Estudos do escoamento em vertedouros em degraus foram realizados experimentalmente por diversos autores, mas a utilização de ferramentas de computação numérica para a simulação destes casos ainda é muito escassa. Neste trabalho realizou-se um estudo da simulação numérica do escoamento sobre vertedores em degraus, utilizando-se um programa de fluidodinâmica computacional (CFD). As configurações geométricas e hidráulicas de alguns autores da literatura foram reproduzidas através das simulações em CFD. Com as simulações testaram-se as equações propostas experimentalmente ou compararam-se diretamente os resultados experimentais com os numéricos. As características dos escoamentos nos vertedouros em degraus que foram analisadas e comparadas são as seguintes: perda ou dissipação de energia, distribuição da velocidade, distribuição da concentração de ar, perfis de pressão do degrau, um estudo da resistência de atrito e um estudo da cavitação. Foram obtidas boas comparações entre os resultados experimentais e numéricos, desta forma, todas estas análises serviram, tanto para validar a utilização das ferramentas de fluidodinâmica computacional, como para caracterizar os escoamentos para uma possível proposta de melhora no desempenho desta estrutura hidráulica. Conhecendo-se o problema da cavitação, buscou-se uma solução para minimizar a ocorrência deste fenômeno no escoamento em vertedouro em degraus. Assim, foi realizado um estudo do escoamento em um aerador de fundo. Neste estudo do aerador de fundo foram caracterizados numericamente os perfis de concentração de ar, os perfis de pressão sob o salto do aerador, os perfis de velocidade e ainda foi realizado um estudo da vazão de ar que alimenta a aeração sob o jato do aerador. Após este estudo do aerador de fundo, uma nova de configuração geométrica foi proposta para o vertedouro em degrau, com a construção de um aerador de fundo no início do escoamento de forma a minimizar o risco de cavitação ou ainda aumentar as vazões máximas de serviço. / Several experimental studies about stepped spillways flow were carried out by several authors, no ever the use of numeric computation tools is still very scarce. This work study numeric simulation in stepped spillways flow was carried out using a computation fluid dynamic (CFD) software. Several hydraulics conditions from the literature were reproduced through simulations by CFD tools. Those simulation results were compared with experimental results. The characteristics of the flow in stepped spillways were analyzed and compared focusing the following aspects: energy dissipation, velocity distribution, air concentration distribution, pressure profiles in the steps, friction resistance and cavitation. The numerical simulation results had a good approximation to the experimental results. All these analyses could be used to validate the use of the computational fluid dynamic tools, to characterize the flow for a possible improvement proposal of this hydraulic structure. The cavitation problem is the great challenge in thigh velocity flows. One solution to reduce the cavitation in the stepped spillways is the construction of a bottom aerator. A numerical study of a bottom aerator was carried out, focusing out of air concentrations, pressures under jet and velocity profiles. It was studied the discharge of air under the jet. As final result, this work proposes a new geometric configuration for stepped spillways with a bottom aerator. This bottom aerator was suggested to be set in the beginning of the spillway chute in order to reduce cavitation risk or to increase the maximum discharge in spillway.

