Tese de mestrado. Fundamentos e Aplicações da Mecânica dos Fluídos. 2006. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto

BORBA, André Duarte. Transporte de partículas com autopropulsão em substratos 2d ordenados. 2015. 49 f. Dissertação (Mestrado em Física) - Programa de Pós-Graduação em Física, Departamento de Física, Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2015. / Submitted by Edvander Pires (edvanderpires@gmail.com) on 2015-04-09T18:58:31Z No. of bitstreams: 1 2015_dis_adborba.pdf: 22709509 bytes, checksum: b11a2f9b1be5d06c74560942dff7858b (MD5) / Approved for entry into archive by Edvander Pires(edvanderpires@gmail.com) on 2015-04-10T20:45:22Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2015_dis_adborba.pdf: 22709509 bytes, checksum: b11a2f9b1be5d06c74560942dff7858b (MD5) / Made available in DSpace on 2015-04-10T20:45:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2015_dis_adborba.pdf: 22709509 bytes, checksum: b11a2f9b1be5d06c74560942dff7858b (MD5) Previous issue date: 2015 / Self-propelled particles are those that use their internal energy to generate movement. The term is originally associated with the model introduced by T. Vicsek et al.[Phys. Rev. Lett. 75, 1226 (1995)] that identifies a dynamic transition associated to the collective movement of "individuals" of the same species. Examples of SPP occur in natural systems such as microorganisms (bacteria, viruses, and protozoa) or artificially as in the case of colloidal particles suitably prepared. The study of SPP is important in many fields such as materials engineering, medicine and basic sciences (physics and chemistry). In general, the collective motion reveals a dramatically different behavior as compared to the characteristics motion of individual components of a given system. That is, the action of a given individual is dominated by the presence of the other components as a result of the interaction between them. Thus, it is important to understand the collective behavior of SPP. In this dissertation, we study a two-dimensional SPP system subject to an external force and in the presence of rigid obstacles with anisotropic geometry (semi-circle) orderly distributed in the form of a square lattice. In addition to the interaction between particles and between particles and obstacles, the individual movement of each SPP is influenced by a white noise. The objective is to characterize the transport of SPP in a 2D substrate in the absenceand in the presence of a driving external force. We present a systematic study of the collective motion of the SPP as a function of noise intensity, which defines the erratic movement of the SPP, the size of the obstacles, the SPP density and separation between the obstacles. Due to the presence of anisotropic obstacles, there is a spontaneous collective movement and ordered in a given preferential direction, characterized by the non-zero average velocity of SPP in the absence of the external force. The basic conditions for the spontaneous ordered collective movement are: low-intensity noise ( << 1 ) and SPP density greater than a given critical value. / Partículas com autopropulsão, ou do inglês Self Propelled Particles (SPP), são aquelas que utilizam sua energia interna para gerar movimento. O termo está originalmente associado ao modelo introduzido por T. Vicsek et al. [Phys. Rev. Lett.75, 1226 (1995)] que identifica uma transição dinâmica associada ao movimento coletivo de "indivíduos" de uma mesma espécie. Exemplos de SPP ocorrem em sistemas naturais, como microorganismos (bactérias, vírus e protozoários), ou, artificialmente, como no caso de partículas coloidais adequadamente preparadas. O estudo de SPP é importante em diversas áreas do conhecimento tais como engenharia de materiais, medicina e ciências básicas (física e química). Em geral, o movimento coletivo revela características drasticamente distintas do movimento individual dos constituintes de um dado sistema. Ou seja, a ação de um dado indivíduo é dominada pela presença de outros constituintes do sistema como resultado da interação entre eles. Desta forma, é importante o entendimento do comportamento coletivo das SPP. Em particular nesta dissertação, estudamos um sistema bidimensional de SPP sujeitas a uma força externa e na presença de obstáculos rígidos com geometria anisotrópica (semi-círculos) distribuídos ordenadamente na forma de uma rede quadrada. Além da interação entre partículas e entre partículas e obstáculos, o movimento individual de cada SPP sofre influência de um ruído branco. O objetivo é caracterizar o transporte de SPP através do substrato 2D, na ausência ou não de uma força externa propulsora. Apresentamos um estudo sistemático do movimento coletivo das SPP em função da intensidade do ruído, que define o movimento errático das SPP, do tamanho dos obstáculos, da densidade de SPP e da separação entre os obstáculos. Devido a presença de obstáculos anisotrópicos, existe um movimento coletivo espontâneo e ordenado em uma dada direção preferencial, caracterizado por velocidade média das SPP não-nula na ausência de força externa. As condições básicas para o movimento coletivo ordenado espontâneo são: ruído de baixa intensidade (<<1) e densidade de SPP maior que um dado valor crítico.

