valores moderados da submersão, em comparação com o caso do disco circular. / The hydrodynamic force, in terms of the added mass and damping coefficients, for thin and submerged nearly circular obstacles below a water free surface is computed by a spectral method. Firstly, a mathematical model for surface water waves is presented. Next, the diffraction problem of waves due to the presence of an obstacle is described. When the body is thin and submerged, the problem can be formulated in terms of a hypersingular integral equation. Using a conformal mapping over a circular disc, it is shown that the solution can be obtained by means of a spectral method where the hipersingularity is analytically evaluated in terms of orthogonal polynomials. The hydrodynamics coefficients, in function of the wavenumber, are computed and shown for nearly circular obstacles. The occurrence of resonant frequencies is observed for sufficiently small submergences and subpeaks of resonances appear for moderate values of the submergence, in comparison with the case of a circular disc.

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A numerical method for solving the buoyancy-driven magneto-convection equations in a rapidly rotating spherical shell is presented. The method is implemented through a FORTRAN 90 program, based on a FORTRAN 66 code written by Hollerbach [International Journal for Numerical Methods in Fluids, 32 (2000)] and partially translated in FORTRAN 90 by Riquier. The program uses the pseudo-spectral method and computes velocity as well as temperature fields in a rapidly rotating spherical shell. The code has been validated through comparisons with previous studies and parallelized using OpenMP. Comparisons with Hollerbach's method have been carried out and showed improvements in stability.