[pt] As Unidades de Processamento Gráfico (GPUs), ou Placas Gráficas, são processadores que foram originalmente projetados para executar tarefas dedicadas às operações da computação gráfica. Porém, a NVIDIA desenvolveu uma extensão da linguagem C para programação de GPUs, chamada CUDA (Compute Unified Device Architecture). Isto permitiu utilizá-las, na Computação de Alto Desempenho, para processar dados genéricos. Já os sistemas físicos estudados pela Mecânica Quântica apresentam dimensões próximas da escala atômica, tais como moléculas, átomos, prótons e elétrons. A Teoria do Funcional da Densidade (DFT) é um dos métodos iterativos mais usados para encontrar uma solução aproximada para a equação de Schrödinger. Contudo, os cálculos realizados em DFT são computacionalmente intensos devido às integrais de troca e correlação eletrônica, integrais para o cálculo da energia de Hartree e energia cinética dos elétrons, as quais requerem maior esforço computacional à medida que o número de elétrons presentes na simulação aumenta. Esta pesquisa teve como objetivo estudar os cálculos do DFT e identificar partes do algoritmo que, se alteradas, apresentassem benefícios de desempenho ao serem executadas em GPU. Assim, funções computacionalmente intensas do método DFT do SIESTA (Spanish Initiative for Electronic Simulations with Thousands of Atoms) foram paralelizadas e usadas para calcular propriedades físicas de nanotubos e fulerenos. Verificou-se que a execução da versão paralela do SIESTA para GPU é capaz de atingir ganhos em desempenho, em funções individuais, de uma ou até duas ordens de grandeza, tornando promissor o emprego de GPUs em acelerar o processamento da Teoria do Funcional da Densidade. / [en] The graphics processing units (GPUs), or graphics cards, are processors that were originally designed to perform dedicated tasks to the computer graphics operations. However, NVIDIA has developed an extension of the C language for programming GPUs, called CUDA (Compute Unified Device Architecture). This allowed the use of GPUs, in High Performance Computing, for processing generic data. The physical systems studied by quantum mechanics have dimensions close to atomic scale, such as molecules, atoms, protons and electrons. The Density Functional Theory (DFT) is one of the most used interactive methods to find an approximated solution to the Schrödinger equation. However, the calculations in DFT are computationally intensive because of the exchange and correlation electronic integrals, integrals to calculate the Hartree energy and electrons kinetic energy, which requires greater computational effort as the number of electrons present in the simulation increases. This research aimed to study the DFT calculations and identify parts of the algorithm that, if changed, experience performance benefits from execution in GPU. Thus, computationally intensive DFT functions of the SIESTA method (Spanish Initiative for Electronic Simulations with Thousands of Atoms) were parallelized and used to calculate the physical properties of nanotubes and fullerenes. It was found that the implementation of SIESTA parallel version on the GPU is able to achieve gains in performance, in individual functions, of one or even two orders of magnitude, making it promising employment of GPUs to speed up the processing of Density Functional Theory.

[pt] Esta dissertação faz parte de um projeto mais abrangente que visa caracterizar os parâmetros ideais para perfuração e corte a laser em rochas, metais e cimentos tipicamente utilizados na indústria do petróleo. Este trabalho teve por objetivo de caracterizar cortes a laser em placas de aço. Procurou-se correlacionar a morfologia do corte e a formação de rebarbas com parâmetros operacionais, tais como densidade de potência e posição do ponto focal. O estudo foi desenvolvido para o aço SAE 1020 com e sem anteparo rochoso (Travertino). Foram avaliadas também as mudanças na microestrutura de regiões adjacentes do aço duplex 2205 para diferentes faixas de densidade de potência. Finalmente, avaliou-se também o uso do laser no corte do aço inox submerso em água. Conclui-se que existe uma formação de rebarba, que aumenta conforme a densidade de potência diminui. Por outro lado, quanto maior a densidade de potência, maior é a extensão da mudança na microestrutura do aço. O corte de aço com anteparo rochoso abre novas perspectivas para o desenvolvimento de uma ferramenta baseada em laser de alta potência para completação de poços na indústria do petróleo. / [en] This work is part of a larger project that aims to characterize the optimal parameters for laser cutting and drilling into rocks, metals and cement typically used in the oil industry. This study had as objective to characterize laser cuts in steel plates. An attempt to establish a correlation between the morphology of the cut and the burrs with operating parameters such as power density and position of the focal point. The study was developed for the SAE 1020 steel with and without rocky bulkhead (Travertine). Also, the changes in the microstructure of adjacent regions of duplex steel in 2205 for different ranges of power density were assessed and finally it was evaluated the use of laser cutting of stainless steel submerged in water. It follows that there is a burr formation, which increases as the power density decreases. On the other hand, the higher the power density, the greater is the extent of change in the steel microstructure. Cutting steel with rocky bulkhead opens new perspectives for the tool development with high power laser for well completion in the oil industry tool.

