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ONDAS em MEIOS DESORDENADOS Andr´ e Nachbin, IMPA Ondas em Meios Desordenados Modelos Estoc´ asticos e Aplica¸c˜ oes,CBPF, 2007 Andr´ e Nachbin IMPA http://www.impa.br/nachbin

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ONDAS em MEIOS DESORDENADOS

Andre Nachbin, IMPA

Ondas em Meios Desordenados

Modelos Estocasticos e Aplicacoes,CBPF, 2007 Andre Nachbin IMPA http://www.impa.br/∼nachbin

ONDAS em MEIOS DESORDENADOS

Colaboradoresex-alunos de doutoradoJuan Carlos Munoz (Universidad del Valle, Cali, Colombia)

Daniel Alfaro (University of California at Irvine, EUA ⇒ visita IMPA, 2006)

William Artiles (Inst. de Fısica Teorica, Sao Paulo)

Ailın Fabregas (visita IMPA, 2007)

George Papanicolaou (Stanford Univ., EUA)

Jean-Pierre Fouque (University of Santa Barbara, EUA)

Josselin Garnier (Jussieu, Paris VII, Franca)

Knut Sølna (University of California at Irvine, EUA)

Wooyoung Choi (NJIT/New Jersey Institute of Technolgy, EUA)

Roberto Kraenkel (Inst. de Fısica Teorica, Sao Paulo)

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ONDAS em MEIOS DESORDENADOS

Pesquisa em 3 frentes:

Parte A: Modelagem (FIS+MATE) e AnaliseAssintotica de EDPs/OPERADORES

Parte B: Analise Assintotica de SOLUCOES de modelosREDUZIDOS

Parte C: Analise Numerica e Computacao Cientıfica

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ONDAS em MEIOS DESORDENADOS

PRIMEIRA aplicacao GEOFISICA com ONDAS emmeios DESORDENADOS

DIFUSAO APARENTE

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ONDAS em MEIOS DESORDENADOS

MODELO ACUSTICO 1D:

PRESSURE WAVE

1D PROBLEM

VELOCITY PROFILE

EARTH CRUST

1

κ(z/ε2)

∂p

∂t+

∂u

∂z= 0, ρ(z/ε2)

∂u

∂t+

∂p

∂z= 0,

VELO. ALEATORIA c(z/ε2) ≡p

κ/ρ Dados: p(0, t) = u(0, t) = f (t/ε)

1/κ ≡ COMPRESSIBILIDADE da CROSTA terrestre ρ ≡ DENSIDADE

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ONDAS em MEIOS DESORDENADOS

Situacao com UMA discontinuidade:

−1 −0.8 −0.6 −0.4 −0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

−2

−1

0

1

2

3

INTERFACE

1 2

1/κ(z)∂p

∂t+

∂u

∂z= 0

ρ(z)∂u

∂t+

∂p

∂z= 0

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ONDAS em MEIOS DESORDENADOS

Impedancia: ζi ≡ √ρiκi ; e tempo de transito x =

R z

0c−1(s)ds

−1 −0.8 −0.6 −0.4 −0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

−2

−1

0

1

2

3

INTERFACE

1 2

Continuidade de p e u, e usando Invariantes de Riemann(const. ao longo de caracterıticas)...

TRANS. ≡ τ =2√

ζ1ζ2

ζ1 + ζ2REFL. ≡ σ =

ζ2 − ζ1

ζ1 + ζ2

CONSERV: τ2 + σ2 = 1

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ONDAS em MEIOS DESORDENADOS

1D: VARIAS CAMADAS

ζ1

ζ1

ζ2 ζ

3

INFO

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ONDAS em MEIOS DESORDENADOS

Ondas ACUSTICAS ∼ Ondas AQUATICAS (”Shallow Water Theory” )

Temos EDPs + PROBABILIDADE ⇒ N. & Sølna, Phys. Fluids 2003

−50 −40 −30 −20 −10 0 10−0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

DISTANCIA RELATIVA A CHEGADA

MEIO MEDIANIZADO

ONDA TRANSMITIDA CROSTA ABAIXO ======>

PERFIL INICIAL

PERFIL SIMULADO

APROXIMACAO TEORICA

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2000.6

0.8

1

1.2

1.4

CAMADAS NA CROSTA TERRESTRE PROFUNDIDADE =======>

MEIO DESORDENADO

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ONDAS em MEIOS DESORDENADOS

Resultado DETERMINISTICO a partir de modelagem ESTOCASTICA:

