[pt] Esta tese é focada em jogos sérios que simulam situações realistas. O objetivo destes jogos vai além do mero entretenimento para outras áreas, tais como treinamento, por exemplo. Como algumas áreas da Ciência da Computação já fornecem métodos e ferramentas para a simulação de situações realistas, é altamente desejável que possamos usá-los neste tipo de jogos sérios. Esta tese introduz um novo framework no qual técnicas de simulação oriundas de diferentes áreas, tais como modelagem e simulação, sistemas de informação geográfica e sistemas multi-agentes, podem ser integradas em uma arquitetura de jogos sérios. A solução proposta resultou na concepção de um novo paradigma para modelagem de simulações chamado de simulação orientada a processos, que combina aspectos diferentes dos paradigmas mais tradicionais de simulação orientada a objetos e simulação orientada a agentes. A ideia principal da simulação orientada a processos é a separação entre o estado e o comportamento das entidades envolvidas na simulação. Esta característica favorece a modularização de comportamentos complexos e a integração em uma única simulação de diferentes modelos de simulação que interferem entre si. Baseado no paradigma de simulação orientada a processos, foi desenvolvida uma extensão do conhecido formalismo de simulações DEVS, chamada Process-DEVS, para a modelagem de simulações baseadas em eventos discretos. Alguns formalismos, tais como workflows e processos em espaços celulares, foram mapeados para o Process-DEVS e testados na implementação de dois sistemas: um jogo de treinamento e um sistema de planejamento de contingência, ambos projetados para a indústria de gás e petróleo. / [en] This thesis focuses on serious games that simulate realistic situations. The objectives of such games go beyond mere entertainment to fields such as training, for example. Since other areas of Computer Science provide methods and tools for simulating and reasoning about real situations, it is highly desirable to use them in this kind of serious games. This thesis introduces a new framework on which simulation techniques from different areas, such as modeling and simulation, geographic information systems and multi-agent systems, can be integrated into a serious game architecture. The proposed solution resulted in the conception of a novel simulation modeling paradigm, named process-oriented simulation (POS), which combines different aspects of the more traditional object-oriented simulation (OOS) and agent-oriented simulation (AOS) paradigms. The main idea of POS is the separation between state and behavior of the entities involved in the simulation. This characteristic favours the modularization of complex behaviors and the integration of different and interfering simulation models into a single simulation. Based on the POS paradigm, a discrete-event simulation formalism named Process-DEVS was developed as an extension of the well-known DEVS simulation formalism. Some formalisms, such as workflows and cell space processes, were mapped to Process-DEVS and tested in the implementation of two systems: an emergency training game and a contingency planning system, both designed for the oil and gas industry.

[pt] Tubulações industriais são a maneira mais segura, rápida e econômica de se transportar diferentes produtos, principalmente aqueles relacionados com a industria do petróleo. Essas tubulações sempre envolvem altos investimentos financeiros sendo, portanto, fundamental a garantia de um funcionamento contínuo, com o mínimo de interrupções. Para isso são usados Pigs. Pigs são dispositivos utilizados com muita frequência e com várias finalidades, tais como limpeza e desobstrução de tubulações, retirada de água, vedação de linhas, separação de diferentes produtos, remoção de condensado, inspeção e em testes hidrostáticos. O modelo aqui desenvolvido utiliza as equações unidimensionais da conservação de massa e da quantidade de movimento linear, para simular o movimento transiente do fluido. A equação de conservação de quantidade de movimento para o Pig é resolvida simultaneamente. Uma equação auxiliar para prever a vazão de fluido através do by-pass é proposta e acoplada ao sistema. Vários casos típicos são estudados, obtendo-se excelentes resultados. / [en] Industrial pipelines are the safest, fastes and the most economical way to transport a large range of products, mostly those related to the oil industry. Pipeline systems are usually associated with huge financial investiments, being of fundamental importance to sustain their continuous operation, and maintainning them, reducing the number of interruptions or accidents at a minimum level. To accomplish that, pigs are used. Pigs are devices frequently used for many different purposes, a few of them are clemaming and dewatering a pipeline, sealing of a papeline, transport of different products, inspection and hydraulic tests all of them being accomplished without the interruption of the production lines. The developed model uses the unidimensional conservation equation of mass and linear momentum to simulate the transient movement of the fluid. The conservation of linear momentum of the Pig is also solved, Auxiliary equation to predict the by-pass flow is also incorporated into the system. several special cases are studied with very good results.