Estudos do escoamento em vertedouros em degraus foram realizados experimentalmente por diversos autores, mas a utilização de ferramentas de computação numérica para a simulação destes casos ainda é muito escassa. Neste trabalho realizou-se um estudo da simulação numérica do escoamento sobre vertedores em degraus, utilizando-se um programa de fluidodinâmica computacional (CFD). As configurações geométricas e hidráulicas de alguns autores da literatura foram reproduzidas através das simulações em CFD. Com as simulações testaram-se as equações propostas experimentalmente ou compararam-se diretamente os resultados experimentais com os numéricos. As características dos escoamentos nos vertedouros em degraus que foram analisadas e comparadas são as seguintes: perda ou dissipação de energia, distribuição da velocidade, distribuição da concentração de ar, perfis de pressão do degrau, um estudo da resistência de atrito e um estudo da cavitação. Foram obtidas boas comparações entre os resultados experimentais e numéricos, desta forma, todas estas análises serviram, tanto para validar a utilização das ferramentas de fluidodinâmica computacional, como para caracterizar os escoamentos para uma possível proposta de melhora no desempenho desta estrutura hidráulica. Conhecendo-se o problema da cavitação, buscou-se uma solução para minimizar a ocorrência deste fenômeno no escoamento em vertedouro em degraus. Assim, foi realizado um estudo do escoamento em um aerador de fundo. Neste estudo do aerador de fundo foram caracterizados numericamente os perfis de concentração de ar, os perfis de pressão sob o salto do aerador, os perfis de velocidade e ainda foi realizado um estudo da vazão de ar que alimenta a aeração sob o jato do aerador. Após este estudo do aerador de fundo, uma nova de configuração geométrica foi proposta para o vertedouro em degrau, com a construção de um aerador de fundo no início do escoamento de forma a minimizar o risco de cavitação ou ainda aumentar as vazões máximas de serviço. / Several experimental studies about stepped spillways flow were carried out by several authors, no ever the use of numeric computation tools is still very scarce. This work study numeric simulation in stepped spillways flow was carried out using a computation fluid dynamic (CFD) software. Several hydraulics conditions from the literature were reproduced through simulations by CFD tools. Those simulation results were compared with experimental results. The characteristics of the flow in stepped spillways were analyzed and compared focusing the following aspects: energy dissipation, velocity distribution, air concentration distribution, pressure profiles in the steps, friction resistance and cavitation. The numerical simulation results had a good approximation to the experimental results. All these analyses could be used to validate the use of the computational fluid dynamic tools, to characterize the flow for a possible improvement proposal of this hydraulic structure. The cavitation problem is the great challenge in thigh velocity flows. One solution to reduce the cavitation in the stepped spillways is the construction of a bottom aerator. A numerical study of a bottom aerator was carried out, focusing out of air concentrations, pressures under jet and velocity profiles. It was studied the discharge of air under the jet. As final result, this work proposes a new geometric configuration for stepped spillways with a bottom aerator. This bottom aerator was suggested to be set in the beginning of the spillway chute in order to reduce cavitation risk or to increase the maximum discharge in spillway.

Utilizando métodos de primeiros princípios, baseados na Teoria do Funcional da Desidade, investigamos, de forma sistemática, problemas de interesse na física de semicondutores: (i) A liga SixGe1-x: observa-se um pequeno desvio da linearidade, para o parâmetro de rede da liga, em função da concentração, sendo que as distâncias entre átomos de Ge são as que mais variam. O comportamento de vacâncias nessa liga se mostrou intermediário entre o Ge e o Si, e a energia de formação (EF) das vacâncias variou entre 2,06 eV e 2,90 eV, dependendo da vizinhança dessa. Propusemos um modelo para a difusão de Ge nessa liga. O fato das vacâncias com mais átomos de Ge como vizinhos ter menor energia de formação, faz com que a difusão das vacâncias se dê por caminhos lembrando o Ge puro, ou seja, a tendência será de que os vizinhos dessa vacância sejam de Ge, para ligas ricas em Ge; (ii) Superfícies: estudamos a adsorção de monômeros e dímeros de Ge sobre Si (100). Verificamos que, para monômeros, podem existir diversos mínimos locais da superfície de energia potencial para a mesma