Wind Action Phenomena Associated with Large-Span Bridges

In the past, the design of bridges over increasing distances was limited by construction techniques and, as always, by economics. As technological advances have turned possible cable-supported bridges of incredible spans, a new challenge has been added to the equation: that of withstanding the action of winds without developing undesirable dynamic responses. In this chapter, the several aerodynamic phenomena of relevance to long-span bridges are classified and discussed. This will interest both experts and non-experts in the field, thanks to the overview that is given. For certain cases, codes of practice recommend wind tunnel tests. The reader is introduced to these, as well as to numerical simulations, which are currently gaining increasing importance. Next, measures for attenuating susceptibility for undesirable dynamic responses are reviewed. The chapter ends with a discussion of the Vila Real Bridge deck section, based on wind tunnel tests and numerical simulations carried out by the authors: the aerodynamics was effectively improved with geometrically subtle modifications that were proposed and adopted still in the design phase

On the Strong Scalability of Maritime CFD

Since 2004, supercomputer growth hasbeen constrained by energy efficiency rather than raw hardware speeds. Tomaintain exponential growth of overall computing power, a massive growth inparallelization is under way. To keep up with these changes, computationalfluid dynamics (CFD) must improve its strong scalability – its ability tohandle lower cells-per-core ratios and achieve finer-grain parallelization. Amaritime-focused, unstructured, finite-volume code (ReFRESCO) is used toinvestigate the scalability problems for incompressible, viscous CFD using two classicaltest-cases. Existing research suggests that the linear equation-system solveris the main bottleneck to incompressible codes, due to the stiff Poisson pressure equation. Here, these results are expandedby analysing the reasons for this poor scalability. In particular, a number ofalternative linear solvers and preconditioners are tested to determine if thescalability problem can be circumvented, including GMRES, Pipelined-GMRES,Flexible-GMRES and BCGS. Conventional block-wise preconditioners are tested,along with multi-grid preconditioners and smoothers in various configurations.Memory-bandwidth constraints and global communication patterns are found to bethe main bottleneck, and no state-of-the-art solution techniques which solve thestrong-scalability problem satisfactorily could be found. There is significantincentive for more research and development in this area

Chaotic multigrid methods for the solution of elliptic equations

Supercomputer power has been doubling approximately every 14 months for several decades, increasing the capabilities of scientific modelling at a similar rate. However, to utilize these machines effectively for applications such as computational fluid dynamics, improvements to strong scalability are required. Here, the particular focus is on semi-implicit, viscous-flow CFD, where the largest bottleneck to strong scalability is the parallel solution of the linear pressure-correction equation — an elliptic Poisson equation. State-of-the-art linear solvers, such as Krylov subspace or multigrid methods, provide excellent numerical performance for elliptic equations, but do not scale efficiently due to frequent synchronization between processes. Complete desynchronization is possible for basic, Jacobi-like solvers using the theory of ‘chaotic relaxations’. These non-deterministic, chaotic solvers scale superbly, as demonstrated herein, but lack the numerical performance to converge elliptic equations — even with the relatively lax convergence requirements of the example CFD application. However, these chaotic principles can also be applied to multigrid solvers. In this paper, a ‘chaotic-cycle’ algebraic multigrid method is described and implemented as an open-source library. It is tested on a model Poisson equation, and also within the context of CFD. Two CFD test cases are used: the canonical lid-driven cavity flow and the flow simulation of a ship (KVLCC2). The chaotic-cycle multigrid shows good scalability and numerical performance compared to classical V-, W- and F-cycles. On 2048 cores the chaotic-cycle multigrid solver performs up to faster than Flexible-GMRES and faster than classical V-cycle multigrid. Further improvements to chaotic-cycle multigrid can be made, relating to coarse-grid communications and desynchronized residual computations. It is expected that the chaotic-cycle multigrid could be applied to other scientific fields, wherever a scalable elliptic-equation solver is required

Recent experimental results in sub- and near-barrier heavy ion fusion reactions

Recent advances obtained in the field of near and sub-barrier heavy-ion fusion reactions are reviewed. Emphasis is given to the results obtained in the last decade, and focus will be mainly on the experimental work performed concerning the influence of transfer channels on fusion cross sections and the hindrance phenomenon far below the barrier. Indeed, early data of sub-barrier fusion taught us that cross sections may strongly depend on the low-energy collective modes of the colliding nuclei, and, possibly, on couplings to transfer channels. The coupled-channels (CC) model has been quite successful in the interpretation of the experimental evidences. Fusion barrier distributions often yield the fingerprint of the relevant coupled channels. Recent results obtained by using radioactive beams are reported. At deep sub-barrier energies, the slope of the excitation function in a semi-logarithmic plot keeps increasing in many cases and standard CC calculations over-predict the cross sections. This was named a hindrance phenomenon, and its physical origin is still a matter of debate. Recent theoretical developments suggest that this effect, at least partially, may be a consequence of the Pauli exclusion principle. The hindrance may have far-reaching consequences in astrophysics where fusion of light systems determines stellar evolution during the carbon and oxygen burning stages, and yields important information for exotic reactions that take place in the inner crust of accreting neutron stars.Comment: 40 pages, 63 figures, review paper accepted for EPJ