[pt] No presente trabalho, é desenvolvido um modelo matemático para a simulação do processo de liquefação de gás natural APCI C3MR com dois estágios. O primeiro estagio consta de um ciclo de pré-resfriamento por compressão de vapor, com propano como refrigerante, o qual reduz aproximadamente até -35 ºC a temperatura do gás natural, em quatro níveis de pressão. No segundo estagio para a liquefação de gás natural o ciclo de compressão de vapor tem como refrigerante uma mistura composta de nitrogênio, metano, etano e propano. Nos dois estágios os evaporadores trabalham em três diferentes níveis de pressão. Os evaporadores do ciclo de pré-resfriamento são usados como condensadores para o ciclo de liquefação. Para os dados de entrada da simulação foi considerado o projeto da Planta de Liquefação de Gás Natural Pampa Melchorita, no departamento de Ica, ao sul de Lima, Peru, com produção prevista de 4,7 MTPA. As propriedades da mistura de refrigerante e do gás natural foram calculadas a partir do programa REFPROP, desenvolvido no NIST, EUA. Dos valores obtidos das propriedades termodinâmicas construírem-se equações de ajustes que foram utilizadas no modelo matemático. O sistema de equações algébricas não-lineares foi resolvido em plataforma EES. / [en] In the present work a mathematical model for the simulation the APCI C3MR process for natural gas liquefaction, in two vapor compression refrigeration stages, is presented. In the first stage, with propane as the working fluid, the temperature of natural gas is reduced to -35 ºC. The second stage uses a mixture of nytrogen, methane, ethane and propane as refrigerant. The evaporators of the pré-cooled cycle are used as condensers for the liquefaction cycle. The mathematical model is formed by the mass and energy conservation equations, applied to adequate control volumes, and by the thermodynamic properties equations, from the computational package REFPROP, developed by NIST, USA. A computational program was developed in platform EES, to solve the resulting non-linear system of algebraic equations. As input for the program, data from an existing NG liquefaction plant in Pampa Mechorita, south of Lima, Peru, were used.

[pt] Neste trabalho, a propagação de sólitons em fibras óticas é analisada através de simulação numérica da equação não linear de Schrödinger, a qual descreve a propagação de pulsos óticos em fibras monomodo do tipo degrau. Uma vez que soluções analíticas para esta equação só podem ser obtidas em alguns casos específicos, implementaram-se dois métodos numéricos, possibilitando a análise da evolução de diferentes formas de pulsos incidentes ao longo de fibras com propriedades diversas de atenuação, dispersão e não linearidades. O método da propagação de Raios, cujo desempenho mostrou-se superior ao do método da série de Fourier, foi o escolhido para a obtenção dos resultados aqui apresentados. Várias características do sóliton fundamental, dos sólitons de ordens superiores, dos sólitons escuros e do fenômeno da interação entre pulsos adjacentes são apresentadas e discutidas, levando-se em consideração as possíveis implicações no desempenho de sistemas óticos. Contrabalançando os efeitos da dispersão da fibra com os efeitos não lineares da automodulações de fase, o que permite sua propagação sem alteração de forma, os sólitons encontram potencial aplicação na transmissão de altas taxas a longas distâncias. / [en] In this work, soliton propagation in optical fibres is analysed by means of numerical simulation of the nonlinear Schrödinger equation, which governs optical pulse propagation in step-index monomode fibres. Since analytic solutions to this equation are admitted only for some specific cases, two numerical methods have been implemented in order to study the evolution of different kinds of input pulses, under the effects of attenuation, dispersion and nonlinearities. Showing a better performance than the Fourier Series Method in a comparative test, the Beam Propagation Method has been chosen to obtain the results here presented. Many characteristics of the fundamental, higher order and dark solitons, as well as interaction phenomena between adjacent pulses, are investigated, taking into account possible implications on optical systems performance. By properly counteracting the effects of fibre dispersion and nonlinearities, solitons can propagate without changing its shape, finding potential application in high bit-rate long distance optical communication systems.

