Neste trabalho propomos uma abordagem computacional especificamente talhada para a solução de problemas de programação matemática discreta-mista com restrições de equilíbrio (MPEC). Para isso, inicialmente, transformamos o MPEC discreto-misto em uma sequência de MPECs contínuos. Na formulação dos MPECs contínuos, inserimos restrições de igualdade e de desigualdades artificias, as quais nos permitem considerar as variáveis discretas como contínuas. Cada MPEC contínuo é transformado em um problema de programação não-linear (PNL) padrão. Isso é feito por meio da reformulação das restrições de complementaridade originais do MPEC contínuo em um conjunto equivalente de restrições usuais de desigualdade. As restrições de igualdade originais do PNL são tratadas por meio da função lagrangiana clássica, as restrições de igualdade artificiais associada às variáveis discretas do PNL são tratadas por meio de uma técnica variante do método de penalidades clássico e as restrições de desigualdade artificias e originais do problema são tratadas por meio do método de reescalamento não-linear integrado proposto neste trabalho. Cada PNL é resolvido por meio de uma abordagem primal-dual do método de reescalamento não-linear integrado (PDRNLI) com atualização dinâmica dos parâmetros e com a estratégia de convergência global proposta. O método PDRNLI é aplicado ao problema de fluxo de potência ótimo reativo com restrições de atuação de dispositivo de controle de tensão associado aos sistemas elétricos IEEE-14, IEEE-30 e IEEE-118 barras. Os resultados numéricos comprovam a eficiência do método PDRNLI proposto para a solução do problema. / In this work we propose a computational approach specifically tailored for solving mixed-discrete mathematical problems with equilibrium constraints (MPEC). For such a purpose, we initially transform the mixed-discrete MPEC problem into a sequence of continuous MPEC problems. In the formulation of the continuous MPECs, we insert artificial equality and inequality constraints, which allow us handling discrete variables as continuous ones. Each continuous MPEC is transformed into a standard nonlinear programming problem (NLP). This is performed by reformulating the original complementarity constraints of the continuous MPEC problems into an equivalent system of standard inequality constraints. The original equality constraints of the NLP problem are handled by means of the classical lagrangian function, while the artificial equality constraints associated with the discrete variables are handled by means of a variant of the classic penalty method. The original and artificial inequality constraints are handled by means of the integrated nonlinear rescaling method proposed in this work. Each NLP is solved by means of a primal-dual version of the integrated nonlinear rescaling approach (PDINLR), with dynamic updating of parameters together with proposed a global convergence strategy. The PDINLR method is applied to the reactive optimal power flow problem with additional constraints associated with the actuation of voltage control devices for the associated with IEEE-14, 30 and 118 bus electrical systems. Numerical results assure the efficiency of the method PDINLR proposed for solving the problem.

