[pt] Este trabalho apresenta um modelo matemático completo e a implementação de um sistema computacional para a simulação do escoamento em um hidrociclone, que leva em conta o núcleo de ar como uma superfície livre, caracterizando esta interface livre formada como do tipo Young-Laplace. Pelas características do escoamento foi considerada a difusão turbulenta, que foi necessário acrescentar para poder ajustar bem o modelo aos dados experimentais. São aproximados os campos de velocidades e pressões, assim como a forma e localização da interface, esta através de um método lagrangeano. Neste método utiliza-se uma malha lagrangeana para caracterizar a interface livre e uma malha euleriana para calcular os campos de velocidades e pressões no escoamento através do método dos volumes finitos. O ajuste da interface é feita através de um processo iterativo. São feitas simulações numéricas e são mostradas comparações das previsões teóricas com dados experimentais que validam o modelo. / [en] The present work is realted to the mathematical modeling and computacional simulation of flow through hydrocyclons. The present model assumes the air core being a free surface of Young-Laplace type. As the characterisctic of the flow suggests, the model considers a turbuleny diffusion, this fact is essential to have a good agreement with experimental data. The velocity and pressure with the shape and localization of the interface are approzximated. For the above approximation a langrangian grid is used to characterize the free interface, and an eulerian grid for calculating the velocity and pressure fields thorough a finite-volume method. The approximation of the interface is achieved using an iterative procedure. An extensive comparison of model predictions against experimental data is presented together with some numerical results.

[pt] A detecção da fluorescência de corantes poteciométricos aplicados em tecidos excitáveis vem sendo utilizada não somente para a realização de estudos da propagação da frente de onda da excitação elétrica tecidual, como também na análise dos diferentes parâmetros eletrofisiológicos caracterizados pela morfologia do potencial de ação óptico. Apesar dos avanços no desenvolvimento de sistemas de detecção, o compromisso entre taxa de amostragem temporal, sensibilidade, resolução espacial e campo de visão na técnica de mapeamento óptico frequentemente acarreta um potencial de ação medido experimentalmente que não corresponde à resposta elétrica de uma única célula, mas à soma da atividade elétrica de várias células adjacentes. Consequentemente, a análise e interpretação de estudos quantitativos de parâmetros eletrofisiológicos da ativação elétrica tecidual, comparando o potencial de ação óptico com o potencial de ação de uma única célula, como o obtido por medição intracelular utilizando microeletrodo, podem ser afetadas pelo efeito de integração espacial do detector óptico. Adicionalmente, o potencial de ação óptico e a visualização da propagação da atividade elétrica podem ser distorcidos por mapas ópticos cuja resolução temporal da aquisição seja inadequada. Neste trabalho, por meio de simulações matemáticas, mapeamento óptico e processamento de sinais, foram estudados os impactos na configuração do potencial de ação óptico associados à resolução espacial e temporal utilizada na detecção da fluorescência em resposta à ativação elétrica tecidual em corações isolados. / [en] Fluorescence studies using potentiometric dyes to optically measure the action potential of cardiac cells constitute an important tool to better understand the electrophysiology of the heart. However, in many experimental setups, the finite sensing area of optical detectors cannot be neglected. As a consequence, the detected fluorescence signal may effectively correspond to the sum of the electrical activity of a group of adjacent cells, and variations observed in the fluorescence signal may be strongly influenced by the spatial resolution of the optical instrumentation employed in the experiment. In addition, the optical action potential and the visualization of its propagation may be distorted by inadequate temporal resolution when recording optical maps. In this work, we present simulated and experimental studies demonstrating the effects of both temporal and spatial resolutions of the fluorescence detection system on electrophysiological parameter estimates obtained from optical action potential recordings. The analysis of the influence of the spatial and temporal resolutions of the optical fluorescence mapping detection system on the optical action potential morphology were performed by means of experimental optical mapping recordings, action potential simulations, and digital processing of the simulated and experimental signals.

