Computação de simetrias variacionais e optimização da resistência aerodinâmica Newtoniana

Abstract

Neste trabalho exploram-se alguns dos actuais recursos de computação cientıfica no contexto da otimização estática e dinâmica. Começa-se por propor um conjunto de procedimentos computacionais algébricos que permitem automatizar todo o processo de obtenção de simetrias e leis de conservação, quer no contexto clássico do cálculo das variações, quer no contexto mais abrangente do controlo ótimo. A utilidade do package de funções desenvolvido é demonstrada com a identificação de novas leis de conservação para alguns problemas do controlo ótimo conhecidos na literatura. Estabelece-se depois uma relação entre as simetrias reacionais do controlo ótimo e as simetrias de equações diferenciais ordinárias. A partir dessa relação, deduz-se um método construtivo, alternativo aos já existentes, para obtenção de simetrias nesta segunda classe de problemas. Numa segunda parte do trabalho, investigam-se, com recurso a simulações computacionais, formas de corpos não convexos que maximizem a sua resistência aerodinâmica quando se desloquem em meios rarefeitos e, simultaneamente, exibam um ligeiro movimento rotacional. ´E obtido um importante resultado original para o caso bidimensional. Trata-se de uma forma geométrica que confere ao corpo uma resistência muito próxima do seu limite teórico (R = 1.4965 < 1.5). Parte dos resultados foram sendo apresentados à comunidade científica em conferencias internacionais, seminários nacionais e na forma de research re- ports [28, 29, 30, 35, 36, 37, 79]. Foi ainda publicado um artigo com arbitragem nas actas de uma conferência [34] e cinco em revistas internacionais com arbitragem [31, 32, 33, 38, 80].

: In this thesis some of the scientific computational resources are explored in the context of static and dynamic optimization. A set of analytical computational tools is proposed in order to allow the identification, in an automatic way, of variational symmetries and conservation laws in the calculus of variations and optimal control. The usefulness of the developed routines is showed with the identification of new conservation laws to concrete optimal control problems found in the literature. A relationship between the variational symmetries of optimal control and the symmetries of ordinary differential equations is established. Based in this relationship, a constructive method is created for the purpose of getting the symmetries in this second class of problems. Finally, we investigate, by means of computational simulations, shapes of nonconvex bodies that maximize resistance to its motion on a rarefied medium, considering that bodies are moving forward and at the same time slowly rotating. An important result is obtained for the two-dimensional case which consists of a geometric shape that confers to the body a resistance very close to the supremum value (R = 1.4965 < 1.5). Some results of the thesis are available in the English language in the following references: the research reports [29, 35, 37, 79], the poster [36], the conference proceedings with referee [34] and the refereed journals [31, 32, 38, 80].