0 5 10 15 20 25 30 35−0.02

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

distance from leading front [m]

trans

mitt

ed d

owng

oing

pul

se Impulse responses based on data and analysis

0 2 4 6 8 10 12 14−0.02

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

distance from front [m]

trans

mitt

ed d

owng

oing

pul

se

Impulse responses based on data and analysis

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ONDAS em MEIOS DESORDENADOS

Teo. Central do Limite versus Teoria dos Campos Medios(’Wave Field’): Atenuacao SUPER-estimada

EDP HIPERBOLICA: adveccao aleatoriapulso Gaussiano (dado inicial) c/ a velo. tendo uma distribuicao normal.

−1 −0.5 0 0.5 10

0.2

0.4

0.6

0.8

1

200 realizations

−1 −0.5 0 0.5 10

0.2

0.4

0.6

0.8

1

40 realizations

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ONDAS em MEIOS DESORDENADOS

EDOs ALEATORIAS com 1 ESCALA de TEMPO.

Teorema de Khasminskii(*): Sejam os PVIs ω ∈ (Ω, A, P)

dxε

dt= εF (t, xε; ω), xε(0) = x0

edy

dτ= F (y), y(0) = x0,

onde F (t, ·; ω) e um processo estocastico estacionario satisfazendo hipoteses de ergodicidade etc..., com

F (x) ≡ limT→∞

1

T

Z

T

0EF (t, x ; ω)dt.

Entao

sup0≤t

E|xε(t) − y(t)| ∼√

ε na escala de tempo 1/ε.

(*) R.Z. Khasminskii, On stochastic processes defined by differential equations with a small parameter,Theory Prob. Applications, Volume XI (1966), pp.211-228.

R.Z. Khasminskii, A limit-theorem for the solutions of differential equations with random right-hand sides,Theory Prob. Applications, Volume XI (1966), pp.390-406.

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ONDAS em MEIOS DESORDENADOS

Lancado em meados de 2007

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OUTRA aplicacao GEOFISICA com ONDAS emmeios DESORDENADOS

REFOCALIZACAO via REVERSAO TEMPORAL

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ONDAS em MEIOS DESORDENADOS

I n a room inside the Waves and Acoustics Laboratory inParis is an array of microphones and loudspeakers. Ifyou stand in front of this array and speak into it, any-

thing you say comes back at you, but played in reverse. Your“hello” echoes—almost instantaneously—as “olleh.” At firstthis may seem as ordinary as playing a tape backward, butthere is a twist: the sound is projected back exactly towardits source. Instead of spreading throughout the room from

the loudspeakers, the sound of the “olleh” converges ontoyour mouth, almost as if time itself had been reversed. In-deed, the process is known as time-reversed acoustics, andthe array in front of you is acting as a “time-reversal mirror.”

Such mirrors are more than just a novelty item. They havea range of applications, including destruction of tumors andkidney stones, detection of defects in metals, and long-distance communication and mine detection in the ocean.

TIME-REVERSEDACOUSTICS

Arrays of transducers can re-create a sound and send it back to its source

as if time had been reversed. The process can be used to destroy kidney

stones, detect defects in materials and communicate with submarines

by Mathias Fink

DU

SA

N P

ET

RIC

IC

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ONDAS em MEIOS DESORDENADOS

HELLO

Transdutores

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They can also be used for elegant experiments in pure physics.The magic of time-reversed acoustics is possible because

sound is composed of waves. When you speak you producevibrations in the air that travel like ripples on a pondspreading out from the point where a stone splashed in. Afundamental property of waves is that when two of thempass through the same location, they reinforce each other iftheir peaks and troughs correspond, and they tend to canceleach other out if the peaks of one combine with the troughsof the other. This process takes place constantly wherever

back on exactly the reversed trajectory, which again wouldtotally alter the final outcome.

