Este trabalho apresenta um estudo experimental acerca da influência da razão de espaçamento e da intensidade de turbulência no escoamento biestável. É estudado o escoamento sobre dois cilindros dispostos lado a lado, para o canal aerodinâmico com intensidade de turbulência inferior a 1%, para o canal aerodinâmico com grade promotora de turbulência com intensidade de turbulência de 8 a 7%, e para uma seção do canal aerodinâmico sem paredes laterais. A técnica experimental aplicada consiste na medição das flutuações de velocidade no canal aerodinâmico utilizando a técnica da anemometria de fio quente. As medições são realizadas com duas sondas, uma fixa e outra móvel que foi posicionada em seis pontos diferentes do escoamento. Os dados medidos são tratados através de ferramentas estatísticas, análise espectral e transformadas de ondaletas. Os resultados confirmam a existência do fenômeno da biestabilidade e mostram como o fenômeno sofre alterações quando exposto às condições de maior intensidade de turbulência e redução da razão de bloqueio pela retirada das paredes laterais em uma seção do canal. Para a condição de maior intensidade de turbulência, os resultados mostram que as trocas de modo se intensificam, e em alguns dos pontos de medição os sinais referentes à sonda móvel não apresentam características de biestabilidade. Para o caso sem paredes laterais, os sinais apresentam características de biestabilidade até o momento em que as paredes são removidas. / This work presents an experimental study, about the influence of the pitch to diameter ratio and the turbulence intensity on a bistable flow. The flow through two cylinders side-by-side is studied in an aerodynamic channel with turbulence intensity lower than 1%, in an aerodynamic channel with a turbulence grid, that increased the turbulence intensity to about 8 to 7%, and a section of the aerodynamic channel without lateral walls. The experimental technique consists in the measurements of the fluctuating velocities in the aerodynamic channel, using hot wire anemometry. The measurements are performed with two probes, one static, and one movable, positioned in six different points of the flow. The acquired data are analysed through statistical, spectral and wavelet tools. The results confirmed the occurrence of the bistable phenomenon and shows how it behaves when exposed to different conditions of turbulence intensity, and reduction of the blockage ratio aspect due to removal of the lateral walls of a channel section. The results for the higher turbulence intensity condition shows that the switches are intensified, some data resulting of the measurements of the second probe, do not show bistable characteristics. In the no-walls section case, the signals showed bistable features, until the moment the walls were removed.

SABÓIA, Karlo David Alves. Estudo do desempenho de filtros acústicos-ópticos sintonizáveis como componentes biestáveis e sua utilização na criptografia em redes ópticas. 2009. 138 f. Tese (Doutorado 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 2015-10-15T17:52:52Z No. of bitstreams: 1 2009_tese_kdasaboia.pdf: 1920593 bytes, checksum: 4fd70f8b99a1d192f94bef6debcb1a7a (MD5) / Approved for entry into archive by Edvander Pires(edvanderpires@gmail.com) on 2015-10-21T20:34:18Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2009_tese_kdasaboia.pdf: 1920593 bytes, checksum: 4fd70f8b99a1d192f94bef6debcb1a7a (MD5) / Made available in DSpace on 2015-10-21T20:34:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2009_tese_kdasaboia.pdf: 1920593 bytes, checksum: 4fd70f8b99a1d192f94bef6debcb1a7a (MD5) Previous issue date: 2009 / The performance of acoustic-optic tunable filters (AOTF) as a bistable component, applied to cryptography in optical networks, has been studied with analytical and numerical methods. Initial investigations of such filters highlighted their main transmissions, and analyzed their behavior by nonlinear effects with formation of optical bistability when a feedback was introduced in the system. Subsequently, it was proposed the use of an AOTF device, together with simultaneous modulation of ultrashort pulses by position (PPM) and amplitude (PAM), for generation of a cryptographic system for application in optical networks. Numerical simulations were performed using the Runge-Kutta fourth order method. The results for the study of bistability showed the dependence of the hysteresis curve with respect to the product of coupling constant by the length of the device and the conversion power-coupling constant factor (G). It was shown that the range of bistability varies significantly with both G and the product of coupling constant by the length of the device. The variation of the product of coupling constant by the length of the device directly increases the size of the bistability range while the increase in G causes the bistability occurrence for initial powers to decrease. The results obtained in the study of the AOTF as a cryptographer showed that it is possible to define a pair of parameters, called PPM/PAM pair, directly related to the modulations used in the process, which will serve as key