A numerical approach to cyclic-service queueing models

Queueing Theory;operations research

Monte Carlo algorithm based on internal bridging moves for the atomistic simulation of thiophene oligomers and polymers

We introduce a powerful Monte Carlo (MC) algorithm for the atomistic simulation of bulk models of oligo- and poly-thiophenes by redesigning MC moves originally developed for considerably simpler polymer structures and architectures, such as linear and branched polyethylene, to account for the ring structure of the thiophene monomer. Elementary MC moves implemented include bias reptation of an end thiophene ring, flip of an internal thiophene ring, rotation of an end thiophene ring, concerted rotation of three thiophene rings, rigid translation of an entire molecule, rotation of an entire molecule and volume fluctuation. In the implementation of all moves we assume that thiophene ring atoms remain rigid and strictly co-planar; on the other hand, inter-ring torsion and bond bending angles remain fully flexible subject to suitable potential energy functions. Test simulations with the new algorithm of an important thiophene oligomer, {\alpha}-sexithiophene ({\alpha}-6T), at a high enough temperature (above its isotropic-to-nematic phase transition) using a new united atom model specifically developed for the purpose of this work provide predictions for the volumetric, conformational and structural properties that are remarkably close to those obtained from detailed atomistic Molecular Dynamics (MD) simulations using an all-atom model. The new algorithm is particularly promising for exploring the rich (and largely unexplored) phase behavior and nanoscale ordering of very long (also more complex) thiophene-based polymers which cannot be addressed by conventional MD methods due to the extremely long relaxation times characterizing chain dynamics in these systems

QuTiP: An open-source Python framework for the dynamics of open quantum systems

We present an object-oriented open-source framework for solving the dynamics of open quantum systems written in Python. Arbitrary Hamiltonians, including time-dependent systems, may be built up from operators and states defined by a quantum object class, and then passed on to a choice of master equation or Monte-Carlo solvers. We give an overview of the basic structure for the framework before detailing the numerical simulation of open system dynamics. Several examples are given to illustrate the build up to a complete calculation. Finally, we measure the performance of our library against that of current implementations. The framework described here is particularly well-suited to the fields of quantum optics, superconducting circuit devices, nanomechanics, and trapped ions, while also being ideal for use in classroom instruction.Comment: 16 pages, 12 figure

Vibrational Probe and Methods Development for Studying the Ultrafast Dynamics of Preferential Solvation of Biomolecules by 2D-IR.

Over the last decade two-dimensional infrared spectroscopy (2D-IR) has emerged as a powerful method for the investigation of biological samples and their dynamics. Through the implementation of state of the art signal processing methods we have demonstrated a significant, 20-fold, reduction in the acquisition time of traditional 2D-IR spectra. This new technique, utilizing compressed sensing, compliments our previously developed RASD method, allowing for the rapid acquisition of complete 2D-IR spectra as opposed to dynamical information at a single excitation-detection frequency pair. Additionally we have realized the first biocompatible, modular, metal-carbonyl probes for 2D-IR utilizing benzyl-chromium tribarbonyls. This has enabled ultrafast 2D-IR investigations of lipids and preferential solvation in solutions and at site-specific locations within enzyme scaffolds. In aqueous solutions we find that preferential solvation by a polar cosolvent causes a slowdown of the observed dynamics sensed by our probes. From modeling our system this slowdown is found to be consistent with arising from the slow, ca. 8 ps, exchange dynamics between the polar co-solute and water in the vicinity of our probe. This interpretation of preferential solvation in solution is further able to describe the observed dynamical differences found at the protein-solvent interface in a model system. By studying a series of protein mutants we find, spectroscopically and through simulations, that interactions between the side chains and the solution are sufficient to modulate the degree of preferential solvation and therefore dynamics, within specific sites of the protein. This information provides a foundation on how to modulate of the diffusion of substrates and products into and out-of the active sites of enzymes, through directed mutation of their protein sequence. The diffusional motion of the solvent and substrates is often the rate-limiting step in enzymatic catalysis. By controlling the local solvation dynamics of enzymes, sequence mutations offer a method to fine-tune the dynamics of enzymes. The ability to characterize the site-specific solvation dynamics of enzymes in response to primary structure mutations, positions 2D-IR and our chromium tricarbonyl probes as powerful tools for understanding protein and enzyme dynamics. This provides insight into controlling the catalytic rate of enzymes through directed mutation.PhDBiophysicsUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/111440/1/josefd_1.pd

Lattice Boltzmann Methods for Turbulent Flows – Application to Coriolis Mass Flowmeter

