Experiments on rapidly rotating turbulent flows

Dit proefschrift bevat drie studies, ieder fundamenteel van aard en gerelateerd aan het onderwerp van roterende turbulentie. In de eerste studie wordt een nieuw laboratoriumexperiment uiteengezet waarmee stationaire roterende turbulentie is bestudeerd. In de tweede studie wordt het onderwerp van onbegrensde vervallende roterende homogene turbulentie aangesneden, terwijl de derde studie het verval van zuiver twee-dimensionale turbulentie behandelt. Zuiver twee-dimensionale turbulentie is hier van belang omdat de stabiele langzame bewegingen in roterende homogene niet-viskeuze stromingen in goede benadering twee-dimensionaal zijn (Taylor–Proudman theorema). In het laboratoriumexperiment is een elektromagnetische forcering gebruikt om zonder enig mechanisch contact een stilstaande vloeistof in een turbulente toestand te brengen. Diverse relevante eigenschappen van de turbulentie zijn in kaart gebracht met behulp van een stereoscope velocimetrietechniek (SPIV). Deze techniek werkt als volgt. Kleine reflecterende deeltjes worden aan de vloeistof toegevoegd en belicht door middel van een zeer sterk lichtvlak. Door middel van een tweetal digitale cameras in Scheimpflugopstelling worden afbeeldingen van de belichte deeltjes verzameld. De afbeeldingen worden vervolgens softwarematig verwerkt om de snelheidscomponenten in en uit het vlak te reconstrueren. In onze implementatie van SPIV worden de snelheden uit het vlak gereconstrueerd door de snijpunten van kruisende perspectieve lijnen te bepalen, ook wel ‘triangulatie’ genoemd. Triangulatie stelt ons tevens in staat om kleine fouten in de uitlijning van de lichtlaag volledig te corrigeren. Op basis van het gedrag van de invarianten van de Reynoldsspanning anisotropietensor is de roterende turbulentie geclassificeerd als een drie-dimensionale tweecomponenten stroming, in overeenstemming met eerder verrichtte studies aan roterende turbulentie. Daarnaast zijn de volgende welbekende kenmerken van stationaire roterende turbulentie ge¨identificeerd: i) het steiler worden van het energiespectrum en de daaraan gekoppelde afname van de dissipatiesnelheid, ii) onderdrukking van de verticale snelheid ten opzichte van de horizontale snelheid, en iii) sterkere ruimtelijke en temporele correlatie van de horizontale snelheidscomponenten, waarbij de temporele correlatie nog verder toeneemt naarmate de rotatiesnelheid wordt verhoogd. Een minder bekend en op het eerste gezicht wellicht contra-intu¨itief aspect van roterende turbulentie, hier voor het eerst gekwantificeerd onder laboratoriumomstandigheden, is de omgekeerde afhankelijkheid met de ro- tatiesnelheid van de horizontale spati¨ele snelheidscorrelaties. Een ander interessant resultaat is de lineaire (anomale) schaling van de exponenten van de longitudinale ruimtelijke structuurfuncties. Deze blijkt consistent te zijn met de recente studie van Baroud e.a. [Phys. Rev. Lett. 88, 114501 (2002)]. In de tweede studie is het volgende hypothetische geval beschouwd: onbegrensde vervallende isotrope turbulentie wordt abrupt blootgesteld aan een constante achtergrondrotatie. Dit zuiver numerieke onderzoek heeft zich voornamelijk toegespitst op het gedrag van relevante derde orde correlaties. De derde orde vorticiteitscorrelaties blijken zich te gedragen op een wijze die consistent is met exacte theoretische voorspellingen voor turbulentie met axiale symmetrie zonder spiegelsymmetrie. In het bijzonder is aandacht geschonken aan de scheefheid van de verticale vorticiteit S!3 — een maat voor de onderlinge verhouding van cyclonale en anticyclonale vorticiteit. Diens afhankelijkheid van de viscositeit, de beginwaarde van de scheefheid van de snelheidsgradi¨ent, en de achtergrondrotatiesnelheid is grondig onderzocht. De initi¨ele groeisnelheid van S!3 vertoont in alle beschouwde gevallen machtswetgedrag evenredig met t0:75§0:1, in overeenstemming met recente experimentele bevindingen van Morize, Moisy & Rabaud [Phys. Fluids 17, 095105 (2005)] en van Staplehurst, Davidson & Dalziel [ingediend bij J. Fluid Mech.]. Daarnaast is gebleken dat hogere achtergrondrotatiesnelheden — hetgeen meer lineariteit impliceert — leiden tot lagere eindwaarden van S!3 , terwijl lagere viscositeiten en lagere (absolute) beginwaarden van de scheefheid van de snelheidsgradi ¨ent beiden resulteren in hogere eindwaarden van S!3 . Dit resultaat toont aan dat de asymmetrie in termen van cyclonale en anticyclonale vorticiteit het meest prominent aanwezig is in een tussenliggend bereik van Rossbygetallen. In de derde studie is de invloed van begincondities op het verval van zuiver twee-dimensionale turbulentie gekwantificeerd in termen van globale grootheden evenals wervelgrootheden. Hierbij is gebruik gemaakt van een standaard tweevoudig periodieke pseudospectraalcode met Newtoniaanse viscositeit.Wervelgrootheden zijn bepaald door middel van een conventionele wervelcensusmethode. Verschillende karakteristieke initi¨ele vorticiteitsverdelingen zijn beschouwd, waarbij iedere verdeling gelijkenis vertoont met de verdeling in eerder verrichte laboratoriumexperimenten. Enkele initi¨ele vorticiteitsverdelingen hebben een dominante deelverzameling van wervels gemeen. Betrouwbare statistieken zijn voor iedere karakteristieke beginconditie verkregen door middel van ensemblemiddeling. De tijdsevolutie van de globale enstrofie, respectievelijk de werveldichtheid, geassocieerd met de gemeenschappelijke dominante deelverzameling van wervels blijkt samen te vallen. Dit resultaat stemt overeen met het veronderstelde universele schalingsgedrag van twee-dimensionale turbulentie zoals voorgesteld door Carnevale e.a. [Phys. Rev. Lett. 66, 2735 (1991)]. Het door de schalingstheorie voorspelde verband tussen de relevante schalingsexponenten is echter niet bevestigd, en blijft om die reden twijfelachtig binnen de beschouwde parameterruimte. Verder is aangetoond dat de exponenten van de machtswetten behorende bij de werveldichtheid en de globale enstrofie worden be¨invloed door de initi¨ele werveldichtheid en de initi¨ele verdeling van de wervelgrootte