to communications between two users in an optical network. The device would be used to encode and decode data. / O Estudo do Desempenho de Filtros Acústico-Ópticos Sintonizáveis (AOTF) como Componentes Biestáveis e sua Utilização na Criptografia em Redes Ópticas apresenta, primeiramente, um estudo analítico e numérico de tais filtros destacando suas principais propriedades de transmissão e analisando seu comportamento devido aos efeitos não-lineares e o surgimento da biestabilidade óptica quando um sistema de feedback é introduzido. Em seguida, propõe o uso do AOTF, somado à modulação de pulsos ultracurtos por posição (PPM) e por amplitude (PAM), simultaneamente, para gerar um sistema criptográfico a ser utilizado em redes ópticas. As simulações numéricas foram realizadas utilizando-se o método de Runge-Kutta de Quarta Ordem. Os resultados obtidos para o estudo da biestabilidade mostraram a dependência da curva de histerese com relação ao produto da constante de acoplamento pelo comprimento do dispositivo e ao fator de conversão potência-constante de propagação (G). Mostrou-se que o intervalo da biestabilidade varia significativamente tanto com G como com produto da constante de acoplamento pelo comprimento do dispositivo, mas suas contribuições são diferentes. A variação do produto da constante de acoplamento pelo comprimento do dispositivo aumenta o tamanho do intervalo da biestabilidade, enquanto que o aumento de G faz com que a biestabilidade ocorra para potências iniciais cada vez menores. Os resultados obtidos no estudo do AOTF como criptógrafo mostraram que é possível definir um par de parâmetros, chamado par PPM/PAM, diretamente relacionado com as modulações usadas no processo, que servirá como elemento fundamental para a comunicações entre dois usuários em uma rede óptica usando um AOTF para codificar a mensagem e outro para decodificar.

Este trabalho apresenta um estudo acerca dos principais parâmetros que caracterizam o fenômeno da biestabilidade em dois tubos dispostos lado a lado submetidos a escoamento cruzado turbulento. A técnica experimental da anemometria de fio quente em canal aerodinâmico é aplicada na medição das flutuações de velocidade do escoamento após os tubos. As séries temporais obtidas são utilizadas como dados de entrada para determinação das funções densidade de probabilidade (PDF) usando um modelo de mistura finita, de acordo com uma função t de Student assimétrica e com o auxílio do método de Monte Carlo. Transformadas de ondaletas discretas e contínuas são aplicadas na filtragem das séries temporais para determinadas bandas de frequências e na análise do conteúdo de energia destes sinais. Através de conceitos de sistemas caóticos, é realizada a reconstrução do atrator do problema pelo método dos atrasos temporais, a partir das séries experimentais de velocidade, permitindo a determinação da dimensão de imersão e o cálculo do maior expoente de Lyapunov. Os resultados mostram a existência de dois patamares distintos de velocidade média nas séries temporais, correspondentes aos dois modos do escoamento, cada qual com números de Strouhal e funções densidade de probabilidade distintas. Uma análise conjunta das componentes axial e transversal do escoamento e suas PDF indicam as regiões no plano de medições onde o fenômeno se manifesta, sendo que reconstruções da trajetória filtrada das séries temporais para determinadas bandas de frequências apresentam características caóticodeterminísticas. O maior expoente de Lyapunov das séries experimentais é positivo, o que é um indício de comportamento caótico. / This work presents a study of the main parameters that characterize the phenomenon of bistability in two tubes placed side by side submitted to turbulent crossflow. The experimental technique of hot wire anemometry in aerodynamic channel is applied in the measurement of velocity fluctuations of the flow after the tubes. The time series obtained are used as input data for determining the probability density functions (PDF) using a finite mixture model, according to an asymmetric Student t function and with the aid of a Monte Carlo method. Wavelet transforms are applied in discrete and continuous filtering of time series for certain frequency bands and in the analysis of the energy content of these signals. By means of chaotic systems concepts, the attractor reconstruction of the problem is performed using the method of time delays from the experimental series of velocity, allowing the determination of the embedding dimension and calculating the largest Lyapunov exponent. The results show the existence of two different levels of mean velocity in time series, corresponding to two flow modes, each one with different Strouhal numbers and probability density functions. A joint analysis of axial and transverse components of flow and its PDF indicate the regions in the measurement plan where the phenomenon is manifested, and reconstructions of the trajectory of the filtered time series for certain frequency bands have chaotic-deterministic characteristics. The largest Lyapunov exponent of experimental series is positive, which is an indication of chaotic behavior.