Hoje em dia, é amplamente reconhecido que o projeto de estruturas otimizadas deve ser robusto em relação a incertezas nas forças, geometria e propriedades do material. Entretanto, existem diversas alternativas para considerar tais incertezas em problemas de otimização estrutural. Esta tese apresenta quatro formulações para lidar com incertezas no problema de otimização topológica com restrição de tensão. As três primeiras são desenvolvidas para lidar com incertezas na intensidade e direção das forças aplicadas: 1) formulação robusta probabilística, onde substituem-se as restrições de tensão originais por uma soma ponderada entre os seus valores esperados e desvios padrão, obtidos por meio do método de perturbação de primeira ordem; 2) formulação baseada em confiabilidade, onde consideram-se restrições de tensão probabilísticas; o problema é formulado por meio de uma abordagem acoplada de primeira ordem; 3) formulação robusta não probabilística, onde considera-se o pior cenário possível para as restrições de tensão; o problema é formulado com uma abordagem acoplada de otimização com anti-otimização. A quarta formulação não segue o padrão das três primeiras; diferente das demais, esta é desenvolvida para lidar com incerteza uniforme de manufatura: 4) formulação robusta de três campos, onde três topologias são consideradas de forma simultânea durante o processo de otimização, de forma a simular possíveis imperfeições que possam ocorrer devido a erros de manufatura. As quatro abordagens são bastante diferentes na forma de lidar com as incertezas; no entanto, o procedimento de solução é o mesmo: a abordagem baseada em densidade é empregada na parametrização material, enquanto que o método do Lagrangiano aumentado é empregado para solucionar o problema resultante, de forma a lidar com o elevado número de restrições de tensão. Diversos exemplos são solucionados para mostrar a aplicabilidade das formulações propostas. Os exemplos são posteriormente verificados através da Simulação de Monte Carlo e comparados com os resultados determinísticos. Os resultados mostram que as estruturas obtidas com a abordagem tradicional determinística são extremamente sensíveis a incertezas. As formulações desenvolvidas nesta tese, por outro lado, mostraram-se alternativas válidas a formulação determinística, fornecendo resultados robustos e confiáveis na presença de incertezas. / It is nowadays widely acknowledged that optimal structural design should be robust with respect to the uncertainties in loads, geometry and material parameters. However, there are several alternatives to consider such uncertainties in structural optimization problems. This thesis addresses four formulations to handle uncertainties in topology optimization with stress constraint. The first three are developed to handle uncertainties in magnitude and direction of applied loads: 1) probabilistic robust formulation, where the original stress constraints are replaced by a weighted sum between their expectations and standard deviations; these are obtained by first-order perturbation approach; 2) reliability-based formulation, where probabilistic stress constraints are considered; the problem is formulated by a coupled first order approach; 3) non-probabilistic robust formulation, where the worstcase scenario for the stress constraints is considered; the problem is formulated by a coupled approach called optimization with anti-optimization. The fourth formulation is quite different from the first three; it is developed to handle uniform boundary variation: 4) three-field robust approach, where three topologies are simultaneously considered during the optimization process, in order to simulate imperfections which may occur due to manufacturing errors. These four formulations are quite different in handling with uncertainties; however, the solution rocedure is the same: the density approach is employed to material parameterization, while the augmented Lagrangian method is employed to solve the resulting problem, in order to handle the large number of stress constraints. Several examples are solved to demonstrate applicability of proposed formulations. Numerical examples are further verified via Monte Carlo Simulation and compared to deterministic results. The results show that the structures obtained with raditional deterministic formulation are extremely sensitive to uncertainties. On the other hand, the formulations developed in this thesis are shown to be valid alternatives to the deterministic formulation, providing robust and reliable results in the presence of uncertainties.