In contrast, wave propagation is linear. That is, a smallchange in the initial wave results in only a small change inthe final wave. Likewise, reproducing the “final” wave,moving in reverse but with the inevitable small inaccuracies,will result in the wave propagating and re-creating the “ini-tial” wave, also moving in reverse and having only relative-ly minor imperfections.

ACOUSTIC TIME-REVERSAL MIRROR operates in twosteps. In the first step (left) a source emits sound waves (orange)that propagate out, perhaps being distorted by inhomogeneitiesin the medium. Each transducer in the mirror array detects thesound arriving at its location and feeds the signal to a computer.

In the second step (right), each transducer plays back its soundsignal in reverse in synchrony with the other transducers. Theoriginal wave is re-created, but traveling backward, retracing itspassage back through the medium, untangling its distortionsand refocusing on the original source point.

RECORDING STEP TIME-REVERSAL AND REEMISSION STEP

ACOUSTIC SOURCE

HETEROGENEOUS MEDIUM

PIEZOELECTRIC TRANSDUCERS

ELECTRONIC

RECORDINGS

PLAYBACK

OF SIGNALS

IN REVERSE

SA

RA

H L

.D

ON

EL

SO

N

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medical imaging, where one wishes to send the ultrasoundthrough fat, bone and muscle to targets such as tumors or

the problem is more complicated, but a single target can beselected by repeating the procedure. Consider the simplest

KIDNEY STONES can be targeted and broken up with ultra-sound by using the self-focusing property of a time-reversal mir-ror. An ultrasonic pulse emitted by one part of the array (a) pro-duces a distorted echo from the stone (b). A powerful time-reverse

of this echo passes through intervening tissues and organs, fo-cuses back on the stone (c) and breaks it up. Iterating the proce-dure improves the focus and allows real-time tracking as thestone moves because of the patient’s breathing.

ULTRASONIC PULSE ECHO FROM STONE TIME-REVERSED WAVE

CONTROL SYSTEM

RUBBER MEMBRANE

TRANSDUCER ARRAY

TIME-REVERSAL MIRROR

CYLINDRICAL TUB OF WATER

KIDNEY STONE

TRANSDUCER

ARRAY

PULSE OF

ULTRASOUND

SOUND REFLECTED

FROM KIDNEY

STONE

HIGH-POWER

TIME-REVERSED

PULSE

AL

FR

ED

T.K

AM

AJI

AN

a b c

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cently researchers from the Scripps Institution of Oceanog-raphy in La Jolla, Calif., and the SACLANT Undersea Re-search Center in La Spezia, Italy, built and tested a 20-ele-ment TRM in the Mediterranean Sea off the coast of Italy[see illustration above]. Led by Tuncay Akal, WilliamHodgkiss and William A. Kuperman, they showed in waterabout 120 meters deep that their mirror could focus soundwaves up to 30 kilometers away. In a result similar to thesixfold enhancement in the scattering rod experiment, thetime-reversed beam was focused onto a much smaller spotthan the one observed with standard beam-forming sonar.

tects the echoes from one or more targets. The possible sce-narios are diverse, ranging from medical imaging to nonde-

FORMICHE DI GROSSETO

NATO RESEARCH VESSEL ALLIANCE

TRANSMITTER/RECEIVER ARRAY

(TIME-REVERSAL MIRROR)

PULSE

TRANSMITTER

RECEIVER ARRAY

120

MET

ERS

15 KILOMETERS

TRANSMITTED

SIGNAL

RECEIVED SIGNAL

TIME-REVERSAL MIRRORRECEIVER ARRAY

TIME-REVERSED SIGNAL

UNDERWATER COMMUNICATIONS can be en-hanced by using time-reversed acoustics to focus asignal. This technique was demonstrated in water120 meters deep near the island of Elba off the coastof Italy. A sound pulse was sent from the target loca-tion and recorded up to 30 kilometers away by anarray of transponders, distorted by refraction andmultiple reflections (red) from the surface and theseabed. The time-reversed signal sent by the arraywas well focused at the target location.

RESULTS from an underwater experimental run. Color con-tours indicate intensity of sound. The transmitted signal pulse(red circle) is greatly distorted at the time-reversal mirror, butwhen the time-reversed signal is played back (at left) it repro-duces a focused pulse at the receiver array (at right).