Este trabalho apresenta um estudo experimental do efeito da razão de bloqueio em um canal aerodinâmico no Número de Strouhal e o fenômeno da biestabilidade. É estudado o escoamento turbulento sobre um cilindro e também sobre dois cilindros dispostos lado a lado, onde fez-se uso de cilindros de vários diâmetros a fim de variar a razão de bloqueio no canal. Dois tipos de espaçamento entre os tubos são estudados. A técnica experimental consiste na medição de flutuações de velocidades em um canal aerodinâmico utilizando a técnica de anemometria de fio quente. Os dados obtidos da medição no canal aerodinâmico são tratados com o uso de ferramentas estatísticas, espectrais e de ondaletas. Para um cilindro, os resultados confirmam o aumento do número de Strouhal com o aumento da razão de bloqueio, na faixa do número de Reynolds utilizada. Razões de bloqueio mais baixas podem acarretar diminuição do número de Strouhal, também em função do número de Reynolds. Os resultados confirmam a existência do fenômeno da biestabilidade no escoamento sobre dois cilindros dispostos lado a lado, assim como a influência da razão de bloqueio sobre o fenômeno, sendo mais predominante em um dos espaçamentos estudados. Para razões de bloqueio altas, o fenômeno da biestabilidade pode não ocorrer ou pouco ocorre. Para razões de bloqueio mais baixas podemos ter também a não ocorrência do fenômeno em função das dimensões dos tubos serem mais reduzidas, fazendo com que a captação do fenômeno também seja reduzida. / This paper presents an experimental study of the effect of blockage ratio in a aerodynamic channel on Strouhal number and the bistability phenomenon. It studied the turbulent flow around a single cylinder and also on two cylinders arranged side-by-side, where use has been made of cylinders of various diameters to vary the blockage ratio of the channel. Two types of pitch to diameter ratio are studied. The experimental technique consists of measuring velocity fluctuations in aerodynamic channel using the technique of hot-wire anemometry. The data obtained from measuring the aerodynamic channel are treated with the use of statistical tools, spectral and wavelet analysis. For a single cylinder, the results confirm the increase of the Strouhal number with increasing blockage ratio in the range of Reynolds number used. Lower blockage ratio can cause a decrease of the Strouhal number, also a function of Reynolds number. The results confirm the existence of the bistability phenomenon in the flow on two cylinders arranged side-by-side, as well as the influence of blockage ratio on the phenomenon, being more predominant in one of the row spacings. For higher blockage ratios, the bistability phenomenon may not occur or occurs shortly. For lower blockage ratio, due to the smaller dimensions of the tubes the phenomenon may not occur on the capture of the phenomenon is also reduced with the present experimental technique.