[pt] A demanda por asfaltos vem crescendo fortemente no Brasil por conta do ciclo vigoroso de expansão e recuperação de obras viárias de novos empreendimentos em rodovias, portos e aeroportos, que compõem o PAC – Programa de Aceleração do Crescimento. Neste cenário, a otimização da distribuição de asfaltos faz-se necessária para garantir o abastecimento do produto no país. Diante deste contexto, foi desenvolvido um modelo de programação linear que permite avaliar as alternativas de atendimento ao mercado de asfaltos, considerando minimizar os custos operacionais envolvidos na entrega aos polos de venda, a partir das refinarias produtoras. O modelo proposto foi aplicado em um estudo de caso que considerou a necessidade da criação de um novo polo de venda, em complemento aos polos atualmente existentes. O resultado obtido permite fundamentar a tomada de decisão na escolha da alternativa que garanta o atendimento ao mercado do país com o menor custo. / [en] The demand for asphalt has been growing strongly in Brazil because of the vigorous cycle of expansion and recovery of roadworks and new projects in roads, ports and airports which comprises the PAC - National Growth Acceleration Program. Given this context, the optimization of asphalt distribution is needed to ensure the supply of the product in the country. In this context, we propose a linear programming model that allows to evaluate alternative services for the asphalt market, considering the minimization of operational costs involved in delivering asphalt from the refineries to the selling locations. The proposed model was evaluated through a case study that addressed the need of creating a new center for delivery, in addition to the currently existing poles. Results obtained were able to support the decision making in choosing the alternative that ensures compliance with the country s market at the lowest cost.

[pt] Este trabalho apresenta os resultados de um modelo matemático proposto para a carbocloração de pentóxido de nióbio com uma corrente de cloro gasoso em presença de carbono sólido como agente redutor. O modelo é baseado na equação de conservação de massa unidimensional em regime transitório. Soluções desta equação, acompanhada das condições de contorno e inicial, foram obtidas através do método de diferenças finitas. Uma análise estatística por distribuição t-student, dos valores obtidos utilizando o modelo de otimização Nelder e Mead, foi empregado neste estudo. O modelo representa resultados obtidos experimentalmente em um estudo anterior, referentes à conversão do pentóxido de nióbio em pentacloreto de nióbio gasoso por meio de um programa computacional para PC utilizando a linguagem Visual Basic for Applications (VBA). Os resultados experimentais apresentam uma boa concordância com os obtidos com o modelo e permitem representar de forma satisfatória o mecanismo reacional observado, incorporando os efeitos das variáveis envolvidas. Foram ainda determinadas a constante cinética e a difusividade efetiva para as diferentes variações de teor de carbono e porosidade nas temperaturas de 700 graus Celsius e 800 graus Celsius, para um fluxo de gás e altura da amostra constante. Observou-se que a melhor conversão do pentóxido de nióbio (96,5 por cento) obtém-se para 800 graus Celsius, 28 por cento de porosidade e 9 por cento de carbono. O tipo de controle é por difusão. / [en] This study presents the results of a mathematical model proposed for carbochlorination of niobium pentoxide under a stream of chlorine gas in the presence of solid carbon as reducing agent. The model is based on one-dimensional unsteady state regime considering kinetic, diffusion and mass conservation. Solutions for this equation, associated with initial and boundary conditions were obtained using the method of finite differences. In this study, the Nelder and Mead optimization model was used and t-Student’s statistics was applied for goodness of fit analysis. The data obtained experimentally in a previous study, concerning the conversion of niobium pentoxide into niobium pentachloride gas, was processed using a computer software written for an Excel platform on Visual Basic for Applications (VBA). It was found that the experimental results were in accordance with the models outputs, allowing satisfactory representation of the observed reaction mechanism, incorporating the effects of the intervening variables. It was also determined the kinetic constant and the effective diffusivity for the different levels of carbon content and porosity, at temperatures of 700 Celsius degrees and 800 Celsius degrees for a specified gas flow and sample height. It was observed that the best conversion of the niobium pentoxide (96.5 per cent) is obtained at 800 Celsius degrees for 28 per cent porosity and 9 per cent carbon, for diffusion control.