[pt] Em uma simulação de reservatório convencional, geralmente o modelo de fluxo de fluido de uma área de interesse recebe mais atenção do que o modelo geomecânico. Nos estudos de fluxo, são analisadas as variações de pressão de poros, saturação de fluidos e temperatura no reservatório, resultantes da produção e injeção de fluidos durante a fase de explotação do campo. Porém, o comportamento mecânico da rocha também chamado, na indústria do petróleo, de efeito geomecânico é aproximado em uma simulação convencional de reservatórios através de apenas um único parâmetro mecânico: a compressibilidade da rocha, insuficiente para avaliar de maneira adequada, o efeito que a variação do estado de tensão nas rochas reservatório e adjacentes exercem sobre a pressão de poros no reservatório. Em função disso, um dos objetivos deste trabalho é analisar como a variação de propriedades das rochas e dos fluidos pode impactar na produção de hidrocarbonetos e na ordem de grandeza da compactação e subsidência. Outro objetivo igualmente importante é a criação de um fluxo de informações que permite estimar as propriedades mecânicas das rochas a partir de dados provenientes de perfilagem, de maneira a dar maior acurácia aos dados utilizados. Dessa forma, as análises feitas utilizaram a metodologia desenvolvida pelo GTEP/PUC-Rio, a qual permite que sejam feitas simulações parcialmente acopladas de duas vias entre o simulador de fluxo IMEX e o programa de análise de tensões CHRONOS. Os resultados obtidos permitiram concluir que o início da liberação de gás dentro do reservatório tem impacto não só na explotação de fluidos, como também na desaceleração do processo de compactação do reservatório. Além disso, mudanças de propriedades nas rochas adjacentes não geram comportamentos semelhantes de deslocamentos para todos os horizontes observados. / [en] In a conventional reservoir simulation, usually the fluid flow model of an area of interest receives more attention than the geomechanics model. In these studies, the pore pressure, fluid saturation and reservoir temperature variations resulting from the production and injection of fluids during the field exploitation phase are analyzed. However, less attention is given to the mechanical behavior of rock, also called geomechanical effects in the petroleum industry, which is approximated in a conventional reservoir simulation using only a single mechanical parameter: the compressibility of the rock, which is insufficient to adequately evaluate the effect that the variation of the stress state in the reservoir and in the adjacent rocks exerts on the pore pressure in the reservoir. Because of that, this work aims at analyzing how the variations of rocks and fluids properties may affect the production of hydrocarbons and the order of magnitude of compaction and subsidence. Another equally important objective is the creation of an information flow that allows the estimation of the mechanical properties of the rocks, based on log data, in order to give greater accuracy to the data used. Thus, the analyses were performed using a methodology developed by the GTEP / PUC-Rio, which makes it possible to perform two way partially coupled simulations between the conventional flow simulator (IMEX) and the stress analysis program (CHRONOS). The obtained results indicate that the initiation of the gas released inside the reservoir has an impact not only on the exploitation of fluids, but also on the deceleration of the reservoir compaction process. In addition, changes in the properties of adjacent rocks do not generate a similar displacement behavior for all observed horizons.