Este trabalho apresenta um estudo acerca dos principais parâmetros que caracterizam o fenômeno da biestabilidade em dois tubos dispostos lado a lado submetidos a escoamento cruzado turbulento. A técnica experimental da anemometria de fio quente em canal aerodinâmico é aplicada na medição das flutuações de velocidade do escoamento após os tubos. As séries temporais obtidas são utilizadas como dados de entrada para determinação das funções densidade de probabilidade (PDF) usando um modelo de mistura finita, de acordo com uma função t de Student assimétrica e com o auxílio do método de Monte Carlo. Transformadas de ondaletas discretas e contínuas são aplicadas na filtragem das séries temporais para determinadas bandas de frequências e na análise do conteúdo de energia destes sinais. Através de conceitos de sistemas caóticos, é realizada a reconstrução do atrator do problema pelo método dos atrasos temporais, a partir das séries experimentais de velocidade, permitindo a determinação da dimensão de imersão e o cálculo do maior expoente de Lyapunov. Os resultados mostram a existência de dois patamares distintos de velocidade média nas séries temporais, correspondentes aos dois modos do escoamento, cada qual com números de Strouhal e funções densidade de probabilidade distintas. Uma análise conjunta das componentes axial e transversal do escoamento e suas PDF indicam as regiões no plano de medições onde o fenômeno se manifesta, sendo que reconstruções da trajetória filtrada das séries temporais para determinadas bandas de frequências apresentam características caóticodeterminísticas. O maior expoente de Lyapunov das séries experimentais é positivo, o que é um indício de comportamento caótico. / This work presents a study of the main parameters that characterize the phenomenon of bistability in two tubes placed side by side submitted to turbulent crossflow. The experimental technique of hot wire anemometry in aerodynamic channel is applied in the measurement of velocity fluctuations of the flow after the tubes. The time series obtained are used as input data for determining the probability density functions (PDF) using a finite mixture model, according to an asymmetric Student t function and with the aid of a Monte Carlo method. Wavelet transforms are applied in discrete and continuous filtering of time series for certain frequency bands and in the analysis of the energy content of these signals. By means of chaotic systems concepts, the attractor reconstruction of the problem is performed using the method of time delays from the experimental series of velocity, allowing the determination of the embedding dimension and calculating the largest Lyapunov exponent. The results show the existence of two different levels of mean velocity in time series, corresponding to two flow modes, each one with different Strouhal numbers and probability density functions. A joint analysis of axial and transverse components of flow and its PDF indicate the regions in the measurement plan where the phenomenon is manifested, and reconstructions of the trajectory of the filtered time series for certain frequency bands have chaotic-deterministic characteristics. The largest Lyapunov exponent of experimental series is positive, which is an indication of chaotic behavior.

Este trabalho apresenta um estudo experimental acerca da influência da razão de espaçamento e da intensidade de turbulência no escoamento biestável. É estudado o escoamento sobre dois cilindros dispostos lado a lado, para o canal aerodinâmico com intensidade de turbulência inferior a 1%, para o canal aerodinâmico com grade promotora de turbulência com intensidade de turbulência de 8 a 7%, e para uma seção do canal aerodinâmico sem paredes laterais. A técnica experimental aplicada consiste na medição das flutuações de velocidade no canal aerodinâmico utilizando a técnica da anemometria de fio quente. As medições são realizadas com duas sondas, uma fixa e outra móvel que foi posicionada em seis pontos diferentes do escoamento. Os dados medidos são tratados através de ferramentas estatísticas, análise espectral e transformadas de ondaletas. Os resultados confirmam a existência do fenômeno da biestabilidade e mostram como o fenômeno sofre alterações quando exposto às condições de maior intensidade de turbulência e redução da razão de bloqueio pela retirada das paredes laterais em uma seção do canal. Para a condição de maior intensidade de turbulência, os resultados mostram que as trocas de modo se intensificam, e em alguns dos pontos de medição os sinais referentes à sonda móvel não apresentam características de biestabilidade. Para o caso sem paredes laterais, os sinais apresentam características de biestabilidade até o momento em que as paredes são removidas. / This work presents an experimental study, about the influence of the pitch to diameter ratio and the turbulence intensity on a bistable flow. The flow through two cylinders side-by-side is studied in an aerodynamic channel with turbulence intensity lower than 1%, in an aerodynamic channel with a turbulence grid, that increased the turbulence intensity to about 8 to 7%, and a section of the aerodynamic channel without lateral walls. The experimental technique consists in the measurements of the fluctuating velocities in the aerodynamic channel, using hot wire anemometry. The measurements are performed with two probes, one static, and one movable, positioned in six different points of the flow. The acquired data are analysed through statistical, spectral and wavelet tools. The results confirmed the occurrence of the bistable phenomenon and shows how it behaves when exposed to different conditions of turbulence intensity, and reduction of the blockage ratio aspect due to removal of the lateral walls of a channel section. The results for the higher turbulence intensity condition shows that the switches are intensified, some data resulting of the measurements of the second probe, do not show bistable characteristics. In the no-walls section case, the signals showed bistable features, until the moment the walls were removed.