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Os escoamentos altamente convectivos representam um desafio na simulação pelo método de elementos finitos. Com a solução de elementos finitos de Galerkin para escoamentos incompressíveis, a matriz associada ao termo convectivo é não simétrica, e portanto, a propiedade de aproximação ótima é perdida. Na prática as soluções apresentam oscilações espúrias. Muitos métodos foram desenvolvidos com o fim de resolver esse problema. Neste trabalho apresentamos um método semi- Lagrangeano, o qual é implicitamente um método do tipo upwind, que portanto resolve o problema anterior, e comparamos o desempenho do método na solução das equações de convecção-difusão e Navier-Stokes incompressível com o Streamline Upwind Petrov Galerkin (SUPG), um método estabilizador de reconhecido desempenho. No SUPG, as funções de forma e de teste são tomadas em espaços diferentes, criando um efeito tal que as oscilações espúrias são drasticamente atenuadas. O método semi-Lagrangeano é um método de fator de integração, no qual o fator é um operador de convecção que se desloca para um sistema de coordenadas móveis no fluido, mas restabelece o sistema de coordenadas Lagrangeanas depois de cada passo de tempo. Isto prevê estabilidade e a possibilidade de utilizar passos de tempo maiores.Existem muitos trabalhos na literatura analisando métodos estabilizadores, mas não assim com o método semi-Lagrangeano, o que representa a contribuição principal deste trabalho: reconhecer as virtudes e as fraquezas do método semi-Lagrangeano em escoamentos dominados pelo fenômeno de convecção. / Convection dominated flows represent a challenge for finite element method simulation. Many methods have been developed to address this problem. In this work we compare the performance of two methods in the solution of the convectiondiffusion and Navier-Stokes equations on environmental flow problems: the Streamline Upwind Petrov Galerkin (SUPG) and the semi-Lagrangian method. In Galerkin finite element methods for fluid flows, the matrix associated with the convective term is non-symmetric, and as a result, the best approximation property is lost. In practice, solutions are often corrupted by espurious oscillations. In this work, we present a semi- Lagrangian method, which is implicitly an upwind method, therefore solving the spurious oscillations problem, and a comparison between this semi-Lagrangian method and the Streamline Upwind Petrov Galerkin (SUPG), an stabilizing method of recognized performance. The SUPG method takes the interpolation and the weighting functions in different spaces, creating an effect so that the spurious oscillations are drastically attenuated. The semi-Lagrangean method is a integration factor method, in which the factor is an operator that shifts to a coordinate system that moves with the fluid, but it resets the Lagrangian coordinate system after each time step. This provides stability and the possibility to take bigger time steps. There are many works in the literature analyzing stabilized methods, but they do not analyze the semi-Lagrangian method, which represents the main contribution of this work: to recognize the strengths and weaknesses of the semi-Lagrangian method in convection dominated flows.

Métodos do tipo Lagrangiano Aumentado são muito utilizados para minimização de funções sujeitas a restrições gerais. Nestes métodos, podemos separar o conjunto de restrições em dois grupos: restrições fáceis e restrições difíceis. Dizemos que uma restrição é fácil se existe um algoritmo disponível e eficiente para resolver problemas restritos a este tipo de restrição. Caso contrário, dizemos que a restrição é difícil. Métodos do tipo Lagrangiano aumentado resolvem, a cada iteração, problemas sujeitos às restrições fáceis, penalizando as restrições difíceis. Problemas de minimização com restrições lineares aparecem com freqüência, muitas vezes como resultados da aproximação de problemas com restrições gerais. Este tipo de problema surge também como subproblema de métodos do tipo Lagrangiano aumentado. Assim, uma implementação eficiente para resolver problemas com restrições lineares é relevante para a implementação eficiente de métodos para resolução de problemas de programação não-linear. Neste trabalho, começamos considerando fáceis as restrições de caixa. Introduzimos BETRA-ESPARSO, uma versão de BETRA para problemas de grande porte. BETRA é um método de restrições ativas que utiliza regiões de confiança para minimização em cada face e gradiente espectral projetado para sair das faces. Utilizamos BETRA (denso ou esparso) na resolução dos subproblemas que surgem a cada iteração de ALGENCAN (um método de lagrangiano aumentado). Para decidir qual algoritmo utilizar