posição (x, y) na superfície, cuja diferença está na inclinação dos dímeros da superfície perto deste átomo. Mostramos que isso pode ser identificado em imagens teóricas de STM (Scanning Tunelling Microscopy) e propomos que isso seja verificado experimentalmente. Este tipo de efeito também ocorre com dímeros, sendo que isso já foi observado experimentalmente, mas com uma interpretação errônea. Através do nosso estudo podemos propor uma estrutura mais condizente com as imagens experimentais. O comportamento de átomos e dímeros de Si e Ge perto de degraus também foi analisado. Devido à diferença no parâmetro de rede do Si e do Ge, mostramos que a adsorção se torna diferente quando somente dois átomos estão na superfície. Através desses resultados, propomos um modelo para explicar a reversão da rugosidade dos degraus durante o crescimento de Ge sobre Si(100); (iii) Impurezas de Mn em Si: analisamos o comportamento de impurezas de Mn no cristal de Si e sobre a superfície. No cristal, observamos que a EF de sítios intersticiais é menor do que os sítios substitucionais. Sobre a superfície, existe um sítio substitucional que possue a mesma EF de um sítio intersticial. Esse é um fato importante para o desenvolvimento de semicondutores ferromagnéticos à base de Si. Propomos um método para que esse fato seja verificado experimentalmente, através de imagens de STM. / Using ab initio methods, based on Density Functional Theory, we have systematically investigated problems of interest for semiconductor physics: (i)The SixGe1-x alloy: we observe a small bowing in the lattice parameter, as a function of concentration, and that a larger variation in interatomic distances occurs for Ge-Ge bonds. The behavior of vacancies in this alloy is intermediate between Si and Ge, with formation energies (EF) varying from 2,06 eV to 2,90 eV, depending on the neighborhood of the vacancy. We propose a model for the diffusion of Ge in this alloy. As the vacancy with four Ge atoms as first neighbors hás smaller formation energy, the diffusion of the vacancies Will take place along paths that resemble purê Ge, for Ge-rich alloys; (ii)Surfaces: we study the adsorption of Ge monomers and dimers on Si(100). For monomers, there are several local mínima of the potential energy surface, for the same (x, y) position in the surface, depending on the buckling of the surface dimers near the adatom. We show that this can be identified in theoretical STM (Scanning Tunelling Microscopy) images. This kind of effect also occurs for dimers, and hás already been observed experimentally, but with a wrong interpretation. Through our study, we propose a new structure for the experimental images. The behavior of Si and Ge atoms and dimers near steps is also analyzed. Due to the differencein the lattice parameter of Si and Ge, we show that the adsorption becomes different when only two atoms are in the surface. Through these results, we propose a model to explain the reversion of step roughness due to Ge deposition on Si(100); (iii)Mn impurities in Si: we analise the behavior of Mn impurities in bulk Si ando n the surface. For the bulk, we observe that EF is lower for intersititial than for substitutional sites. On the surface, there is a substitutional site that hás the same EF AS A INTESTITIAL ONE. This fact may be important to the development of Si based ferromagnetic semiconductors. A method is proposed to verify this fact experimentally, through STM images.

O método Hidrodinâmica Suavizada de Partículas (em inglês: Smoothed Particle Hydrodynamics - SPH) foi utilizado para o desenvolvimento de um estudo numérico envolvendo descarregadores lisos e descarregadores em degraus (considerando escoamento deslizante sobre turbilhões), com paredes laterais paralelas e paredes convergentes, usando o software DualSPHysics. Muitas vezes é conveniente utilizar a construção de descarregadores com maior largura na crista, e menor largura do descarregador, para adaptação das limitações físicas locais. O estreitamento do descarregador de forma gradual até atingir a largura da seção de jusante é feito por meio de paredes laterais convergentes, que por sua vez induzem à formação de ondas estacionárias laterais, e consequentemente aumento da altura do escoamento junto às paredes. Existem poucos estudos na literatura sobre esse tema, justificando o estudo numérico desenvolvido neste trabalho. O modelo numérico foi desenvolvido com base em um modelo físico do Laboratório de Hidráulica e Recursos Hídricos do Instituto Superior Técnico, Portugal, sendo os resultados experimentais obtidos em estudos anteriores. A instalação experimental é composta por um descarregador com declividade de fundo de 26,6º, e ângulo