[pt] A indústria de minério de ferro tem importante papel na melhoria das condições de vida da população mundial por ser o principal insumo à produção de aço que, por sua vez, é o material mais utilizado e com as mais variadas aplicações no mundo. Neste contexto, é de suma importância o desenvolvimento tecnológico das empresas de mineração no âmbito de produzir seus minérios com mais qualidade, em maior escala e com menores custos para o benefício de toda a cadeia. Foi desenvolvido neste trabalho um modelo de medição do Valor em Uso de cargas metálicas no processo de Alto-Forno, que é a rota mais importante e responsável por 94 por cento da produção mundial de ferro primário. Os resultados do modelo desenvolvido foram validados com dados reais de 23 Altos-Fornos de 7 países, os quais possuem práticas operacionais distintas. Este modelo apresentou um desvio médio de 4 por cento entre os resultados obtidos e os dados de operação. O estudo de caso para cálculo de Valor em Uso foi realizado focando um dos 23 Altos-Fornos, operando com uma distribuição de carga metálica composta de sínter, pelota e lump, similar à média mundial. A proporção de pelotas na carga metálica foi variada de 17 a 50 por cento. Em um dos cenários avaliados, a adição de valor no processo siderúrgico, advinda desta variação, foi de 4,6 por cento na margem de contribuição, e de 2,1 por cento na produtividade do Alto-Forno. Caso este ganho em valor fosse transferido ao preço do insumo pelota de minério de ferro, este poderia ser acrescido em 11 por cento. Os resultados obtidos evidenciam o quão importante é o desenvolvimento das ferramentas de análise de Valor em Uso para uma maior explicitação dos ganhos ou perdas proporcionados pelos diferentes tipos de minérios de ferro. Além disso, a análise de Valor em Uso demonstrou estar relacionada com as condições específicas do mercado e dos acordos comerciais estabelecidos e, sem dúvida, se constitui numa poderosa ferramenta para o desenvolvimento das indústrias de minério de ferro e aço. / [en] As steel is the most utilized and applied material in the world the iron ore industry has a very important role to society on improving human beings life conditions. It is of single importance the technological development of iron ore companies on producing higher quality materials, in larger scales and at lower costs creating value to the whole. It was developed an iron ore burden Value In Use assessment model for the Blast Furnace process which is responsible for producing 94 percent of all iron in the World. The outputs from the model were cross checked with real operational data of 23 Blast Furnaces with distinct practices, from 7 countries. The model exhibited an average deviation achieved was of 4 percent between the calculated outputs and the operational data set. For the case study one out of the 23 Blast Furnaces was chosen due its world average equivalent burden distribution in terms of sinter pellets and lump to perform an iron ore Value In Use assessment. Scenarios were built with pellet participation in the metallic burden varying from 17 to 50 percent, achieving 4,6 percent gains in the contribution margin and 2,1 percent incremental BF productivity in one of the scenarios. If all this gain is reverted to the pellet price, it could be increased by 11 percent. The obtained results show how important the development of Value In Use analysis tools are as to revel true gains or losses from each iron ore type to the process. Further Value In Use analysis is an important tool to mining and steel industries and is always made against one reference case, relating it to a specific market and commercial conditions being applied to a single operation.