Os estudos sobre o plasma na região da borda de máquinas tokamak têm se intensificado nos últimos anos em decorrência da constatação de que o comportamento do plasma na região central da máquina é bastante influenciado por processos que ocorrem na borda da coluna. Neste trabalho feito um estudo experimental das propriedades de transporte do plasma na região da sombra do limitador do TBR-l, um tokamak de pequeno porte em operação no Instituto de Física da Universidade de São Paulo. São também determinados os tempos de confinamento globais de partículas e energia. Três foram os diagnósticos usados neste trabalho. Inicialmente, é abordada a utilização de sondas de Langmuir para a obtenção de perfis radiais e temporais da temperatura de elétrons, densidade e potencial de plasma; descreve-se também o arranjo experimental usado para este diagnóstico. A seguir, discute-se o projeto e a construção de uma sonda sensível a íons associada a um sistema eletrônico que permitiu a determinação simultânea das temperaturas locais de íons e elétrons. Finalmente, é discutido o dimensionamento e a implantação de um interferômetro de microondas para medidas de densidade de elétrons na região central da coluna de plasma do TBR-1; o sistema opera em 65 GHz e toda a eletrônica associada foi projetada e construída em nosso Laboratório. Os resultados obtidos com as sondas foram analisados com o ajuda de um modelo não colisional de transporte de partículas e energia para a região da sombra do limitador de máquinas tokamak. A partir dos decaimentos radiais da termperatura de elétrons (\'lâmbda IND. e\' \'APROXIMADAMENTE IGUAL A\' 2,6cm) e da densidade (\'lâmbda IND. n\' \'APROXIMADAMENTE IGUAL A\' 1,4cm), bem como do fator de transmissão de energia para os elétrons (\'delta IND. e\' \'APROXIMADAMENTE IGUAL A\' 4), determinou-se o coeficiente de difusão perpendicular ao campo magnético (\'D IND. 1\' \'APROXIMADAMENTE IGUAL A\' 6 \'m POT. 2\'\'s POT. -1\') e a difusividade térmica dos elétrons (\'qui POT. e IND. 1\' \'APROXIMADAMENTE IGUAL A\' 8 \'m POT. 2\'\'s POT. -1\'), resultados que indicam valores próximos aos previstos pelo modelo de Bohm. As medidas das temperaturas de íons e elétrons mostram um claro desacoplamento térmico entre íons e elétrons (\'T IND. i\'/\'T IND. e\' \'APROXIMADAMENTE IGUAL A\' 2). As medidas de densidade obtidas no centro da coluna, em conjunto com as obtidas na borda, permitiram a determinação dos tempos de confinamento globais de partículas (\'tau IND. p\'\'APROXIMADAMENTE IGUAL A\' 1,8 x \'10 POT. -3\'s) e de energia (\'tau IND. E\'\'APROXIMADAMENTE IGUAL A\' 1,2 x \'10 POT. -4\'s). Os resultados foram comparados com os previstos por várias leis de escala. / The study of the plasma edge in Tokamak machines has increased in recent last years, since the recognition that the behavior of the plasma core is influenced by the Physical processes that occur in the edge region. This work develops an experimental stud) of plasma transport properties in the shadow region of TBR-l limiter. TBR-l is a small Tokamak in operation in the Physics Institute of São Paulo University. We