[pt] A simulação numérica de processos de combustão é uma ferramenta cada vez mais utilizada para o projeto, a análise e a otimização de turbinas, motores e fornos de combustão, entre outros. No entanto, um dos principais inconvenientes que limitam a descrição fiel da realidade de modelos de combustão é o esforço computacional necessário para a solução das equações de transporte das propriedades do escoamento reativo, como frações de massa das espécies químicas, que incluem um termo fonte não linear associado à lei de Arrhenius. A rigidez e a carga computacional relacionadas com a determinação deste termo domina o custo de simulações que empregam modelos detalhados da cinética química da combustão. Esta dissertação descreve um estudo cujo objetivo é reduzir tais custos mediante a utilização de uma técnica de tabulação automática da evolução termoquímica da mistura. Assim, este trabalho apresenta a discussão do estado da arte da técnica denominada tabulação adaptativa in situ, que exibe desempenho considerável em termos de tempo computacional, na determinação dos termos fontes químicos, e propõe uma modificação do algoritmo atrasando o início da tabulação, para evitar o armazenamento de composições existentes apenas no estado transiente da queima, as quais não são representativas do regime estatisticamente estacionário. Um estudo dos resultados obtidos, em um reator parcialmente agitado com CO/O2, mostra ganhos superiores a 95 por cento na altura da árvore binária utilizada para tabulação, isso se reflete no custo de armazenamento e na acurácia dos resultados. Uma análise do tempo computacional caracteriza situações em que a nova estratégia de tabulação pode levar à redução do mesmo, quando comparado com a estratégia original. Seu desempenho é confirmado pelo estudo do sistema químico CH4/ar. / [en] The numerical simulation of combustion processes is an important tool used for design, analysis and optimization of turbines, combustion engines and furnaces, among others. However, one of the major drawbacks that limit the faithful description of reality of combustion models is the computational effort required for the transport equations solution of reactive flow properties such as chemical species mass fractions, which include a nonlinear source term associated to the Arrhenius law. The stiffness and the computational burden related to the determination of such term, largely dominate the cost of simulations that employ detailed models of chemical kinetics combustion. This dissertation describes a study whose objective is to reduce these costs by using a of automatic tabulation technique of the mixture’s thermochemical evolution. Hence, this work presents a state of the art discussion of the technique named in situ adaptive tabulation – ISAT, which shows considerable performance in terms of computational time for the determination of the chemical sources terms, and proposes a modification in the algorithm by delaying the table start to avoid the storage of compositions that exist only in transient state, and which are not statistically representative of the stationary regime. A systematic study of the results in a partially stirred reactor with CO/O2, shows more than 95 per cent gains at the binary tree height used for tabulation, the gains are also optimistic in the storage demand and the results accuracy. A computational time analysis characterizes situations in which the new strategy tabulation could reduce it, when compared to the original algorithm. The strategy performance is confirmed by the study of the chemical system CH4/ar.

[pt] Neste trabalho foi feito um estudo investigativo sobre animação de fluidos utilizando sistemas de partículas. Baseado nas propostas apresentadas por Muller et al., esta dissertação objetiva investigar e compreender o uso do método Lagrangeano baseado em partículas, conhecido como Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH), para simulação de fluidos. A validação do método foi feita através da implementação de uma biblioteca capaz de animar fluidos a taxas interativas. Para testar a eficácia e eficiência do método, a biblioteca desenvolvida permite a instanciação de diferentes configurações, incluindo o tratamento de colisões do fluido com obstáculos, o tratamento da interação entre dois fluidos distintos e o tratamento de forças externas exercidas pelo usuário via um mecanismo de interação. / [en] This work investigates the use of particle-based system for fluid animation. Based on proposals presented by Müller et al., the goal of this dissertation is to investigate and fully understand the use of a Lagrangian method known as Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) for fluid simulations. A library has been implemented in order to validate the method for fluid animation at interactive rate. To demonstrate the method effectiveness and efficiency, the resulting library allows the instantiation of different configurations, including the treatment of fluid-obstacle collisions, interaction between two distinct fluids, and fluid-user interaction.