Komplexe Strömungsphänomene machen es schwierig Ingenieursanwendungen so detailliert und genau zu simulieren, dass eine Charakterisierung und Verbesserung ihres Funktionsprinzips möglich ist. Diese Arbeit zeigt, dass die Lattice-Boltzmann-Methode (LBM) sehr gut für diesen Zweck geeignet ist. Im Vordergrund stehen hierbei die Simulation und Modellierung von turbulenten Strömungen. Diese lassen sich auf Grund der hervorragenden Parallelisierbarkeit der LBM mit Large-eddy Simulationen an Stelle von Reynolds-gemittelten Navier--Stokes Modellen, die im industriellen Umfeld üblich sind, berechnen. Somit können komplexe transiente turbulente Strömungen simulativ untersucht werden. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse dienen insbesondere der Auslegung und Optimierung von Bauteilen und Prozessen. Alle beschriebenen LBM Simulationen werden mit der Open Source Software OpenLB durchgeführt. Dazu wird OpenLB erweitert, um eine Validierung von implementierten Turbulenzmodellen mittels kanonischer Strömungsformen zu ermöglichen. Des Weiteren wird ein Framework für die Simulation von Fluid-Struktur Interaktion (FSI) geschaffen. Anfangs werden die Kollisionsoperatoren Bhatnagar--Gross--Krook (BGK), Entropic Lattice Boltzmann (ELB), Two-Relaxation-Time (TRT), Regularized Lattice Boltzmann (RLB) und Multiple-Relaxation-Time (MRT) in der Taylor-Green Vortex Strömung, einem klassischen Beispiel für abklingende homogene isotrope Turbulenz (DHIT), untersucht. Hierbei liegt der Fokus auf Stabilität, Konsistenz und Genauigkeit der verwendeten Schemata. Die Studie beinhaltet den Vergleich der turbulenten kinetischen Energie, der Dissipationsrate der Energie und dem Energiespektrum zu einer Referenzlösung. Drei unterschiedliche Reynoldszahlen, $\mathrm{Re}=800$, $\mathrm{Re}=1600$ und $\mathrm{Re}=3000$, werden sowohl unter Verwendung einer akustischen als auch einer diffusiven Skalierung betrachtet, um den Einfluss der Lattice Machzahl zu charakterisieren. In stark unteraufgelösten Gitterkonfigurationen zeigt das BGK Schema ein instabiles Verhalten. Divergierende Simulationen unter der Verwendung des MRT Schemas sind auf eine starke Abhängigkeit von der Lattice Machzahl zurückzuführen. Obwohl ELB die Viskosität verändert, kann kein Verhalten, das einem Wirbelviskositätsmodell entspricht, gefunden werden. Bei geringen Lattice Machzahlen zeigt das RLB Schema sehr geringe Energielevel bei hohen Wellenzahlen. Der ,,magic parameter" des TRT Schemas wird bestimmt im Hinblick auf den Energieeintrag. Trotzdem wird keine erhöhte Stabilität im Vergleich zum BGK Schema festgestellt. Insgesamt sollte die Lattice Machzahl bezüglich des verwendeten Kollisonsschemas gewählt werden, um die Stabilität zu gewährleisten und die Genauigkeit zu verbessern. Für die Realisierung eines wandmodellierten Large-Eddy Simulation (NWM-LES) Ansatzes wird der BGK Kollisionsoperator ausgewählt. Das Smagorinsky Wirbelviskositätsmodell kommt hierbei zum Einsatz und wird in der turbulenten Grenzschicht mit der van Driest\u27schen Dämpfungsfunktion verwendet. Der Einfluss verschiedener Implementierungen von Geschwindigkeitsrandbedingungen und Wandfunktionen wird in einer biperiodischen, voll ausgebildeten turbulenten Kanalströmung für Schubspannungs-Reynoldszahlen von $\mathrm{Re}_\tau=1000$, $\mathrm{Re}_\tau=2000$ und $\mathrm{Re}_\tau=5200$ untersucht. Die Validierung erfolgt mittels Daten einer direkten numerischen Simulation (DNS) für Turbulenzstatistiken erster und zweiter Ordnung. Die Anwendung dieses Ansatzes auf einen Coriolis Massendurchflussmesser (CMF) zeigt, dass der Druckverlust bis zu einer Reynoldszahl $\mathrm{Re}=127800$ beschrieben werden kann. Des Weiteren wird der entwickelte NWM-LES LBM Ansatz mit OpenFOAM, einer Open Source Implementierung der finititen Volumen Methode (FVM) für komplexe turbulente Strömungen, die relevant für Verbrennungsmotoren sind, verglichen. Der zuvor entwickelte und validierte LBM Ansatz wird mit einer Geschwindigkeitsrandbedingung für gekrümmte Ränder erweitert. Die Ergebnisse beider Strömungslöser werden mit Daten eines Particle Image Velocimetry (PIV) Experiments