ALF

RED

T.K

AM

AJI

AN

;DAT

A F

RO

M T

UN

CAY

AK

AL

SACL

ANT

Unde

rsea

Re

sear

ch C

ente

r AN

D H

EEC

HU

N S

ON

G S

crip

ps In

stitu

tion

of O

cean

ogra

phy

FORMICHE

DI GROSSETO

ITALY

GIGLIO

ELBA

Mediterranean Sea

ALF

RED

T.K

AM

AJI

AN

;LA

UR

IE G

RA

CE

(inse

t)

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ONDAS em MEIOS DESORDENADOS

ESQUEMATICAMENTE...

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ONDAS em MEIOS DESORDENADOS

SUPER-RESOLUCAO!! “Multi-pathing”

Time-reversal aperture enhancement, JP Fouque, K Solna - SIAMMultiscale Modeling and Simulation, 2003.Super-resolution in time-reversal acoustics, P Blomgren, G Papanicolaou,H Zhao - The Journal of the Acoustical Society of America, 2002.

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DESORDEM AJUDANDO!!Forcante ALEATORIO ⇒ choque viscoso: Fouque, Garnier & N., Physica D ’04.EDE ASSINTOTICAMENTE ⇒ elevacao da onda ≡ η(x , t) governada por

Burgers’ VISCOSA

14.8 15 15.2 15.4 15.6 15.8 16 16.2 16.4 16.6−0.01

−0.005

0

0.005

0.01 "Apparently viscous" profile at t = 6.25(1.25)15.0

α = 0.004; ε = 0.01

15 15.2 15.4 15.6 15.8 16 16.2 16.4 16.6 16.8 17−0.01

−0.005

0

0.005

0.01 "Inviscid Burgers" profile at t = 6.25(1.25)15.0

x ( All waves centered about solution at t= 6.25)

Initial profile centered at x = 10

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MEIO ALEATORIO muito LONGO:

estamos no regime de LOCALIZACAO de Anderson

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CENARIO para a TEORIA e SIMULACOES: Reversao Temporal

Perfis tıpicos: Gaussianas, dGaussiana/dx e onda Solitaria.

−2 −1.5 −1 −0.5 0 0.5 1 1.5

50

100

150

200

250

−10 0 10 20 30 40 50

50

100

150

200

250

−50 −40 −30 −20 −10 0 10 20 30 40 50−1

−0.8

−0.6

−0.4

−0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1x 10

−3

TRANSMITTED WAVE →← REFLECTED WAVE

TIME−REVERSED WAVE →

RANDOM MEDIUM HALF−SPACE

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REFOCALIZACAO 1D TSUNAMI

−50 −40 −30 −20 −10 0 10 20 30 40 50

−5

0

5

x 10−4 t = 0

−50 −40 −30 −20 −10 0 10 20 30 40 50

−5

0

5

x 10−4 t = 5 0

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LOCALIZACAO de ANDERSON: Alfaro et al., Comm. Math. Sci., ’07

z−AXIS

0 50 100 150 200 250 300 350 400

PULSE PROPAGATION

t = 0

t = 125

t = 250

t = 375

t = 500

z−AXIS0 50 100 150 200 250 300 350 400

TIME−REVERSED PULSE PROPAGATION

t = 0t = 125t = 250t = 375t = 500

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Refocalizacao COMPLETA

arrival TIME about the center of the refocused pulsepulse

AM

PLIT

UDE

−1 t = 0 1−1

0

0.2

0.4

0.6

0.8

tf = 410

tf = 820

initial

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ONDAS em MEIOS DESORDENADOS

Regime Linear : Gaussiana

Clouet & Fouque, WMotion ’97, Fouque & N. , SIAM MMS ’04

Pulso refocalizado ≡ ηTR

(t) =1

Z

e−iωt

η0(ω)

αmω2t′0

1 + αmω2t′0

!

dω.