Constructive tool design for formal languages : from semantics to executing models

Embedded, distributed, real-time, electronic systems are becoming more and more dominant in our lives. Hidden in cars, televisions, mp3-players, mobile phones and other appliances, these hardware/software systems influence our daily activities. Their design can be a huge effort and has to be carried out by engineers in a limited amount of time. Computer-aided modelling and design automation shorten the design cycle of these systems enabling companies to deliver their products sooner than their competitors. The design process is divided into different levels of abstraction, starting with a vague product idea (abstract) and ending up with a concrete description ready for implementation. Recently, research has started to focus on the system level, being a promising new area at which the product design could start. This dissertation develops a constructive approach to building tools for system-level design/description/modelling/specification languages, and shows the applicability of this method to the system-level language POOSL (Parallel Object-Oriented Specification Language). The formal semantics of this language is redefined and partly redeveloped, adding probabilistic features, real-time, inheritance, concurrency within processes, dynamic ports and atomic (indivisible) expressions, making the language suitable for performance analysis/modelling. The semantics is two-layered, using a probabilistic denotational semantics for stating the meaning of POOSL’s data layer, and using a probabilistic structural operational semantics for the process layer and architecture layer. The constructive approach has yielded the system-level simulation tool rotalumis, capable of executing large industrial designs, which has been demonstrated by two successful case studies—an ATM-packet switch (in conjunction with IBM Research at Z¨urich) and a packet routing switch for the Internet (in association with Alcatel/Bell at Antwerp). The more generally applicable optimisations of the execution engine (rotalumis) and the decisions taken in its design are discussed in full detail. Prototyping, where the system-level model functions as a part of the prototype implementation of the designed product, is supported by rotalumis-rt, a real-time variant of the execution engine. The viability of prototyping is shown by a case study of a learning infrared remote control, partially realised in hardware and completed with a system-level model. Keywords formal languages / formal specification / modelling languages / systemlevel design / embedded systems / real-time systems / performance analysis / discrete event simulation / probabilistic process algebra / design automation / prototyping / simulation tool

Catalysis by Gold: Why Size Matters

Bulk gold is the most inert metal of all, however, when gold is finely dispersed on a support, it can be a very active catalyst for oxidation and hydrogenation reactions. X-ray absorption spectroscopy showed that the smaller the gold particles are, the shorter the gold–gold bond length is. The smaller particles also have an altered electronic structure, as they undergo less hybridization between the s, p, and d orbitals than the larger particles. The d band narrows and moves closer to the Fermi level. As a result, hydrogen, oxygen, and CO adsorb on the metal surface and the nano-sized metal particles can become catalytic

Confirmation: A crucial step in copy number variation analysis after exome sequencing in intellectual disabilities

Intellectual disability (ID) comprises a group of mental disorders which have underlying genetic causes, among which the monogenic causes are one of the causes for ID. One kind of a monogenic cause is the copy number variations (CNVs). These CNVs can be indicated using exome sequencing (ES) and the CoNVex and CoNIFER algorithms. To confirm the possible causative CNVs quantitative PCR (QPCR) was used. In a Pakistani ID patient a homozygous deletion of ENTPD3 was indicated and in an Estonian ID patient CPVL-CHN2 a homozygous duplication was indicated. However the QPCR showed that ENTPD3 did not segregate and CPVL-CHN2 was only duplicated heterozygous. Confirmation, like QPCR, is therefore a crucial step in confirming CNVs analysis of ES in ID patients