[pt] Gás Natural Liquefeito (GNL) vem sendo transportado desde 1959 em navios metaneiros, elos essenciais na movimentação do GNL entre as locações de produção e consumo. Este trabalho apresenta modelagens para: (i) mecânica do derrame e espalhamento de fluido criogênico no mar, decorrente de punção no casco desses vasos, e (ii) subsequente incêndio de difusão turbulenta. A revisão bibliográfica contempou seis décadas, e não foram encontradas evidências de que os temas, espalhamento criogênico e incêndio da poça com difusão turbulenta, tivessem sido tratados em único trabalho. Essa lacuna foi identificada, e os assuntos foram acoplados de forma inédita e implementados em dois códigos computacionais. O derrame/espalhamento é modelado com formulação integral conservativa, tendo como parâmetros a área do rasgo, área máxima da poça derramada e tempos de descarga e vaporização do criogênico no mar. O escoamento foi modelado com rasgos de 1 a 100 m(2) coerentes com a indústria de GNL, formando poças semicirculares. A modelagem da pluma térmica contempla poças circulares entre 10 e 500 m de diâmetro, bem como zonas de combustão e intermitência da pluma térmica. Provê esquema consistente e robusto para o desenvolvimento de parâmetros adimensionalizados de escala, possibilitando correlacionar e extrapolar o comprimento da pluma visível, com a inclinação e o arrasto da mesma, com o poder emissivo de sua superfície e a vazão mássica de vaporização do combustível criogênico na poça. Avalia também: (i) a variação axial do poder emissivo com a altura da pluma visível, (ii) a queima do combustível ao longo da zona luminosa (base do incêndio), e (iii) o transporte de radiação térmica emitida por gases cinza e partículas de fuligem na zona de combustão, considerando a emissão e absorção nas regiões oticamente fina e espessa da pluma térmica. / [en] Liquefied Natural Gas (LNG) has been carried since 1959 in methane carriers, which are the essential link in the movement of LNG between the locations of production and consumption. This thesis presents modeling to: (i) the fluid mechanics of spills/scattering at sea of a cryogenic fluid, due to puncture the hull of these vessels, and (ii) the subsequent burning of the pool by turbulent diffusion fire. The literature review contemplated six decades, and no evidence was found that the themes such as scattering of cryogenic pool followed by turbulent diffusion fires were treated in a single work. This gap was identified, and the subjects were connected in an unprecedented manner and implemented in two computer codes. The spill/scattering is modeled with conservative integral formulation, having as parameters the area of maximum pool poured on the sea and unloading and vaporization times of cryogenic. The flow was modeled with tears between 10 and 100 m(2), consistent with the LNG industry, forming semicircular pools. The modeling of the fire thermal plumes considers circular pools with diameters varying between 10 and 500 m, and combustion and intermittency zones of the thermal plume. Provides a consistent and robust scheme for the development of dimensionless scale parameters, allowing to correlate and extrapolate the length of the visible plume, with the its tilt and drag, its surface emissive power and with cryogenic fuel vaporization mass flow rate in the pool. It also evaluates: (i) the axial variation of emissive power with height of the visible plume, (ii) the burning of fuel along the luminous zone (the base of the fire), and (iii) the transport of thermal radiation emitted by gray gases and soot particles within the combustion zone, considering the emission and absorption in optically thin and thick regions of the thermal plume.

[pt] Problemas de geração de grades horárias visam agendar eventos a fim de satisfazer demandas, ao mesmo tempo que satisfazem restrições adicionais. Uma solução é boa se todas as grades horárias resultantes são aceitáveis para todas as pessoas e recursos envolvidos. Para a geração de grades horárias escolares, um número conhecido de aulas, envolvendo estudantes, professores e salas de aula, deve ser agendado ao longo da semana, enquanto limitações operacionais, institucionais, pedagógicas e pessoais devem ser satisfeitas. A alta dificuldade do problema tem levado muitos pesquisadores a trabalhar em abordagens de resolução para o mesmo desde o início dos anos 60. Encontrar uma solução aplicável em um cenário do mundo real implica em satisfazer vários requisitos de qualidade e em não ignorar questões políticas, o que torna o problema clássico muito mais intrincado. Este trabalho descreve uma abordagem baseada em programação inteira mista (MIP) desenvolvida para resolver um problema real de geração de grades horárias escolares e discute ideias e desafios encarados durante a fase de implantação da solução em algumas escolas brasileiras. Em contraste com outros trabalhos na área, o compartilhamento de professores entre diferentes unidades de uma escola é considerado. Experimentos computacionais foram realizados para cenários cujo número de unidades varia de 2 a 15, o número de professores de 35 a 471, e o número de turmas de 16 a 295. Diferentes estratégias foram combinadas, visando a convergência da procura por boas soluções. Por fim, os resultados são avaliados e as melhores abordagens são destacadas. / [en] Timetabling problems look to schedule meetings in order to satisfy a set of demands, while respecting additional constraints. In a good solution the resulting timetables are acceptable to all people and resources involved. In school timetabling, a given number of lectures, involving students, teachers and classrooms, need to be scheduled over the week, while having to satisfy operational, institutional, pedagogical and personal restrictions. The difficulty of the problem has driven many researchers to work on solving approaches for it since the early 1960 s. Finding an actual solution to a real world scenario implies satisfying many quality requirements and not ignoring the political issues, which turns the classical problem much more intricate. This work describes an approach based on mixed integer programming (MIP) developed for solving a real-world school timetabling problem and discusses ideas and issues faced during solution deployment phase for some Brazilian schools. In contrast to other works on school timetabling, teaching staff sharing between distinct school units are considered. Computational experiments were performed for scenarios whose number of school units varies from 2 to 15, number of teachers varies from 35 to 471 and number of classes varies from 16 to 295. Different strategies were combined aiming at converging to good solutions. Finally, results are evaluated and the best approaches are highlighted.