[pt] Com a implantação e disseminação de novos sistemas celulares,principalmente a partir dos anos 80, novas tecnologias foram desenvolvidas, o número de celulares cresceu de forma surpreendente, como conseqüência, o aumento de Estações Radio Base. É fato, também, que as pessoas, de modo geral, estão expostas às radiações emitidas pelas ERBs através de suas antenas. Como a população, a mais interessada na busca de respostas adequadas e convincentes, não tem qualquer controle sobre tais níveis, cabe as autoridades a preocupação maior em garantir que os níveis de exposição não sejam excedidos. A partir deste quadro preocupante a OMS estabeleceu em 1996 o International EMF Project para avaliar as evidências cientificas existentes sobre possíveis efeitos de campos eletromagnéticos à saúde,incluindo nestes os efeitos emitidos pelos próprios aparelhos celulares e por suas estações rádio-base. Este trabalho pretende contribuir no equacionamento desta questão, tão polemica e controversa. Iniciando com a evolução do número de celulares no Brasil, mostrando as funções básicas dos componentes de uma estrutura celular. No momento seguinte são mostrados alguns efeitos biológicos relacionados à radiação não-ionizante pesquisados na literatura. Tais efeitos, polêmicos e controversos, são amplamente discutidos por especialistas de diferentes linhas de pesquisa. O trabalho mostra, também, os resultados de uma campanha de medidas com as densidades de potência obtidas através de duas metodologias. Inclui, também, conceitos e características de percepção de risco e alguns resultados da pesquisa qualitativa de campo. Ao final são apresentadas as conclusões e sugestões para trabalhos futuros relacionados ao tema. / [en] With the implantation and spread of new cellular systems, mainly starting from the eighties, new technologies were developed, the number of cellular grew in a surprising way, as consequence, the Base Stations increased, too. The people, in general, are exposed to the radiations emitted by ERBs antennae. As the population doesn't have any control on such levels, people are always looking for appropriate and convincing answers. So, the authorities are concerned in guaranteeing that the exposition levels are not exceeded. Based on preoccupying issue, the World Health Organization (WHO) established in 1996 International EMF Project to verify the scientific evidence of possible health effects of Electromagnetic Field. This work intends to contribute in the set out of this controversial subject. At first, the cellular number evolution in Brazil is presented. In addition, the basic cellular structure components functions are described. The following topic presents some biological effects related to the non-ionizing radiation are presented according to the literature. Such controversial effects are discussed thoroughly by specialists of different research lines. This work also shows the power densities results obtained through two methodologies. Afterwards, concepts, risk perception characteristics and some results from a qualitative research are presented. At the end, the conclusions and suggestions for future works related to the same theme are shown.

[pt] Neste trabalho, os limites atuais de densidade de fluxo de potência do Artigo 21 do Regulamento de Radiocomunicações da UIT para sistemas não-GEO operando na banda 3.7-4.2 GHz são analizados. Estes limtes visam proteger os receptores do Serviço Fixo Terrestre, operando na mesma faixa de frequência, das interferências produzidas por sistemas de satélites não geoestacionários. A análise foi motivada pela Resolução 157 [1] da Conferência Mundial de Radiocomunicações de 2015, que reconheceu a necessidade de uma revisão do Artigo 21 para que sistemas não-GEO possam operar nestas faixas de frequências assegurando, ao mesmo tempo, que os serviços primários existentes continuem protegidos. Na análise, cinco estruturas de constelações de satélites não-GEO do tipo Walker Delta, adequadamente escolhidas, foram consideradas. Resultados mostraram que os atuais limtes de pfd podem impor restrições indevidas aos sistemas não-GEO operando nesta faixa. Assim, uma metodologia para investigar uma máscara limitante de pfd mais adequada é apresentada. A aplicação desta metodologia leva a uma máscara alternativa que se aproxima dos limites atuais de pfd para satélites geoestacionários quando o número de satélites no sistema interferente não-GEO é igual a um. Uma avaliação da máscara de pfd proposta mostra que ela não impõe restrições desnecessárias aos sistemas de satélites não-GEO. Isto, junto a outros fatos, indica que os limites de pfd propostos são, de fato, muito mais adequados do que os atuais. / [en] In this work, the current power-flux density limits in Article 21 of the ITU-R Radio Regulations for non-GSO systems operating in the 3.7-4.2 GHz band are analyzed. These limits aim the protection of Fixed Service receivers, operating in the same frequency band, from the interference produced by non-GSO satellite systems. The analysis was motivated by Resolution 157 [1] of the World Radiocommunication Conference 2015, that recognized the need for a revision of Article 21 with a view to enabling non-GSO systems to operate in these FSS frequency bands while ensuring that existing primary services are protected. In the analysis, five different Walker Delta type satellite constellation structures, adequately chosen, were considered. Results have shown that the current pfd limits may impose undue constraints to non-GSO systems operating in this band. Therefore, a methodology to investigate a more adequate pfd limiting mask is presented. The application of this methodology leads to an alternative mask that approaches the current pfd limits for the geostationary satellites when the number of satellites in the non-GSO interfering system is equal to one. An evaluation of the proposed pfd mask shows that it does not impose unnecessary constraints to the non-GSO satellite systems. This, along with other facts, indicates that the proposed pfd limits are, indeed, much more adequate than the current ones.