αm =

Z

0E m(0)m(x)dx M(s) = 1+m(s)

−40 −30 −20 −10 0 10 20 30 40 50

0

0.5

1

−40 −30 −20 −10 0 10 20 30 40 50−0.4−0.2

00.20.4

−40 −30 −20 −10 0 10 20 30 40 50−0.4−0.2

00.20.4

−40 −30 −20 −10 0 10 20 30 40 50−0.4−0.2

00.20.4

← REFLECTED SIGNAL TRANSMITTED SIGNAL →

TIME REVERSED SIGNAL →

(A)

(B)

(C)

(D)

t=0

t=t1

t=0

t=t1

∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆

DISORDERED OROGRAPHY FLAT SECTION

h(ξ)

η

η

η

η

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”Embaralhando e desembaralhando” um bit stream

TIME t

t=0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

SIGNAL PROFILES

INITIAL SIGNAL

REFLECTED time−reversed SIGNAL

REFOCUSED SIGNAL

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ONDAS em MEIOS DESORDENADOS

Parte A: ................ da palestra.

MODELOS REDUZIDOS; PORQUE?

SIMULACOES mais eficientes e ......melhor acesso a ANALISE/TEORIA MATEMATICA

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ONDAS em MEIOS DESORDENADOS

Analise Assintotica de OPERADORES/EDPs:

MODELAGEM MATEMATICA

INTERIOR

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ONDAS em MEIOS DESORDENADOS

Tıpica geometria de uma topografia DESORDENADA comMULTIPLAS-ESCALAS:

MULTISCALE TOPOGRAPHY

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ONDAS em MEIOS DESORDENADOS

Eq. de EULER ou Teoria do Potencial Nao-Linear:

Equacoes em variaveis adimensionais:

βφxx + φyy = 0, em Ω ≡ CORPO FLUIDO,

com condicoes nao-lineares na ...SUPERFICIE LIVRE

φt + α2 (φ2

x + 1β φ2

y ) + η = 0

ηt + αφxηx − 1β φy = 0

em y = α η(x , t)

e uma cond. de Neumann na topografia DESORDENADA,

βγ h′( x

γ )φx + φy = 0 ao longo de y = −√

βh( xγ ),

onde a TOPOGRAFIA DESORDENADA e dada atraves de h.

α ≡ (amplitude/profundd), β ≡ (profundd/comprimento de onda)2, γ ≡ (desordem/comprmt de onda)

NAO-LINEARIDADE DISPERSAO DESORDEM

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ONDAS em MEIOS DESORDENADOS

Tıpica geometria de uma topografia DESORDENADA comMULTIPLAS-ESCALAS:

MULTISCALE TOPOGRAPHY

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ONDAS em MEIOS DESORDENADOS

Perfis Urbanos: problemas com Turbulencia Urbana

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ONDAS em MEIOS DESORDENADOS

COORDENADAS CURVILINEAS: N. SIAP ’03

φξξ + φζζ = 0, −√

β < ζ < S(ξ, t).

Na fronteira livre η(x, t) ≈ N(ξ(x, 0), t)/M(ξ)

Nt +α

|J|φξNξ −1

|J|√

βφζ = 0.

φt +α

2|J|(φ2ξ + φ2

ζ) + η = 0.

Note que φζ = 0 em ζ = −√

β.

(∂ξξ + ∂ζζ) = |J|2∆xy ⇒ |J| ≡ (y 2ξ + y 2

ζ )|FS≈ y 2

ζ (ξ, 0) + O(ε2) (FRACA. N-LIN.)

Na fronteira livre o coeficiente metrico e M(ξ;√

β, γ) ≡ yζ(ξ, 0), onde

M(ξ;p

β, γ) =π

4√

β

Z ∞

−∞

h(x(ξo ,−√

β)/γ)

cosh2 π2√

β(ξo − ξ)

dξo .

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ONDAS em MEIOS DESORDENADOS

ANALISE ASSINTOTICA de EDPs

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ONDAS em MEIOS DESORDENADOS

Serie de potencias na viz. do fundo (transladado para) ζ = 0 Whitham 1974

φ(ξ, ζ, t) =

∞∑

n=0

ζn fn(ξ, t).

O potencial de velocidades (satisfiaz LAPLACE + NEUMANN)

φ(ξ, ζ, t) =

∞∑

n=0

(−β)n

(2n)!ζ2n ∂2nf (ξ, t)

∂ξ2n≈

N∑

n=0

[...]