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Este trabalho apresenta um estudo experimental do efeito da razão de bloqueio em um canal aerodinâmico no Número de Strouhal e o fenômeno da biestabilidade. É estudado o escoamento turbulento sobre um cilindro e também sobre dois cilindros dispostos lado a lado, onde fez-se uso de cilindros de vários diâmetros a fim de variar a razão de bloqueio no canal. Dois tipos de espaçamento entre os tubos são estudados. A técnica experimental consiste na medição de flutuações de velocidades em um canal aerodinâmico utilizando a técnica de anemometria de fio quente. Os dados obtidos da medição no canal aerodinâmico são tratados com o uso de ferramentas estatísticas, espectrais e de ondaletas. Para um cilindro, os resultados confirmam o aumento do número de Strouhal com o aumento da razão de bloqueio, na faixa do número de Reynolds utilizada. Razões de bloqueio mais baixas podem acarretar diminuição do número de Strouhal, também em função do número de Reynolds. Os resultados confirmam a existência do fenômeno da biestabilidade no escoamento sobre dois cilindros dispostos lado a lado, assim como a influência da razão de bloqueio sobre o fenômeno, sendo mais predominante em um dos espaçamentos estudados. Para razões de bloqueio altas, o fenômeno da biestabilidade pode não ocorrer ou pouco ocorre. Para razões de bloqueio mais baixas podemos ter também a não ocorrência do fenômeno em função das dimensões dos tubos serem mais reduzidas, fazendo com que a captação do fenômeno também seja reduzida. / This paper presents an experimental study of the effect of blockage ratio in a aerodynamic channel on Strouhal number and the bistability phenomenon. It studied the turbulent flow around a single cylinder and also on two cylinders arranged side-by-side, where use has been made of cylinders of various diameters to vary the blockage ratio of the channel. Two types of pitch to diameter ratio are studied. The experimental technique consists of measuring velocity fluctuations in aerodynamic channel using the technique of hot-wire anemometry. The data obtained from measuring the aerodynamic channel are treated with the use of statistical tools, spectral and wavelet analysis. For a single cylinder, the results confirm the increase of the Strouhal number with increasing blockage ratio in the range of Reynolds number used. Lower blockage ratio can cause a decrease of the Strouhal number, also a function of Reynolds number. The results confirm the existence of the bistability phenomenon in the flow on two cylinders arranged side-by-side, as well as the influence of blockage ratio on the phenomenon, being more predominant in one of the row spacings. For higher blockage ratios, the bistability phenomenon may not occur or occurs shortly. For lower blockage ratio, due to the smaller dimensions of the tubes the phenomenon may not occur on the capture of the phenomenon is also reduced with the present experimental technique.