[pt] Os sistemas metroviários desempenham um importante papel no transporte de passageiros nos grandes centros urbanos por sua alta capacidade de transporte, seu baixo índice poluente e por serem relativamente livres de congestionamentos. O headway - intervalo entre os trens – é uma importante variável no planejamento do serviço pois influencia na capacidade oferecida e no custo de operação. Este trabalho desenvolve um modelo de simulação de eventos discretos aplicado na análise da estrutura, capacidade e funcionamento da Linha 4 do sistema metroviário do Rio de Janeiro, sendo realizados experimentos com diferentes tempos de headway de forma a medir e avaliar o desempenho do sistema no atendimento à demanda prevista. Desenvolve-se um modelo de programação linear inteira mista (MIP) com o objetivo de encontrar valores ótimos de headway para a sua operação. Os modelos consideram as restrições de capacidade dos trens, tempos de deslocamento e a demanda dinâmica dos passageiros em cada estação. São utilizados dados do Estudo de Demanda para a Linha 4 (FGV, 2011) com a previsão de demanda para o período de pico da manhã do ano de 2016. O trabalho permite concluir que o dimensionamento da capacidade da Linha 4 do metrô atende com eficiência a demanda projetada para o ano de 2016 e que os modelos de simulação e otimização desenvolvidos podem ser adaptados e utilizados no apoio ao planejamento e operação de outros sistemas metroviários. / [en] Subway systems play an important role in passenger transportation in large urban centers due to their high transport capacity, low pollutant content and for being relatively free of traffic congestion. The headway - intervals between trains – is an important variable in service planning because it influences the capacity offered and cost of operation. This work develops a discrete event simulation model applied in the analysis of the structure, capacity and operation of Line 4 of the Rio de Janeiro subway system. Experiments with different headway times are performed in order to measure and evaluate the system performance in meeting the forecasted demand. A mixed integer linear programming model (MIP) is developed in order to find optimal headway values for its operation. The models consider the train capacity constraints, travel times contrainsts and the dynamic passenger demand at each station. Data from the Demand Study for Line 4 (FGV, 2011) are used with the demand forecast for the morning peak period of 2016. The work allows to conclude that the dimensioning of the capacity of the subway Line 4 efficiently meets the projected demand for the year 2016 and that the simulation and optimization models developed can be adapted and used to support the planning and operation of other metro systems.

[pt] É constante o desafio das refinarias de petróleo na busca pela maximização da rentabilidade diante da natureza dinâmica das variáveis que afetam seus processos, como: demanda e especificações de produtos, qualidade de carga e preços de matéria-prima e derivados. Com a expectativa de mudanças nestas variáveis, um planejamento estratégico integrado para definir as necessidades de investimento em novas unidades de processo e ampliação de capacidade de unidades existentes pode contribuir para os melhores resultados do negócio de refino. Em face destas oportunidades e desafios, este trabalho propõe uma análise do planejamento de investimentos em refino, considerando o crescimento da demanda de diesel com ultra baixo teor de enxofre (S10) e também o crescimento plurianual da demanda de derivados, tendo como estudo de caso uma das maiores refinarias brasileiras. Como ferramenta de análise, foi utilizado um modelo matemático para planejamento integrado de refino de petróleo, que considera a otimização do planejamento operacional para definir as necessidades de investimento na refinaria, uma integração temporal, resultando em um modelo não linear inteiro misto (MINLP), cuja resolução utiliza uma lógica de decomposição em dois problemas integrados. Foi analisado o planejamento estratégico de refino, no horizonte de 19 anos e foram feitos vários cenários de demanda, com análises de sensibilidade para preços de petróleo e produtos, limite de importação e restrição de investimentos. Os resultados mostraram alinhamento com situação atual do mercado de derivados, com importação favorecida e com a expectativa de investimento mínimo em refino. / [en] It is a constant challenge for oil refineries the profitability maximization considering the dynamic nature of variables that affect their processes, such as demand and product specifications, feed quality and prices of raw materials and products. Expecting changes in such variables, an integrated strategic planning to define the needs for investment in new process units and capacity expansion of existing units can contribute to better results of the refining business. Given these opportunities and challenges, this dissertation proposes an analysis of refining investment planning, considering the increasing demand for ultralow sulfur diesel (S10) and also the multi-year growth of demand for oil products, performing a case study for one of the largest Brazilian refineries. As an analysis tool, it was used a mathematical model for integrated planning of oil refining, which considers the optimization of operational planning to set the investment needs in the refinery, a temporal integration, resulting in a mixed integer nonlinear model (MINLP), which resolution is based on a logic decomposition in two integrated problems. The strategic refining planning was analyzed on the 19 years horizon for different demand scenarios and some sensitivity analyses were carried out for oil and product prices, import limit and investment restrictions. The results were consistent with the current situation of the Brazilian derivatives market, characterized by favorable import and the minimum investment expected for refining.