Temos entao φ(x, y, t) ≡ cosh(k√

βy) exp(i(kx − ωt))

C 2(k) =ω2

k2=

1√βk

tanh(√

βk)

(VELO. de FASE)2 ≈ 1 − 1

3(√

βk)2 + 215

(√

βk)4 − 17315

(√

βk)6 + O((√

βk)8)

Relacao de dispersao truncada atraves da aprox. de Pade:C 2

a (k) = p(k)/q(k).

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ONDAS em MEIOS DESORDENADOS

Madsen and Sørensen ’92, Nwogu ’93

Tomando a derivada de φ com respeito a ξ e avaliando a velo. emuma profundd. INTERMEDIARIA ζ = Z0 ∈ [0, 1]

φξ(ξ,Z0, t) ≡ u(ξ, t) = fξ −β

2Z0

2fξξξ + O(β2)

CONDICAO de FRONTEIRA LIVRE fica reduzida a famılia de equacoes BOUSSINESQ:

M(ξ)ηt +

[(

1 +α η

M(ξ)

)

u

]

ξ

2

[(

Z02 − 1

3

)

uξξ

]

ξ

= 0

ut + ηξ + α

(

u2

2M2(ξ)

)

ξ

2(Z0

2 − 1)uξξt = 0

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ONDAS em MEIOS DESORDENADOS

famılia de equacoes BOUSSINESQ

M(ξ)ηt +

[(

1 +α η

M(ξ)

)

u

]

ξ

2

[(

Z02 − 1

3

)

uξξ

]

ξ

= 0

ut + ηξ + α

(

u2

2M2(ξ)

)

ξ

2(Z0

2 − 1)uξξt = 0

C 2 =ω2

k2=

1 − (β/2)(Z 20 − 1

3)k2

1 − (β/2)(Z 20 − 1)k2

ω2

k2=

1 + (β/15)k2

1 + 2(β/5)k2...e para o valor especial Z0 =

1/5

≈ 1 − 1

3(√

βk)2 +2

15(√

βk)4 − 475

(√

βk)6 + O((√

βk)8).

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ONDAS em MEIOS DESORDENADOS

Seja Z0 =√

2/3 e uξ(ξ, t) = −M(ξ)ηt + O(α, β):

(M(ξ)η)t +

[(

1 +α η

M(ξ)

)

u

]

ξ

− β

6(M(ξ)η)ξξt = 0

ut + ηξ + α

(

u2

2M2(ξ)

)

ξ

− β

6uξξt = 0

Quintero and Munoz (Meth.Appl.Anal. ’04) demonstraram existencia, unicidade etc...

apos encontrarem uma integral de energia . Ferramentas semelhantes a Bona

& Chen ’98

(

I− β

6∂ξξ

)

−1[U] = Kβ ∗ U, Kβ(s) ≡ −1

2

6

βsign(s)e−

√6/β|s|

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ONDAS em MEIOS DESORDENADOS

Mais pode ser feito! Nwogu ’93

Outros valores: ZO =p

1/5 ≈ 0.447 e ZO = 0.469: Munoz & N., IMA ’06

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50

1

2

3

4

5

10

15R

elat

ive

erro

r (%

)Terrain following Boussinesq system (dashed)Boussinesq system with Z

0=0.469 (solid)

Boussinesq system with Z0=√1/5 (circles)

√β k

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ONDAS em MEIOS DESORDENADOS

TOPOGRAFIA DESORDENADA

Comparamos modelos na JANELA ⇓

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120−1

−0.8

−0.6

−0.4

−0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

η at t = 50

β=0.05

ξ

T O P O G R A P H Y

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ONDAS em MEIOS DESORDENADOS

TOPOGRAFIA DESORDENADA: espalhamento multiplo

ZO = 0.469

50 55 60 65 70 75 80−0.5

−0.4

−0.3

−0.2

−0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

η at t=50 β=0.002

ξ

ZO =√

2/3 melhor valor para Analise Funcional

50 55 60 65 70 75 80

−0.4

−0.2

0

0.2

0.4

0.6

η at t = 50

ξ

β=0.002

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ONDAS em MEIOS DESORDENADOS

NOVO ⇒ MODELO OTIMO

...atraves de analise assintotica em multiplas escalas.