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / O Estudo do Desempenho de Filtros AcÃstico-Ãpticos SintonizÃveis (AOTF) como Componentes BiestÃveis e sua UtilizaÃÃo na Criptografia em Redes Ãpticas apresenta, primeiramente, um estudo analÃtico e numÃrico de tais filtros destacando suas principais propriedades de transmissÃo e analisando seu comportamento devido aos efeitos nÃo-lineares e o surgimento da biestabilidade Ãptica quando um sistema de feedback à introduzido. Em seguida, propÃe o uso do AOTF, somado à modulaÃÃo de pulsos ultracurtos por posiÃÃo (PPM) e por amplitude (PAM), simultaneamente, para gerar um sistema criptogrÃfico a ser utilizado em redes Ãpticas. As simulaÃÃes numÃricas foram realizadas utilizando-se o mÃtodo de Runge-Kutta de Quarta Ordem. Os resultados obtidos para o estudo da biestabilidade mostraram a dependÃncia da curva de histerese com relaÃÃo ao produto da constante de acoplamento pelo comprimento do dispositivo e ao fator de conversÃo potÃncia-constante de propagaÃÃo (G). Mostrou-se que o intervalo da biestabilidade varia significativamente tanto com G como com produto da constante de acoplamento pelo comprimento do dispositivo, mas suas contribuiÃÃes sÃo diferentes. A variaÃÃo do produto da constante de acoplamento pelo comprimento do dispositivo aumenta o tamanho do intervalo da biestabilidade, enquanto que o aumento de G faz com que a biestabilidade ocorra para potÃncias iniciais cada vez menores. Os resultados obtidos no estudo do AOTF como criptÃgrafo mostraram que à possÃvel definir um par de parÃmetros, chamado par PPM/PAM, diretamente relacionado com as modulaÃÃes usadas no processo, que servirà como elemento fundamental para a comunicaÃÃes entre dois usuÃrios em uma rede Ãptica usando um AOTF para codificar a mensagem e outro para decodificar. / The performance of acoustic-optic tunable filters (AOTF) as a bistable component, applied to cryptography in optical networks, has been studied with analytical and numerical methods. Initial investigations of such filters highlighted their main transmissions, and analyzed their behavior by nonlinear effects with formation of optical bistability when a feedback was introduced in the system. Subsequently, it was proposed the use of an AOTF device, together with simultaneous modulation of ultrashort pulses by position (PPM) and amplitude (PAM), for generation of a cryptographic system for application in optical networks. Numerical simulations were performed using the Runge-Kutta fourth order method. The results for the study of bistability showed the dependence of the hysteresis curve with respect to the product of coupling constant by the length of the device and the conversion power-coupling constant factor (G). It was shown that the range of bistability varies significantly with both G and the product of coupling constant by the length of the device. The variation of the product of coupling constant by the length of the device directly increases the size of the bistability range while the increase in G causes the bistability occurrence for initial powers to decrease. The results obtained in the study of the AOTF as a cryptographer showed that it is possible to define a pair of parameters, called PPM/PAM pair, directly related to the modulations used in the process, which will serve as key to communications between two users in an optical network. The device would be used to encode and decode data.

This work develops models and tools to help designers address the challenges associated with designing origami-based and developable mechanisms. These models utilize strain energy, kinematics, compliant mechanisms, and graphical techniques to make the design of origami-based and developable mechanisms approachable and intuitive. Origami-based design tools are expanded through two methods. First presented is a generalized approach for identifying single-output mechanical advantage for a multiple-input compliant mechanism, such as many origami-based mechanisms. The model is used to predict the force-deflection behavior of an origami-based mechanism (Oriceps) and is verified with experimental data from magnetic actuation of the mechanism. Second is a folding technique for thick-origami, called the regional-sandwiching of compliant sheets (ReCS), which creates flat-foldable, rigid-foldable, and self-deploying thick origami-based mechanisms. The technique is used to create mountain/valley assignments for each fold about a vertex, constraining motion to a single branch of folding. Strain energy in deflected flexible members is used to enable self-deployment. Three physical models, a simple single-fold mechanism, a degree-four vertex mechanism, and a full tessellation, are presented to demonstrate the ReCS technique. Developable mechanism design is further enabled through an exploration of their feasible design space. Terminology is introduced to define the motion of developable mechanisms while interior and exterior to a developable surface. The limits of this motion are identified using defined conditions. It is shown that the more difficult of these conditions may be treated as a non-factor during the design of cylindrical developable mechanisms given certain assumptions. These limits are then applied to create a resource for designing bistable developable mechanisms (BDMs) that reach their second stable positions while exterior or interior to a cylindrical surface. A novel graphical method for identifying stable positions of linkages using a single dominant torsional spring, called the Principle of Reflection, is introduced and implemented. The results are compared with a numerical simulation of 30,000+ mechanisms to identify possible incongruencies. Two tables summarize the results as the guide for designing extramobile and intramobile BDMs. In fulfilling the research objectives, this dissertation contributes to the scientific community of origami-based and developable mechanism design approaches. As a result of this work, practitioners will be better able to approach and design complex origami-based and developable mechanisms.