verglichen. Die Validierung umfasst sowohl die zeitgemittelten als auch die quadratisch gemittelten (RMS) Geschwindigkeitsfelder. Zusätzlich wird sowohl die Laufzeit der Simulation als auch die Dauer der unterschiedlichen Gittergenerierungsprozesse bestimmt. Die Performanceanalyse der getesteten Konfiguration zeigt, dass OpenLB 32-mal schneller ist als OpenFOAM. Folglich ist der entwickelte NWM-LES LBM Ansatz dazu in der Lage, komplexe turbulente Strömungen in einer Ingenieursanwendung akkurat und mit einem verringerten Rechenaufwand zu beschreiben. Wirbel induzierte Vibrationen (VIV) sind ein weiterer wichtiger Anwendungsfall für Ingenieursapplikationen. Für die Untersuchung dieser werden verschiedene Fluid-Struktur Ansätze für LBM implementiert, verglichen und evaluiert. Die zwei untersuchten Klassen sind die Moving Boundary Methods (MBM) und die Partially Saturated Methods (PSM). Als erstes wird die Galiläische Invarianz von aerodynamischen Koeffizienten für die einzelnen Schemata untersucht. Dazu wird das BGK Schema verwendet, um einen exzentrisch positionierten Zylinder in einer Couette Strömung zu simulieren. Überdies werden verschiedene Volumenapproximationsmethoden für PSM und Auffüllmechanismen für MBM verglichen. Sowohl die Gitterkonvergenz als auch die Konvergenz der Galiläischen Invarianz werden betrachtet. Die Studie der VIV-Phänomene umfasst einen transvers oszillierenden Zylinder in einem Freistrom bei einer Reynoldszahl von $\mathrm{Re}=100$. Dabei werden freie und erzwungene Oszillation betrachtet, um bekannte Phänomene, wie Lock-in und Lock-out Zonen, zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl MBM als auch PSM eine gute Übereinstimmung zu Literaturdaten aufweisen, womit die Eignung für VIV-Simulationen bestätigt werden kann. Schließlich wird ein Fluid-Struktur Interaktionsansatz unter der Verwendung eines MBM Ansatzes für die Simulation eines CMFs realisiert. Hierbei wird OpenLB mit Elmer, einer Open Source Implementierung der Finite-Elemente-Methode, gekoppelt, um auch die Strukturdynamik zu beschreiben. Ein gestaffelter Kopplungsansatz zwischen den beiden Softwarepaketen wird präsentiert. Das Finite-Elemente-Gitter wird durch das Gittergenerierungstool Gmsh erstellt, um einen kompletten Open Source Workflow zu garantieren. Zunächst werden die Eigenmoden des CMFs berechnet und mit Messdaten verglichen. Die daraus bestimmte Anregungsfrequenz wird zur Bestimmung des Phasenshifts in einer partitionierten voll gekoppelten FSI Simulation verwendet. Der berechnete Phasenshift zeigt eine gute Übereinstimmung mit den Messdaten und bestätigt, dass dieses Modell in der Lage ist, das Funktionsprinzip eines CMFs zu beschreiben. Die durchgeführten Studien zeigen das große Potential der LBM für die Simulation von Ingenieursapplikationen, insbesondere wenn turbulente Strömungen betrachtet werden

Networked differential GPS system

An embodiment of the present invention relates to a worldwide network of differential GPS reference stations (NDGPS) that continually track the entire GPS satellite constellation and provide interpolations of reference station corrections tailored for particular user locations between the reference stations Each reference station takes real-time ionospheric measurements with codeless cross-correlating dual-frequency carrier GPS receivers and computes real-time orbit ephemerides independently. An absolute pseudorange correction (PRC) is defined for each satellite as a function of a particular user's location. A map of the function is constructed, with iso-PRC contours. The network measures the PRCs at a few points, so-called reference stations and constructs an iso-PRC map for each satellite. Corrections are interpolated for each user's site on a subscription basis. The data bandwidths are kept to a minimum by transmitting information that cannot be obtained directly by the user and by updating information by classes and according to how quickly each class of data goes stale given the realities of the GPS system. Sub-decimeter-level kinematic accuracy over a given area is accomplished by establishing a mini-fiducial network