Contributos da biomecânica para o estudo do rendimento desportivo em natação

Na actualidade, o progresso do rendimento desportivo ao mais alto nível só é susceptível de ser conseguido através de uma combinação (que diríamos necessariamente feliz) de um vasto conjunto de factores: é necessário desde logo um pouco de sorte (como em tudo na vida – mesmo que seja para cozinhar a sopa de pedra requerida), mas sobretudo um praticante talentoso e motivado, condições de treino adequadas, um envolvimento global propício, uma equipa directiva competente e motivada e uma equipa técnica pluridisciplinar devidamente habilitada e coordenada. No quadro das habilitações desta deve-se destacar a sua sensibilidade e vocação para a contínua avaliação do seu próprio desempenho e do desempenho do seu nadador, para a consideração, ponderação e experimentação de novas opções, para a inovação tecnológica e científica. Apesar de no universo desportivo a inércia científica (e tecnológica) ser ainda superior à verificada noutros domínios da sociedade contemporânea (às vezes por estrito exercício de um carácter “bota de elástico”), são já muitos (e de há muito) os exemplos frutuosos da sua incorporação no quotidiano, seja como background cultural apenas, seja como prática efectiva. No futuro serão cada vez mais; e serão cada vez menos os espaços para o “por acaso”, para o “surpreendente”, para a geração espontânea do campeão apesar de quem o treina. No futuro – e num futuro que se já vem fazendo presente – não haverá nadadores ou treinadores de sucesso que não apelem, mais ou menos exuberantemente, a auxiliares científicos e tecnológicos para o treino

Novas aplicações de tecnologia computacional e biomecânica ao desenvolvimento do conhecimento em natação

A Biomecânica constitui um dos domínios das Ciências do Desporto onde o desenvolvimento tecnológico se tem revelado mais exuberante, nomeada e especialmente a par dos desenvolvimentos operados na computação e nas novas tecnologias em geral. A natação, por seu lado, constitui a referência maior de entre as modalidades desportivas praticadas na água e, de entre estas, aquela onde, aparentemente, a investigação científica tem sido mais profusa - entenda-se a natação em sentido estrito (natação pura desportiva – NPD) ou em sentido mais lato, incluindo para além das modalidades desportivas praticadas no contexto da FINA, também a natação desportiva de salvamento aquático e outras actividades aquáticas mais ou menos formalizadas (eg. hidroginástica) praticadas num contexto mais limitado de exercício e saúde. A água, entretanto, constitui um óbice muito sério à obtenção de registos e medições objectivos e relevantes para o estudo do movimento humano, seja em contexto biomecânico ou outro. As dificuldades começam imediatamente na aquisição de sinal eléctrico e na respectiva transmissão num meio com uma capacidade condutiva e com uma impedância tão particulares, para se estender depois à generalidade do espectro dos meios de avaliação biomecânica, culminando com a obtenção de imagens de corpo-todo, comummente designadas por imagens de duplo-meio, atendendo a que o desenvolvimento da actividade acontece maioritariamente na interface entre o ar e a água. É talvez por esta especificidade e dificuldade acrescidas que entendemos ser da maior relevância dar conta dos progressos, e das respectivas dificuldades, associados à aquisição de dados em biomecânica da natação na nossa faculdade, bem assim como perspectivar o recurso a soluções de avaliação simulada, como é o caso do recurso a soluções de CFD – Computational Fluid Dynamics – em que vimos colaborando com a UTAD. Para além de alguns exemplos do recurso a soluções de simulação computacional, como é o caso do recurso ao CFD em hidrodinâmica propulsiva e resistiva (importância relativa da sustentação hidrodinâmica e do arrasto propulsivo na capacidade propulsiva do nadador; drafting e posição de deslize como factores de redução do arrasto), trataremos de explorar aplicações experimentais da dinamometria, da cinemetria e da electromiografia (EMG) ao estudo da natação. Para tal sobrevoaremos os nossos projectos mais recentes, nomeadamente: (i) determinação do arrasto passivo por dinâmica inversa em duas posições de deslize na técnica de bruços; (ii) determinação dinamométrica de parâmetros caracterizadores da onda produzida por nadadores de elite nas quatro técnicas de nado a diferentes velocidades; (iii) caracterização biomecânica de partidas de nado ventral e dorsal em natação; (iv) caracterização biomecânica de diferentes variantes da viragem de estilo livre; (v) fadiga, flutuações intracíclicas da velocidade de nado e custo energético; (vi) avaliação e aconselhamento do treino técnico e prescrição do exercício com base em velocimetria mecânica; (vii) caracterização EMG de duas variantes da recuperação do membro superior na técnica de crol e (viii) caracterização EMG de movimentos elementares de pólo-aquático (retropedalagem, salto e remate). Terminaremos com uma breve referência a uma “nova” antropometria biomecânica recorrendo a algumas revelações de última hora associados ao levantamento tridimensional da forma corporal de nadadores, para melhor entender as reais repercussões do recurso aos fatos de banho de última geração, como é exemplo eloquente e mediático o LZR® da Speedo