para resolver cada subproblema, desenvolvemos regras que escolhem um método para resolver o subproblema de acordo com suas características. Em seguida, introduzimos dois algoritmos de restrições ativas desenvolvidos para resolver problemas com restrições lineares (BETRALIN e GENLIN). Estes algoritmos utilizam, a cada iteração, o método do Gradiente Espectral Projetado Parcial quando decidem mudar o conjunto de restrições ativas. O método do gradiente Espectral Projetado Parcial foi desenvolvido especialmente para este propósito. Neste método, as projeções são computadas apenas em um subconjunto das restrições, com o intuito de torná-las mais eficientes. Por fim, tendo introduzido um método para minimização com restrições lineares, consideramos como fáceis as restrições lineares. Incorporamos BETRALIN e GENLIN ao arcabouço de Lagrangianos aumentados e verificamos experimentalmente a eficiência e eficácia destes métodos que trabalham explicitamente com restrições lineares e penalizam as demais. / Augmented Lagrangian methods are widely used to solve general nonlinear programming problems. In these methods, one can split the set of constraints in two groups: the set of easy and hard constraints. A constraint is called easy if there is an efficient method available to solve problems subject to that kind of constraint. Otherwise, the constraints are called hard. Augmented Lagrangian methods solve, at each iteration, problems subject to the set of easy constraints while penalizing the set of hard constraints. Linearly constrained problems appear frequently, sometimes as a result of a linear approximation of a problem, sometimes as an augmented Lagrangian subproblem. Therefore, an efficient method to solve linearly constrained problems is important for the implementation of efficient methods to solve nonlinear programming problems. In this thesis, we begin by considering box constraints as the set of easy constraints. We introduce a version of BETRA to solve large scale problems. BETRA is an active-set method that uses a trust-region strategy to work within the faces and spectral projected gradient to leave the faces. To solve each iteration\'s subproblem of ALGENCAN (an augmented Lagrangian method) we use either the dense or the sparse version of BETRA. We develope rules to decide which box-constrained inner solver should be used at each augmented Lagrangian iteration that considers the main characteristics of the problem to be solved. Then, we introduce two active-set methods to solve linearly constrained problems (BETRALIN and GENLIN). These methods use Partial Spectral Projected Gradient method to change the active set of constraints. The Partial Spectral Projected Gradient method was developed specially for this purpose. It computes projections onto a subset of the linear constraints, aiming to make the projections more efficient. At last, having introduced a linearly-constrained solver, we consider the set of linear constraints as the set of easy constraints. We use BETRALIN and GENLIN in the framework of augmented Lagrangian methods and verify, using numerical experiments, the efficiency and robustness of those methods that work with linear constraints and penalize the nonlinear constraints.

The description of the effects of the wind meandering in the scalar dispersion is a challenging task, since this type of flow represents a physical state characterized by multiple scales. In this study, a Lagrangian stochastic diffusion model is derived to describe the scalar transport during the horizontal wind meandering phenomenon, occurring in a PBL. The model is derived from the linearization of the Langevin equation and employs a heuristic functional form, which represents the autocorrelation functions of the meandering. The new solutions, which describe the longitudinal and lateral wind components, were used to simulate two experiments of contaminants dispersion in low-wind conditions, INEL (USA) and GRAZ (Austria). The results of the comparison indicate that the new model reproduces fairly well the observed concentrations of contaminants and, therefore, satisfactorily describes the enhanced dispersion due to the presence of meandering. / Descrever os efeitos provocados pelo meandro do vento na dispersão de escalares é uma tarefa desafiadora, uma vez que este tipo de escoamento representa um estado físico caracterizado por múltiplas escalas. Neste trabalho, deriva-se um modelo estocátisco Lagrangiano para descrever a dispersão de escalares, na camada limite planetária, durante o fenômeno de meandro do vento horizontal. O modelo é derivado a partir da linearização da equação de Langevin e emprega uma forma funcional heurística, que representa as funções de autocorrelação do meandro. As novas soluções, que descrevem as componentes longitudinais e laterais do vento, foram empregadas para simular dois experimentos de dispersão de contaminantes em condições de vento fraco, INEL (USA) e GRAZ (Áustria). Os resultados das comparações indicam que o novo modelo pode ser usado para reproduzir as concentrações observadas de contaminantes e, portanto descreve de forma satisfatória a difusão reforçada provocada pelo meandro do vento.