have also determined the global confinement time of particles and energy. We have used three diagnostics: a Langmuir probe, an ion sensitive probe, and a microwave interferometer. Initially we discuss the use of Langmuir probes in Tokamak machines to obtain temporal and radial profiles of electron temperature, plasma density and potential; we show also the experimental arrangement used in the TBR-l for this diagnostic. Then, we discuss the design and construction of an ion sensitive probe associated with an electronic system, that was used to obtain, simultaneously, local ion and electron temperature. Finally we discuss a microwave interferometry system that has been built for the TBR-1. The microwave generator is a reflex Klystron (f = 65 GHz), and with the interferometer we obtained electron density time profiles of the center of TBR-l plasma column. All the electronics associated with the interferometer were designed and built in our laboratory. The results obtained with the probes are discussed with the help of a collisionless model for Tokamak scrape-off plasma. With the radial e-foldings of electron temperature (e 2.6 cm) and density (n 1.4 cm), and the sheath electron transmission coefficient (e 4) we have determined the cross-field diffusion coefficient (D1 6 m2s-1) and the electron cross-field thermal diffusivity (e1 8 m2s-1). These results indicate values near those predicted by the Bohm model. The measurements of electron and ion temperature shows a clear thermal decoupling between ions and electrons (T1/Te 2). The measurements of plasma parameters in the center of the plasma column, with that obtained with the probes permitted the determination of the particle (p 1.8 x 10-3s) and energy (e 1.2 x10-4s) global confinement times. These results were compared with those predicted by scaling laws.

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Mestre em Fundamentos e Aplicações da Mecânica dos Fluídos, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Professor Doutor João Bernardo Lares Moreira de Campos

Neste trabalho apresenta-se uma nova maneira de calcular a espessura de blindagem de uma placa plana homogênea pela combinação dos métodos L TSN e Decomposição. No método da Decomposição o termo não-linear é aproximado pelos polinômios A 11 e A11 • É também empregada a formulação L TSN para resolver problemas de grandes espessuras. Simulações numéricas para a espessura de blindagem são apresentadas usando as formulações L TS2 e L TS4 considerando, respectivamente, cinco e dois termos da solução em série do método da Decomposição. / In this work is proposed a new approach to evaluate the shielding thickness of a homogeneous slab by combination the L TSN and Decomposition methods. In the Decomposition method, the non-linear term is approximated by the A11 and Ã11 polynomials. It is also used the L TSN formulation to solve large thickness problems. Numerical simulations for the shielding thickness are reported employing the L TS2 and L TS4 formulations and considering, respectively, five and two tenns of the series solution from the Decomposition method.