das paredes de 0º; 9,9º e 19,3º em relação ao plano vertical. As simulações foram realizadas em duas ou três dimensões, conforme a condição de largura constante ou convergente. Os resultados foram comparados com dados experimentais em termos de alturas do escoamento na parede e no eixo do descarregador, perfis de velocidade na região não-aerada do escoamento, e largura da onda estacionária lateral. Para as simulações tridimensionais, também foram elaborados gráficos de isolinhas para a altura do escoamento, podendo-se observar a extensão das ondas estacionárias laterais conforme a condição de superfície lisa ou em degraus, e a elevação de água junto às paredes. Em geral, houve boa aproximação entre dados numéricos e experimentais, verificando-se a aplicabilidade do método SPH para simular o escoamento deslizante sobre turbilhões em estruturas em degraus, ou estruturas convencionais de paramento liso. / A numerical study using the Smoothed Particle Hydrodynamics method (SPH) was developed for smooth and stepped spillways (for skimming flow regime), with converging and non-converging sidewalls, using the software DualSPHysics. In numerous situations, it is convenient to built spillways with longer width at the crest and narrower width at the downstream end of the spillway, depending on the site constrains. The gradual narrowing of the spillway width is usually made through converging sidewalls, which induce the formation of shockwaves, leading to higher flow depths along the sidewalls. Few studies in the literature were carried out in this research topic to date, justifying the numerical study developed in this project. The numerical model was based on a physical model assembled at the Hydraulic and Water Resources Laboratory of the Instituto Superior Técnico, Portugal, using experimental data obtained in previous studies. The experimental setup was composed by a spillway with slope of 26.6º, and angles of converging sidewalls of 0º, 9.9º, and 19.3º in relation to the vertical plane. Two-dimensional or three-dimensional simulations were carried out according to the condition of constant width or converging walls. The results were compared with experimental data, related to the flow depths at the centerline and sidewall of the spillway, the velocity profiles on the non-aerated region, and the lateral standing wave width. Regarding the three-dimensional simulations, contours of the flow depth were also represented, to visualize the extent and height of the sidewall shockwaves, according to the smoothed or stepped face. In general, a good agreement was obtained between numerical and experimental results, which confirms the ability of the SHP method to simulate the skimming flow over stepped spillways, or the flow on more conventional, smooth spillway chutes.

Este trabalho apresenta um estudo experimental sobre o efeito da ação das ondas nas margens de rios que estão a jusante de estruturas hidráulicas. O trabalho foi realizado em três etapas, sendo a primeira realizada em modelo físico reduzido parcial de um vertedouro em degraus com canal a jusante, instalado no Pavilhão de Obras Hidráulicas (IPH/UFRGS). Nesta primeira etapa, diferentes condições de vazão e submergência foram consideradas, com o objetivo de avaliar as características das ondas de superfície, geradas a jusante de um dissipador de energia por ressalto hidráulico. As características avaliadas foram: altura, período, comprimento e celeridade das ondas. Os resultados dessa primeira etapa indicaram que as características principais das ondas, altura e período, estão mais relacionadas com a vazão escoada do que com a submergência do ressalto hidráulico. Além disso, através da comparação entre os dados estimados e observados da celeridade da onda, foi possível identificar que o período significativo da onda representa melhor a caracterização de uma onda que o período de pico, para ondas geradas a jusante de ressalto hidráulico. Na segunda etapa dos ensaios, as características das ondas obtidas na primeira etapa do estudo foram reproduzidas em um canal de ondas bidimensional, instalado no Pavilhão Fluvial (IPH/UFRGS). Desta forma, foi possível avaliar o efeito da ação das ondas sobre taludes com diferentes inclinações e granulometrias de material de proteção. Os resultados desta etapa demonstraram que o talude construído com material de proteção, denominado de brita grande (G) e com inclinação 1(V):3(H), foi o que apresentou maior estabilidade após a ação das ondas, mesmo sendo este um material de diâmetro médio menor do que o recomendado pelos métodos tradicionais de dimensionamento. Na terceira e última etapa dos ensaios, as características das ondas obtidas na primeira etapa do