[pt] Umas das etapas mais complexas e críticas durante a construção de poços de petróleo é o processo de cimentação primária, definido como: O processo de instalação de cimento no anular entre o revestimento e a formação exposta ao poço [1]. Ela fornece isolamento zonal permanente para evitar contaminação ou migração de fluidos indesejáveis no anular, protege o revestimento da ocorrência de corrosão e fornece estabilidade hidráulica e mecânica para o revestimento ao longo da vida produtiva do poço de petróleo. Neste processo, ainda na etapa de perfuração, irregularidades na seção transversal (washouts) podem ser geradas como resultado de diversos colapsos parciais da seção do poço aberto em decorrência da presença de rochas pouco consolidadas da formação. Uma operação de cimentação primária bem sucedida dependerá se o sistema de fluidos espaçadores e a pasta de cimento deslocam de forma adequada e completa o fluido de perfuração do anular e washouts. Motivados por esse problema industrial, a presente dissertação usa um simulador numérico DNS (Direct Numerical Simulation) com o objetivo de analisar sistematicamente o comportamento hidrodinâmico e calcular a eficiência do deslocamento entre dois fluidos newtonianos miscíveis através de um anular contendo uma expansão seguida de uma contração abrupta. Investigamos como diferentes viscosidades e densidades dos fluidos, um injetado e outro deslocado, a miscibilidade entre eles, a taxa de injeção e a dimensão do washout retangular afetam o escoamento bifásico. Consideramos uma geometria axissimétrica durante processos de deslocamentos verticais, e as equações governantes são resolvidas em coordenadas cilíndricas, permitindo investigar diferentes aberturas anulares. Devido à miscibilidade entre os fluidos, nossos resultados preveem eficiências de deslocamento altíssimas, próximas a 100 Fluidos não-newtonianos são usualmente utilizados durante o processo industrial de cimentação primária de poços de petróleo. Contudo, as altas eficiências de deslocamentos encontradas em nossos resultados motivam estudos futuros sobre a influência da miscibilidade em deslocamentos de fluidos complexos. Estes resultados também motivam o uso de fluidos espaçadores para tentar controlar as propriedades de interface. Desta forma, é possível que a utilização de sistemas que se aproximem das condições reológicas e hidrodinâmicas de deslocamento entre fluidos newtonianos miscíveis poderá contribuir para um aumento da eficiência de deslocamento e, consequentemente, otimizar o processo de deslocamento de sistemas de fluidos, tendo em vista melhorias na integridade da cimentação de poços de petróleo. / [en] One of the most complex and critical stages during the construction ofoil wells is the primary cementing process, defined as the process of installingcement in the annulus between the casing and the exposed formation to thewell [1]. Primary cementing provides permanent zonal isolation to preventcontamination or migration of unwanted fluids in the annulus, protects thecasing from corrosion, and provides hydraulic and mechanical stability forthe casing throughout the productive life of the oil well. In this process,during the drilling stage, irregularities in the cross-section (washouts) can begenerated because of various partial collapses of the open wellbore section dueto the presence of poorly consolidated rocks in the formation. A successfulprimary cementing operation will depend on whether the spacer fluid systemand cement slurry adequately and completely displace the drilling fluid fromthe annulus and washouts.Motivated by this industrial problem, the present dissertation uses aDirect Numerical Simulation (DNS) numerical simulator to systematically analyze the hydrodynamic behavior and calculate the displacement efficiency between two miscible newtonian fluids through an annulus containing an expansion followed by an abrupt contraction. We investigate how different viscositiesand densities of the injected and displaced fluids, their miscibility, injectionrate, and the dimension of the rectangular washout affect the two-phase flow.We consider an axisymmetric geometry during vertical displacement processes,and the governing equations are solved in cylindrical coordinates, allowing theinvestigation of different annular clearances. Due to the miscibility betweenthe fluids, our results predict very high displacement efficiencies, close to 100Non-newtonian fluids are commonly used during the industrial processof primary cementing of oil wells. However, the high displacement efficienciesfound in our results motivate further studies on the influence of miscibilityin displacements of complex fluids. These results also encourage the use ofspacer fluids attempting to control the interfacial properties. Therefore, the useof systems that approximate the rheological and hydrodynamic conditions ofdisplacement between miscible newtonian fluids may contribute to an increasein displacement efficiency and, consequently, optimize the displacement processof fluid systems, aiming at improvements in the integrity of well cementing.