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Os escoamentos altamente convectivos representam um desafio na simulação pelo método de elementos finitos. Com a solução de elementos finitos de Galerkin para escoamentos incompressíveis, a matriz associada ao termo convectivo é não simétrica, e portanto, a propiedade de aproximação ótima é perdida. Na prática as soluções apresentam oscilações espúrias. Muitos métodos foram desenvolvidos com o fim de resolver esse problema. Neste trabalho apresentamos um método semi- Lagrangeano, o qual é implicitamente um método do tipo upwind, que portanto resolve o problema anterior, e comparamos o desempenho do método na solução das equações de convecção-difusão e Navier-Stokes incompressível com o Streamline Upwind Petrov Galerkin (SUPG), um método estabilizador de reconhecido desempenho. No SUPG, as funções de forma e de teste são tomadas em espaços diferentes, criando um efeito tal que as oscilações espúrias são drasticamente atenuadas. O método semi-Lagrangeano é um método de fator de integração, no qual o fator é um operador de convecção que se desloca para um sistema de coordenadas móveis no fluido, mas restabelece o sistema de coordenadas Lagrangeanas depois de cada passo de tempo. Isto prevê estabilidade e a possibilidade de utilizar passos de tempo maiores.Existem muitos trabalhos na literatura analisando métodos estabilizadores, mas não assim com o método semi-Lagrangeano, o que representa a contribuição principal deste trabalho: reconhecer as virtudes e as fraquezas do método semi-Lagrangeano em escoamentos dominados pelo fenômeno de convecção. / Convection dominated flows represent a challenge for finite element method simulation. Many methods have been developed to address this problem. In this work we compare the performance of two methods in the solution of the convectiondiffusion and Navier-Stokes equations on environmental flow problems: the Streamline Upwind Petrov Galerkin (SUPG) and the semi-Lagrangian method. In Galerkin finite element methods for fluid flows, the matrix associated with the convective term is non-symmetric, and as a result, the best approximation property is lost. In practice, solutions are often corrupted by espurious oscillations. In this work, we present a semi- Lagrangian method, which is implicitly an upwind method, therefore solving the spurious oscillations problem, and a comparison between this semi-Lagrangian method and the Streamline Upwind Petrov Galerkin (SUPG), an stabilizing method of recognized performance. The SUPG method takes the interpolation and the weighting functions in different spaces, creating an effect so that the spurious oscillations are drastically attenuated. The semi-Lagrangean method is a integration factor method, in which the factor is an operator that shifts to a coordinate system that moves with the fluid, but it resets the Lagrangian coordinate system after each time step. This provides stability and the possibility to take bigger time steps. There are many works in the literature analyzing stabilized methods, but they do not analyze the semi-Lagrangian method, which represents the main contribution of this work: to recognize the strengths and weaknesses of the semi-Lagrangian method in convection dominated flows.

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:57:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 SidneyOL.pdf: 4301786 bytes, checksum: 9f7a7a0d30a925198ccebaa046c885a4 (MD5) Previous issue date: 2009-02-09 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior / This work proposes a computational methodology to solve problems of optimization in structural design. The application develops, implements and integrates methods for structural analysis, geometric modeling, design sensitivity analysis and optimization. So, the optimum design problem is particularized for plane stress case, with the objective to minimize the structural mass subject to a stress criterion. Notice that, these constraints must be evaluated at a series of discrete points, whose distribution should be dense enough in order to minimize the chance of any significant constraint violation