CISNE JÚNIOR, Roberto Lima da Costa. Transporte de partículas em canais catraca. 2009. 66 f. Dissertação (Mestrado em Física) - Programa de Pós-Graduação em Física, Departamento de Física, Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2009. / Submitted by Edvander Pires (edvanderpires@gmail.com) on 2015-06-16T21:32:32Z No. of bitstreams: 1 2009_dis_rlccisnejunior.pdf: 1393454 bytes, checksum: 62607b402f92579c7e8e6941eb686ea3 (MD5) / Approved for entry into archive by Edvander Pires(edvanderpires@gmail.com) on 2015-06-18T18:19:21Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2009_dis_rlccisnejunior.pdf: 1393454 bytes, checksum: 62607b402f92579c7e8e6941eb686ea3 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-06-18T18:19:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2009_dis_rlccisnejunior.pdf: 1393454 bytes, checksum: 62607b402f92579c7e8e6941eb686ea3 (MD5) Previous issue date: 2009 / In this work we study the transport process of fluid flow and mass through channels that are characterized by periodic structures, namely ratchet channels. In the first part of this work, we approach a brief discussion on the characteristics of the flow in smooth channels, since they have simple analytical solution, and may help us understand the fluid flow through more complex channels. Then we study the fluid flow in ratchet channels, and we compare the results obtained for the fluid flow through smooth and ratchet channels, observing some similarities and differences between both of them. We show that the nature of the geometry of the ratchet channel adds a degree of complexity to the problem of the fluid flow, that affects the properties of the velocity and pressure fields. Moreover, we inquire into another aspect of the transport process, namely the transport of massive particle dragged by a fluid that flows in the interior of the ratchet channels previously mentioned. We show some results that indicate a certain typical similatiry between ratchet and smooth channels. However, the ratchet channels possess a structure that allows the break of symmetry in relation of the two only allowed directions of flow. In this way, the nature of the particle transport process can be affected by this break of simmetry. The aim of this work is to analyze the dynamics of particle transport into a ratched channel and determine which mechanisms play a fundamental role in this process. / Neste trabalho trataremos do transporte de fluido e partículas no interior de canais caracterizados por estruturas periódicas que lembram dentes de catraca, desta forma chamamos de canais catraca. Para tal tarefa iniciaremos com uma breve discussão sobre as características do escoamento em canais lisos, visto que os mesmos possuem solução analítica simples, e poderão nos ajudar a compreender o escoamento em canais mais complexos. Em seguida faremos o estudo do escoamento em canais catraca, e faremos a comparação entre os resultados obtidos para o escoamento em canais lisos e em canais catraca, mostrando algumas semelhanças e diferenças. Mostramos que a natureza da geometria do canal catraca adiciona um grau de complexidade ao problema do escoamento, refletindo-se nas propriedades dos campos de velocidade e pressão. Em seguida, faremos o estudo do comportamento do transporte de partículas com massa arrastadas por um fluido escoando no interior dos canais catraca, mostrando alguns resultados que indicam uma certa característica típica de canais lisos. Porém, devido os canais catracas possuírem uma estrutura que permite a quebra de simetria em relação aos dois únicos sentidos de fluxo permitidos, poderão aparecer mudanças no comportamento tanto do transporte de fluido como do transporte de partículas. Como ponto principal deste trabalho, analisaremos como surgem estas diferenças e quais os mecanismos desempenham papel fundamental para que isto aconteça.

Neste trabalho apresenta-se uma nova maneira de calcular a espessura de blindagem de uma placa plana homogênea pela combinação dos métodos L TSN e Decomposição. No método da Decomposição o termo não-linear é aproximado pelos polinômios A 11 e A11 • É também empregada a formulação L TSN para resolver problemas de grandes espessuras. Simulações numéricas para a espessura de blindagem são apresentadas usando as formulações L TS2 e L TS4 considerando, respectivamente, cinco e dois termos da solução em série do método da Decomposição. / In this work is proposed a new approach to evaluate the shielding thickness of a homogeneous slab by combination the L TSN and Decomposition methods. In the Decomposition method, the non-linear term is approximated by the A11 and Ã11 polynomials. It is also used the L TSN formulation to solve large thickness problems. Numerical simulations for the shielding thickness are reported employing the L TS2 and L TS4 formulations and considering, respectively, five and two tenns of the series solution from the Decomposition method.

Neste trabalho apresenta-se uma nova maneira de calcular a espessura de blindagem de uma placa plana homogênea pela combinação dos métodos L TSN e Decomposição. No método da Decomposição o termo não-linear é aproximado pelos polinômios A 11 e A11 • É também empregada a formulação L TSN para resolver problemas de grandes espessuras. Simulações numéricas para a espessura de blindagem são apresentadas usando as formulações L TS2 e L TS4 considerando, respectivamente, cinco e dois termos da solução em série do método da Decomposição. / In this work is proposed a new approach to evaluate the shielding thickness of a homogeneous slab by combination the L TSN and Decomposition methods. In the Decomposition method, the non-linear term is approximated by the A11 and Ã11 polynomials. It is also used the L TSN formulation to solve large thickness problems. Numerical simulations for the shielding thickness are reported employing the L TS2 and L TS4 formulations and considering, respectively, five and two tenns of the series solution from the Decomposition method.