Garnier, Kraenkel & N, PRE, October 2007

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ONDAS em MEIOS DESORDENADOS

MODELO REDUZIDO (Boussinesq): M ≡ K ∗ h

Mηt +[

(1 +αη

M)u]

ξ− β

2(Z 2

0 − 1

3) [Mη]ξξt = 0 ,

ut + ηξ + α

[

u2

2M2

]

ξ

2(Z 2

0 − 1)uξξt = 0 ,

MODELO COMPLETO:

βφxx + φyy = 0, em Ω ≡ CORPO FLUIDO periodico,

com condicoes nao-lineares na ...FRONTEIRA LIVRE

φt + α2 (φ2

x + 1β φ2

y ) + η = 0

ηt + αφxηx − 1β φy = 0

em y = α η(x , t)

e Neumann ao longo do fundo PERIODICO h(x)

βγ h′( x

γ )φx + φy = 0 ao longo de y = −√

βh( xγ ),

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ONDAS em MEIOS DESORDENADOS

Buscando uma KdV EFETIVA

Buscamos atraves de uma expansao multi-escala na forma

η(t, ξ) = η0(t, ξ,ξ

ε) + εη1(t, ξ,

ξ

ε) + ...

u(t, ξ) = u0(t, ξ,ξ

ε) + εu1(t, ξ,

ξ

ε) + ...

onde ηj e uj sao periodicas em s = ξ/ε e as medias de η1 e u1

com respeito a s sao zero.

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ONDAS em MEIOS DESORDENADOS

MODELO BOUSSINESQ: h(x) = 1 + n(x) = 1 + n1 sin(kx)

A KdV EFETIVA e

η0τ +3α∗

4(η2

0)X +β∗

6η0XXX = 0

onde X = x − v∗t e um sistema de referencia viajante. Emtermos dominantes

v∗2

= 1 − n21

2

√β0k

tanh(√

β0k)

α∗ = α0

(

1 +n2

1

2

"

„ √β0k

sinh(√

β0k)

«2

+1

2

√β0k

tanh(√

β0k)

#)

,

β∗ = β0

(

1 +n2

1

2

"

3

β0k2+ 1 − 3β0k

2

4(Z0

2 − 1

3)(Z0

2 − 1)

« „ √β0k

sinh(√

β0k)

«2

−5

2

√β0k

tanh(√

β0k)

–ff

.

sao os PARAMETROS da KdV EFETIVA .

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ONDAS em MEIOS DESORDENADOS

TEORIA do POTENCIAL COMPLETA: Rosales & Papanicolaou ’83

A KdV EFETIVA e

η0τ +3α∗

4(η2

0)X +β∗

6η0XXX = 0

onde X = x − v∗t e

α⋆ =1

v⋆

α0 +α0

3

D

A2x

E

s− 2

3v⋆

˙

n′D

¸

b

«

pode ser expandido, no caso SENOIDAL, dando lugar a

α⋆ = α0

(

1 +n2

1

2

"

k√

β0

sinh(k√

β0)

«2

+1

2

k√

β0

tanh(k√

β0)

#

+ O(n31)

)

.

β⋆ = β0

1 +n2

1

2

»

3k√

β0

tanh3(k√

β0)− 11

2

k√

β0

tanh(k√

β0)

+ O(n31)

ff

.

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ONDAS em MEIOS DESORDENADOS

Casando as duas KdVs

...atraves dos respectivos coeficientes de dispersao β⋆.Para β0k

2 pequenos, o casamento exato e obtido quando

Z0 =

2

3− 1√

5

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ONDAS em MEIOS DESORDENADOS

Casando as duas KdVs

...atraves dos respectivos coeficientes de dispersao β⋆.Para β0k

2 pequenos, o casamento exato e obtido quando

Z0 =

2

3− 1√

5≃ 0.4685

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ONDAS em MEIOS DESORDENADOS

Assim o modelo otimo da famılia Boussinesqpara a interacao onda-microestrutura e

Mηt +[

(1 +αη

M)u]

ξ+

β

2

(

1

5− 1

3

)

[Mη]ξξt = 0 ,

ut + ηξ + α

[

u2

2M2

]

ξ

− β

2

(

1

5+

1

3

)

uξξt = 0 .

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ONDAS em MEIOS DESORDENADOS

Obrigado pela atencao.

IMPA, Rio de Janeiro.

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