between specified points. Therefore, the local stress constraints are transformed into a global stress measure reducing the computational cost in deriving the optimal shape design. The problem is approximated by Finite Element Method using Lagrangian triangular elements with six nodes, and use a automatic mesh generation with a mesh quality criterion of geometric element. The geometric modeling, i.e., the contour is defined by parametric curves of type B-splines, these curves hold suitable characteristics to implement the Shape Optimization Method, that uses the key points like design variables to determine the solution of minimum problem. A reliable tool for design sensitivity analysis is a prerequisite for performing interactive structural design, synthesis and optimization. General expressions for design sensitivity analysis are derived with respect to key points of B-splines. The method of design sensitivity analysis used is the adjoin approach and the analytical method. The formulation of the optimization problem applies the Augmented Lagrangian Method, which convert an optimization problem constrained problem in an unconstrained. The solution of the Augmented Lagrangian function is achieved by determining the analysis of sensitivity. Therefore, the optimization problem reduces to the solution of a sequence of problems with lateral limits constraints, which is solved by the Memoryless Quasi-Newton Method It is demonstrated by several examples that this new approach of analytical design sensitivity analysis of integrated shape design optimization with a global stress criterion purpose is computationally efficient / Neste trabalho prop?e-se uma metodologia computacional para resolver problemas de Otimiza??o de Forma para projeto estrutural. A aplica??o ? particularizada para problemas bidimensionais em estado plano de tens?es, de modo a minimizar a massa atendendo um crit?rio de tens?o. Para atender ao crit?rio param?trico de tens?es ? proposto um crit?rio global de tens?o de von Mises, dessa maneira, amplia-se o crit?rio local de tens?es sobre o dom?nio, visando ? obten??o de programas mais seguros. O problema ? aproximado pelo M?todo dos Elementos Finitos utilizando elementos triangulares da base Lagrangiana padr?o com seis n?s, tendo uma estrat?gia de gera??o autom?tica de malhas baseada em um crit?rio geom?trico do elemento. O modelo geom?trico do contorno material ? definido por curvas param?tricas B-splines. Estas curvas possuem caracter?sticas vantajosas para implementa??o do processo de otimiza??o de forma, que se utiliza dos pontos-chave para determinar o m?nimo do problema. A formula??o do problema de otimiza??o faz uso do M?todo Lagrangiano Aumentado, que transforma o problema de otimiza??o com restri??o, em problema irrestrito. A solu??o da fun??o Lagrangiana Aumentada ? alcan?ada pela determina??o da an?lise das sensibilidades anal?ticas em rela??o aos pontos-chave da curva B-spline. Como conseq??ncia, o problema de otimiza??o reduz-se ? solu??o de uma seq??ncia de problemas de limites laterais do tipo caixa, o qual ? resolvido por um m?todo de proje??o de segunda ordem que usa o m?todo de Quase-Newton projetado sem mem?ria. S?o demonstrados v?rios exemplos para o M?todo de Otimiza??o de Forma integrado a An?lise da Sensibilidade Anal?tica sob o crit?rio global de tens?o de von Mises

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2016-12-22T13:25:11Z No. of bitstreams: 1 vahidnikoofard.pdf: 794368 bytes, checksum: 26feb8d15d2757f79f8d7dfb69b610c2 (MD5) / Approved for entry into archive by Diamantino Mayra (mayra.diamantino@ufjf.edu.br) on 2017-01-31T10:20:21Z (GMT) No. of bitstreams: 1 vahidnikoofard.pdf: 794368 bytes, checksum: 26feb8d15d2757f79f8d7dfb69b610c2 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-01-31T10:20:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 vahidnikoofard.pdf: 794368 bytes, checksum: 26feb8d15d2757f79f8d7dfb69b610c2 (MD5) Previous issue date: 2015-06-30 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Esta tese é composta por assuntos distintos entre si de teorias quânticas de campos onde alguns deles são descritos em espaços não-comutativos (NC). Em primeiro lugar, analisamos a dinâmica de uma partícula livre sobre uma 2-esfera e através da dinâmica das suas equações de movimento, obtivemos as perturbações NCs neste espaço de fase. Este modelo sugere uma origem para o Zitterbewegung do elétron. Depois disso, consideramos umaversãoNCdasegundaleideNewtonparaestemodelo, quefoiobtidocomestecenário geométrico aplicado a este modelo. Em seguida, discutimos um formalismo alternativo relacionado à não-comutatividade chamado DFR onde o parâmetro