[pt] A logística humanitária visa salvar vidas e aliviar o sofrimento em desastres. Além disso, suprimentos humanitários são itens essenciais para a sobrevivência humana (como exemplo, água e alimentos) e sua falta pode causar grande impacto. No entanto, os recursos disponíveis podem não ser suficientes para atender a demanda dos beneficiários. O custo de privação quantifica o sofrimento causado as vítimas de desastres pela falta desses itens. Assim, este trabalho objetiva analisar o efeito da inclusão dele na gestão de estoque de suprimentos de alívio a desastres. Para alcançar o objetivo proposto, a pesquisa analisa o estado da arte da modelagem deste custo por meio de uma revisão sistemática da literatura acadêmica. Um modelo de gestão de estoque considerando custos de privação é então formulado como um modelo estocástico de dois estágios. Ademais, as diversas funções de custo de privação encontradas na literatura são analisadas. Finalmente, o modelo é validado empiricamente através de dois estudos de caso. Os resultados sugerem que a escolha da função de privação pode impactar em até 99,9 por cento de diferença nos custos totais da gestão de estoques. O nível de atendimento gerado também possui uma alta amplitude quando as diferentes funções de privação encontradas na literatura são comparadas. Conclui-se que as funções geram níveis de atendimentos distintos, cabendo aos tomadores de decisão escolher qual se adequa melhor ao problema estudado. Como contribuição prática, destaca-se que o modelo de gestão de estoque considerando o custo de privação proposto pode auxiliar os tomadores de decisão e reduzir o sofrimento das pessoas atingidas por desastres. Como contribuição acadêmica, o estudo analisa e compara as principais funções de privação propostas na literatura, o que pode auxiliar a proposição de novas modelagens. / [en] Humanitarian logistics aims to save lives and alleviate human suffering in disasters. Furthermore, humanitarian supplies are essential items for humanity (such as water and food), and their lack can have a great impact. However, the available resources may not be enough to meet the beneficiaries needs. The deprivation cost quantifies the suffering caused to disaster victims by the lack of these items. Thus, this paper aims to analyze the effect of including deprivation costs in disaster relief supplies inventory management. To reach the proposed goal, the research analyzes the state of the art of its modeling through a systematic review of the academic literature. An inventory management model considering deprivation costs is then formulated as a two-stage stochastic model. Furthermore, the various deprivation cost functions found in the literature are analyzed. Finally, the model is empirically validated through a two case studies. The results suggest that the choice of the deprivation function can impact up to a 99.9 per cent difference in the total costs of inventory management. The service level generated also has a high amplitude when the different functions are compared. It is concluded that the functions generate different service levels, and it is up to the decision-makers to choose which one best suits the studied problem. As a practical contribution, we highlight that the proposed inventory management model considering the cost of deprivation may help decision-makers and reduce the suffering of people affected by disasters. As an academic contribution, the study analyzes and compares the main deprivation functions proposed in the literature, which can help to propose new models.