[pt] Em artigo publicado em 1986 no Journal of Finance, LYON Taming [35], John McConnell e Eduardo Schwartz desenvolveram um modelo para apreçamento do Liquid Yield Option Notes (LYON), um título que não contempla o pagamento de cupom, em que o investidor possui opção de venda e o direito de convertê-lo em um determinado número de ações do emissor que, por sua vez, possui opção de compra, na qual, assim como no caso da opção de venda, o ativo objeto é o próprio título. Como estão inerentes ao título opções e a conversibilidade, o alicerce teórico para a análise realizada pelos autores baseouse na teoria de apreçamento de opções, desenvolvida por Black e Sholes (1973) [6] e estendida por Merton (1973) [37]. McConnell e Schwartz assumiram as taxas de juros como determinísticas e dependentes somente do tempo. Em linhas gerais, o modelo por eles criado norteia-se na resolução da equação diferencial para um derivativo dependente de uma ação que distribui dividendo continuamente. O presente trabalho consiste na avaliação do título conversível LYON a partir da aplicação de três dos métodos mais modernos e eficientes para avaliação de derivativos: Método de Diferenças Finitas Implícito (DFI), Método dos Mínimos Quadrados de Monte Carlo (MQMC) e Método de Grant, Vora e Weeks (GVW). Assim, além de apresentar o modelo desenvolvido baseado no Método de Diferenças Finitas Implícito - que consiste na resolução da equação diferencial por aproximações das derivadas quando não há solução analítica para o problema, resultando em uma malha que representa valores do mesmo para cada instante de tempo e preço da ação do emissor discretizado no modelo-, pretendese avaliar a eficiência do Método de Simulação de Monte Carlo considerando suas sofisticações mais recentes aplicáveis ao apreçamento de derivativos, tais como os modelos MQMC e GVW, que apresentam boa aplicabilidade e versatilidade para o apreçamento de títulos como o em questão. Um grande desafio do trabalho encontra-se na aplicação destes modelos para a avaliação de um título com a complexidade do LYON, já que tanto o modelo MQMC quanto o GVW foram desenvolvidos pelos autores para o apreçamento de opções americanas tradicionais. Por sua simplicidade e aplicação aos problemas em finanças, conforme se pode observar nos trabalhos de Marins (2006) [33] e Frota (2005) [19], utilizou-se a técnica de Variáveis Antitéticas como técnica de aceleração de convergência nas adaptações dos modelos MQMC e GVW desenvolvidas. Embora outras técnicas também gerem um bom nível de eficiência, esta é uma das que comprovadamente reduz o tempo de processamento dos modelos de simulação, além de gerar melhorias significativas em termos de convergência, conforme também se pode observar nos trabalho de Marins e Frota. As demais técnicas de importância já reconhecida também são descritas brevemente no trabalho. Conforme afirmam McConnell e Schwartz (1986) [35], a utilização da taxa de juros como determinística não traz nenhum tipo de problema. Ramos (2005) [41] afirma também que os modelos de apenas um fator são considerados mais precisos, uma vez que a modelagem da taxa de juros como estocástica mostrou-se de importância secundária em diversos trabalhos já desenvolvidos neste sentido. Desta forma, serão aplicados os três métodos para apreçamento do derivativo considerando como variável estocástica o preço da ação do emissor. A avaliação dos modelos será realizada através da comparação entre os resultados encontrados, bem como com aqueles apresentados por McConnell e Schwartz no artigo citado anteriormente. / [en] In their 1986 Journal of Finance article, LYON Taming, John McConnell and Eduardo Schwartz outlined a technique for pricing Liquid Yield Option Notes (LYON´s). In the words of McConnell and Schwartz, a LYON is a zero coupon note which is convertible, callable and redeemable. The convertible aspect of the LYON allows the holder of the note to convert the LYON at any time into a predetermined number of shares of the issue´s stock. The callable clause of the contract enables the issuer of the LYON to call the LYON for either, according to the choice of holder, the exercise price of the call option or for an equivalent amount issuer stock. Finally, the holder has the choice to redeem the LYON for a predetermined monetary amount. Considering the fact that these kind of assets have embedded derivatives (i.e., puts and calls), it is quite intuitive that the appropriate way to analyze them is through the contingent claim methodology, valuing them according to the Pricing Options Theory - developed by Black and Shole (1973) [4] and extended by Merton (1976) [22] - McConnell and Schwartz simplified the problem by assuming that, for an instance, the interest rate were flat and known. Based on that, the main idea behind the model is solving the differential equation that describes the behavior of that bond as a function of the stock price (stochastic variable) and the time horizon till the maturity of the bond. This present paper aims at evaluating the LYON convertible bond by means of three of the most modern and efficient methodologies to appraise derivatives: Finite Difference Method (FDM), Least Square Monte Carlo (LSM) and Grant, Vora & Weeks (GVW). Thus, besides presenting the developed model based on the Finite Difference Method (which consists in solving the differential equation when there is no analytical solution to the problem and in determining the behavior of the bond through a network which represents values of the bond achieved by approximations of the derivatives), the aim is to evaluate the efficiency of the Monte Carlo Simulation Methodology considering its more recent features applicable to the appraisal of derivatives such as the LSM and GVW models, which present good applicability and versatility for the appraisal of bonds like the one in question. The great challenge lies in using these models with a view to appraising a bond as complex as LYON, seeing that both the LSM and the GVW models were developed and used by the authors only in the appraisal of traditional American options. For its simplicity and application to the problems in finance, as it can be observed in Marins (2006) [33] e Frota (2005) [19], the Antithetic Variables technique was used so as to accelerate the convergence in the developed adaptations of MQMC and GVW models. Although other techniques also produce a good level of efficiency, this one has proved to reduce the processing time of the simulation models and make significant improvements in convergence terms, as it can also be observed in Marins´s and Frota´s papers. The other techniques of recognized importance in the academic field are also briefly described here. According to McConnell e Schwartz (1986) [35], considering interest rates as deterministic variable doesn´t create problems. In the same line, Ramos (2005) [41] said that the models with just one factor are considered precise. According to several papers analyzed by her, the use interest rates as stochastic variable shows to be of secondary importance. Therefore, the three methods for appraisal of the derivative will be applied, considering the issuer´s stock price as stochastic variable and then a comparison will be made with the results found as well as with those presented by McConnell and Schwartz in the article mentioned above.