NC é considerado uma coordenada e demonstramos exatamente que ela tem obrigatoriamente um momento conjugado neste espaço de fase DFR, diferentemente do que alguns autores da atual literatura sobre DFR afirmam. No próximo assunto, usando o formalismo de solda que, em poucaspalavras,colocapartículascomquiralidadesopostasnomesmomultipleto,soldamos algumas versões NCs de modelos bem conhecidos como modelos de Schwinger quirais e modelos (anti) auto duais no espaço-tempo de Minkowski estendido. Em outro assunto estudado aqui, também construímos a versão NC do modelo de Jackiw-Pi com um grupo de calibre arbitrário e usamos o mapeamento bem conhecido de Seiberg-Witten para obter este modelo NC em termos de variáveis comutativos. Finalmente, utilizamos o formalismo de campos e anticampos (ou método BV) para construir a ação de Batalin-Vilkovisky (BV) do modelo Jackiw-Pi estendido e após o prEntendiocedimento de fixação de calibre chegamos a uma ação completa, pronta para quantização. / This thesis is composed of distinct aspects of quantum field theories where some of them are described in noncommutative (NC) spaces. Firstly, we have analyzed the dynamics of a free particle over a 2-sphere and through the dynamics of the equations of motion we have derived its NC perturbations in the phase-space. This model suggests an origin for Zitterbewegung feature of the electron. After that we have considered the NC version of Newton’s second law for this model, which was obtained with the geometricalscenarioappliedtothismodel. Thenwehavediscussedtheso-calledDoplicher– Fredenhagen–Roberts (DFR) alternative formalism concerning noncommutativity where the NC parameter has a coordinate role and we showed exactly that it has a conjugated momentum in the DFR phase-space, differently of what some authors of the current DFR-literature claims. In the next issue, using the soldering formalism which, in few words, put opposite chiral particles in the same multiplet, we have soldered some NC versions of well known models like the chiral Schwinger model and (anti)self dual models in the extended Minkowski spacetime. Changing the subject, we have constructed the NC spacetime version of Jackiw-Pi model with an arbitrary gauge group and we used the well known Seiberg-Witten map to obtain the NC model expressed in terms of commutative variables. Finally, we have used the field-antifield (or BV method) formalism to construct the Batalin-Vilkovisky (BV) action of the extended Jackiw-Pi model and after the gauge fixing procedure we have arrived at a quantized-ready action for this model.

A esfera é utilizada como domínio computacional na modelagem de diversos fenômenos físicos, como em previsão numérica do tempo. Sua discretização pode ser feita de diversas formas, sendo comum o uso de malha regulares em latitude/longitude. Recentemente, também para melhor uso de computação paralela, há uma tendência ao uso de malhas mais isotrópicas, dentre as quais a icosaédrica. Apesar de já existirem modelos atmosféricos que usam malhas icosaédricas, não há consenso sobre as metodologias mais adequadas a esse tipo de malha. Nos propusemos, portanto, a estudar em detalhe diversos fatores envolvidos no desenvolvimento de modelos atmosféricos globais usando malhas geodésicas icosaédricas. A discretização usual por volumes finitos para divergente de um campo vetorial utiliza como base o Teorema da Divergência e a regra do ponto médio nas arestas das células computacionais. A distribuição do erro obtida com esse método apresenta uma forte relação com características geométricas da malha. Definimos o conceito geométrico de alinhamento de células computacionais e desenvolvemos uma teoria que serve de base para explicar interferências de malha na discretização usual do divergente. Destacamos os impactos de certas relações de alinhamento das células na ordem da discretização do método. A teoria desenvolvida se aplica a qualquer malha geodésica e também pode ser usada para os operadores rotacional e laplaciano. Investigamos diversos métodos de interpolação na esfera adequados a malhas icosaédricas, e abordamos o problema de interpolação e reconstrução vetorial na esfera em malhas deslocadas. Usamos métodos alternativos de reconstrução vetorial aos usados na literatura, em particular, desenvolvemos um método híbrido de baixo custo e boa precisão. Por fim, utilizamos as técnicas de discretização, interpolação e reconstrução vetorial analisadas em um método semi-lagrangiano para o transporte na esfera em malhas geodésicas icosaédricas. Realizamos experimentos computacionais de transporte, incluindo testes de deformações na distribuição do campo transportado, que