Os estudos sobre o plasma na região da borda de máquinas tokamak têm se intensificado nos últimos anos em decorrência da constatação de que o comportamento do plasma na região central da máquina é bastante influenciado por processos que ocorrem na borda da coluna. Neste trabalho feito um estudo experimental das propriedades de transporte do plasma na região da sombra do limitador do TBR-l, um tokamak de pequeno porte em operação no Instituto de Física da Universidade de São Paulo. São também determinados os tempos de confinamento globais de partículas e energia. Três foram os diagnósticos usados neste trabalho. Inicialmente, é abordada a utilização de sondas de Langmuir para a obtenção de perfis radiais e temporais da temperatura de elétrons, densidade e potencial de plasma; descreve-se também o arranjo experimental usado para este diagnóstico. A seguir, discute-se o projeto e a construção de uma sonda sensível a íons associada a um sistema eletrônico que permitiu a determinação simultânea das temperaturas locais de íons e elétrons. Finalmente, é discutido o dimensionamento e a implantação de um interferômetro de microondas para medidas de densidade de elétrons na região central da coluna de plasma do TBR-1; o sistema opera em 65 GHz e toda a eletrônica associada foi projetada e construída em nosso Laboratório. Os resultados obtidos com as sondas foram analisados com o ajuda de um modelo não colisional de transporte de partículas e energia para a região da sombra do limitador de máquinas tokamak. A partir dos decaimentos radiais da termperatura de elétrons (\'lâmbda IND. e\' \'APROXIMADAMENTE IGUAL A\' 2,6cm) e da densidade (\'lâmbda IND. n\' \'APROXIMADAMENTE IGUAL A\' 1,4cm), bem como do fator de transmissão de energia para os elétrons (\'delta IND. e\' \'APROXIMADAMENTE IGUAL A\' 4), determinou-se o coeficiente de difusão perpendicular ao campo magnético (\'D IND. 1\' \'APROXIMADAMENTE IGUAL A\' 6 \'m POT. 2\'\'s POT. -1\') e a difusividade térmica dos elétrons (\'qui POT. e IND. 1\' \'APROXIMADAMENTE IGUAL A\' 8 \'m POT. 2\'\'s POT. -1\'), resultados que indicam valores próximos aos previstos pelo modelo de Bohm. As medidas das temperaturas de íons e elétrons mostram um claro desacoplamento térmico entre íons e elétrons (\'T IND. i\'/\'T IND. e\' \'APROXIMADAMENTE IGUAL A\' 2). As medidas de densidade obtidas no centro da coluna, em conjunto com as obtidas na borda, permitiram a determinação dos tempos de confinamento globais de partículas (\'tau IND. p\'\'APROXIMADAMENTE IGUAL A\' 1,8 x \'10 POT. -3\'s) e de energia (\'tau IND. E\'\'APROXIMADAMENTE IGUAL A\' 1,2 x \'10 POT. -4\'s). Os resultados foram comparados com os previstos por várias leis de escala. / The study of the plasma edge in Tokamak machines has increased in recent last years, since the recognition that the behavior of the plasma core is influenced by the Physical processes that occur in the edge region. This work develops an experimental stud) of plasma transport properties in the shadow region of TBR-l limiter. TBR-l is a small Tokamak in operation in the Physics Institute of São Paulo University. We have also determined the global confinement time of particles and energy. We have used three diagnostics: a Langmuir probe, an ion sensitive probe, and a microwave interferometer. Initially we discuss the use of Langmuir probes in Tokamak machines to obtain temporal and radial profiles of electron temperature, plasma density and potential; we show also the experimental arrangement used in the TBR-l for this diagnostic. Then, we discuss the design and construction of an ion sensitive probe associated with an electronic system, that was used to obtain, simultaneously, local ion and electron temperature. Finally we discuss a microwave interferometry system that has been built for the TBR-1. The microwave generator is a reflex Klystron (f = 65 GHz), and with the interferometer we obtained electron density time profiles of the center of TBR-l plasma column. All the electronics