[pt] O presente trabalho versa sobre o estudo e modelagem de um sistema de refrigeração para ar condicionado de edifícios. O modelo considera um sistema de compressão de vapor de grande porte, chamado habitualmente chiller; um tanque de armazenamento de água gelada e uma torre de resfriamento.Para o desenvolvimento do modelo utilizam-se as equações constitutivas e as equações de conservação da massa e energia em todos seus componentes.O modelo permite obter as condições de funcionamento ótimo do sistema de refrigeração reduzindo o tamanho de seus componentes (menor custo de investimento) e o consumo de energia (custo de operação) em correspondência com o diagrama de carga térmica do edifício.Consideram-se as variações da temperatura do meio ambiente ao longo do dia (transiente horário) para estudar a influência destas variações no desempenho global do sistema de refrigeração.Aplica-se o modelo à obtenção das características dos componentes do sistema de refrigeração para condicionamento de ar de um dos blocos do prédio Cardeal Leme da PUC-Rio.No presente estudo, a estratégia de operação usada é um fator decisivo na seleção da melhor alternativa econômica. / [en] The present work aims the study and modeling of a system of refrigeration systems for air-conditioning in buildings. The model considers a high capacity vapor-compression refrigeration system, for water cooling (chiller); a tank of thermal storage tank and a cooling tower.For the development of the model the constitutive equations and the equations of conservation of mass and energy are used over all its components.The model provides the optimal operating conditions of the refrigeration system to reduce the size of its components (lesser cost of investment) and the energy consumption (operation cost) according to the thermal load of the building.Daily temperature variations of the environment are taken into account (hourly transient) in order to study the influence of these variations over the global performance of the refrigeration system.The model is applied to the study of the air conditioning system of one block of the Cardeal Leme building, at PUC-Rio.In the present study, the strategy employed is a keye factor in the selection of the best economical alternative.

[pt] O presente trabalho trata de modelagem e simulação numérica de carregamentos cíclicos em estruturas elasto-plásticas. Uma decomposição aditiva do problema contínuo é usada para o desenvolvimento de técnicas por elemento finitos para a aproximação da solução com boas propriedades de estabilidade e que: -consideram a matriz de rigidez constante (exatamente igual á obtida num problema elástico equivalente). Esta matriz de rigidez é montada e triangularizada uma única vez ao longo do processo de solução. -integram as leis de evolução elemento por elemento. A eficiência e utilidade das técnicas numéricas propostas é verificada analisando-se o comportamento cíclico de vasos de pressão e treliças de alumínio AU4G e aço inoxidável 316L. / [en] This work is concerned with the modeling and numerical simulation of cyclic loadings in elastro-plastic structures. Na aditive decomposition of the continuum problem is used to develop stable and robust finite element techniques of solution: -that consider a Constant stiffness matrix (exatly the same obtained in na equivalent elastic problem). This matrix is assembled and composed only once along the process of solution. -in which the integration of the evolution Law is performed element-by-element. The effectiveness and usefullness of the proposed numerical technique is verified by analysing the cyclic behaviour of AU4G aluminium alloy and 316 L stainless steel pressure vessels and trusses.