mostraram a adequação da metodologia para uso em modelos atmosféricos globais. A plataforma computacional desenvolvida nesta tese, incluindo geração de malhas, interpolações, reconstruções vetoriais e um modelo de transporte, fornece uma base para o futuro desenvolvimento de um modelo atmosférico global em malhas icosaédricas. / Spherical domains are used to model many physical phenomena, as, for instance, global numerical weather prediction. The sphere can be discretized in several ways, as for example a regular latitude-longitude grid. Recently, also motivated by a better use of parallel computers, more isotropic grids have been adopted in atmospheric global circulation models. Among those, the icosahedral grids are promising. Which kind of discretization methods and interpolation schemes are the best to use on those grids are still a research subject. Discretization of the sphere may be done in many ways and, recently, to make better use of computational resources, researchers are adopting more isotropic grids, such as the icosahedral one. In this thesis, we investigate in detail the numerical methodology to be used in atmospheric models on icosahedral grids. The usual finite volume method of discretization of the divergence of a vector field is based on the divergence theorem and makes use of the midpoint rule for integration on the edges of computational cells. The error distribution obtained with this method usually presents a strong correlation with some characteristics of the icosahedral grid. We introduced the concept of cell alignment and developed a theory which explains the grid imprinting patterns observed with the usual divergence discretization. We show how grid alignment impacts in the order of the divergence discretization. The theory developed applies to any geodesic grid and can also be used for other operators such as curl and Laplacian. Several interpolation schemes suitable for icosahedral grids were analysed, including the vector interpolation and reconstruction problem on staggered grids. We considered alternative vector reconstruction methods, in particular, we developed a hybrid low cost and good precision method. Finally, employing the discretizations and interpolations previously analysed, we developed a semi-Lagrangian transport method for geodesic icosahedral grids. Several tests were carried out, including deformational test cases, which demonstrated that the methodology is suitable to use in global atmospheric models. The computational platform developed in this thesis, including mesh generation, interpolation, vector reconstruction and the transport model, provides a basis for future development of global atmospheric models on icosahedral grids.

Made available in DSpace on 2015-03-04T18:50:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Tese_Antonio_Boness.pdf: 1734195 bytes, checksum: 60769d0cc4e992347a83d1cf365a0030 (MD5) Previous issue date: 2007-08-02 / Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Apresentamos um modelo matemático geral, baseado na teoria de Cosserat para estruturas flexíveis unidimensionais, em regime de deslocamentos finitos e sujeitas a restrições unilaterais. Ao modelo geral agregamos a hipótese de inextensibilidade e, desprezando os efeitos do cisalhamento e das forças inerciais, formulamos o problema variacionalmente tanto na forma cinemática quanto em Lagrangiano Aumentado. Para esta última formulação, construímos aproximações por elementos finitos de Galerkin e utilizamos um algoritmo do tipo Uzawa para a solução do problema aproximado. Apresentamos estudos numéricos com o intuito de avaliar a formulação, validar o algoritmo de solução e exemplificar possíveis aplicações práticas do modelo. Buscando viabilizar uma análise numérica, realizamos uma linearização consistente do modelo geral apresentado anteriormente, produzindo um modelo em regime de pequenos deslocamentos e deformações, descrito no espaço tridimensional. Para este problema, introduzimos uma aproximação por elementos finitos mistos estabilizados, adicionando à formulação de Galerkin formas residuais de mínimos quadrados provenientes das equações de equilíbrio. Provamos que esta formulação atende às condições suficientes para existência e unicidade de solução, independente da esbeltez da estrutura. Apresentamos estimativas de erro indicando taxas de convergência e resultados numéricos comprovando tais taxas. Apresentamos algumas aplicações dos modelos ao estudo de estabilidade de dutos aquecidos e enterrados, na análise da estabilidade de armaduras de risers e umbilicais e, na área biológica, apontamos as possibilidades de suas utilizações na modelagem de moléculas de ADN.