associated with the interferometer were designed and built in our laboratory. The results obtained with the probes are discussed with the help of a collisionless model for Tokamak scrape-off plasma. With the radial e-foldings of electron temperature (e 2.6 cm) and density (n 1.4 cm), and the sheath electron transmission coefficient (e 4) we have determined the cross-field diffusion coefficient (D1 6 m2s-1) and the electron cross-field thermal diffusivity (e1 8 m2s-1). These results indicate values near those predicted by the Bohm model. The measurements of electron and ion temperature shows a clear thermal decoupling between ions and electrons (T1/Te 2). The measurements of plasma parameters in the center of the plasma column, with that obtained with the probes permitted the determination of the particle (p 1.8 x 10-3s) and energy (e 1.2 x10-4s) global confinement times. These results were compared with those predicted by scaling laws.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O esquema iterativo de fonte de espalhamento (SI) é tradicionalmente aplicado para a convergência da solução numérica de malha fina para problemas de transporte de nêutrons monoenergéticos na formulação de ordenadas discretas com fonte fixa. O esquema SI é muito simples de se implementar sob o ponto de vista computacional; porém, o esquema SI pode apresentar taxa de convergência muito lenta, principalmente para meios difusivos (baixa absorção) com vários livres caminhos médios de extensão. Nesta dissertação descrevemos uma técnica de aceleração baseada na melhoria da estimativa inicial para a distribuição da fonte de espalhamento no interior do domínio de solução. Em outras palavras, usamos como estimativa inicial para o fluxo escalar médio na grade de discretização de malha fina, presentes nos termos da fonte de espalhamento das equações discretizadas SN usadas nas varreduras de transporte, a solução numérica da equação da difusão de nêutrons em grade espacial de malha grossa com condições de contorno especiais, que aproximam as condições de contorno prescritas que são clássicas em cálculos SN, incluindo condições de contorno do tipo vácuo. Para aplicarmos esta solução gerada pela equação da difusão em grade de discretização de malha grossa nas equações discretizadas SN de transporte na grade de discretização de malha fina, primeiro implementamos uma reconstrução espacial dentro de cada nodo de discretização, e então determinamos o fluxo escalar médio em grade de discretização de malha fina para usá-lo nos termos da fonte de espalhamento. Consideramos um número de experimentos numéricos para ilustrar a eficiência oferecida pela presente técnica (DSA) de aceleração sintética de difusão. / The scattering source iterative (SI) scheme is traditionally applied to converge finemesh numerical solutions to fixed-source discrete ordinates neutron transport problems. The SI scheme is very simple to implement under a computational viewpoint. However, the SI scheme may show very slow convergence rate, mainly for diffusive media (low absorption) with several mean free paths in extent. In this work we describe an acceleration technique based on an improved initial guess for the scattering source distribution within the slab. In other words, we use as initial guess for the fine-mesh average scalar flux in the scattering source terms of the SN discretized equations used in the transport sweeps, the coarse-mesh solution of the neutron diffusion equation with special boundary conditions to account for the classical SN prescribed boundary conditions, including vacuum boundary conditions. To apply this coarse-mesh diffusion solution into the fine-mesh SN transport sweep discretized equations, we first perform within-node spatial reconstruction, and then we determine the fine-mesh average scalar flux for use in the scattering source terms. We consider a number of numerical experiments to illustrate the efficiency of the offered diffusion synthetic acceleration (DSA) technique.