estudo foram reproduzidas novamente, porém em um tanque de ondas tridimensional, instalado no Pavilhão Fluvial (IPH/UFRGS). Nesta etapa do estudo, foi avaliado o efeito da ação das ondas sobre diferentes ângulos de incidência das ondas sobre talude de proteção. Os resultados obtidos nesta etapa demonstraram que o aumento do ângulo de incidência das ondas sobre o talude de proteção, intensifica o processo erosivo do material de proteção das margens. / This work presents an experimental study about waves action effects on the banks of rivers that are downstream from hydraulic structures. The work was carried out in three stages, being that the first one was realized in a reduced partial physical model of a spillway with steps and a channel downstream from it, installed in the Hydraulic Works Laboratory (IPH / UFRGS). In this first stage, different flow and submergence conditions were considered, with the objective of evaluating the characteristics of surface waves, that were generated downstream from a energy dissipator by hydraulic jump. The evaluated characteristics were: height, period, length and celerity of the waves. The results of this first stage indicated that height and wave period, considered the two main characteristics of waves, are more related to the outflow than to the submergence of hydraulic jump. In addition, through the comparison between the estimated and observed data of wave celerity, it was possible to identify that the significant period of wave represents better the characterization of a wave than the peak period, for waves generated downstream from a hydraulic jump. In the second stage of the tests, the wave characteristics obtained in the first stage of the study were reproduced in a two-dimensional wave channel, installed in the Fluvial Laboratory (IPH / UFRGS). In this way, it was possible to evaluate the effect of wave action on embankments with different inclinations and composed by protection material of diverses granulometries. The results of this experiment demonstrated that the embankment constructed with protective material called large gravel (G) and slope 1 (V): 3 (H) was the one that presented greater stability after the waves action, even though this material to has an average diameter smaller than that recommended by traditional dimensional methods. In the third and last stage of tests, the wave characteristics obtained in the first stage of study were reproduced again, but now in a three-dimensional wave tank installed in the Fluvial Laboratory (IPH / UFRGS). At this stage of the study, the effect of wave action on different angles of incidence between waves and the protective embankment was evaluated. The results obtained from this step demonstrated that the increase of the angle of incidence between wave and protective slope intensifies the erosive process of material that compose the banks.

O método Hidrodinâmica Suavizada de Partículas (em inglês: Smoothed Particle Hydrodynamics - SPH) foi utilizado para o desenvolvimento de um estudo numérico envolvendo descarregadores lisos e descarregadores em degraus (considerando escoamento deslizante sobre turbilhões), com paredes laterais paralelas e paredes convergentes, usando o software DualSPHysics. Muitas vezes é conveniente utilizar a construção de descarregadores com maior largura na crista, e menor largura do descarregador, para adaptação das limitações físicas locais. O estreitamento do descarregador de forma gradual até atingir a largura da seção de jusante é feito por meio de paredes laterais convergentes, que por sua vez induzem à formação de ondas estacionárias laterais, e consequentemente aumento da altura do escoamento junto às paredes. Existem poucos estudos na literatura sobre esse tema, justificando o estudo numérico desenvolvido neste trabalho. O modelo numérico foi desenvolvido com base em um modelo físico do Laboratório de Hidráulica e Recursos Hídricos do Instituto Superior Técnico, Portugal, sendo os resultados experimentais obtidos em estudos anteriores. A instalação experimental é composta por um descarregador com declividade de fundo de 26,6º, e ângulo das paredes de 0º; 9,9º e 19,3º em relação ao plano vertical. As simulações foram realizadas em duas ou três dimensões, conforme a condição de largura constante ou convergente. Os resultados foram comparados com dados experimentais em termos de alturas do escoamento na parede e no eixo do descarregador, perfis de velocidade na região não-aerada do escoamento, e largura da onda estacionária lateral. Para as simulações tridimensionais, também foram elaborados gráficos de isolinhas para a altura do escoamento, podendo-se observar a extensão das ondas estacionárias laterais conforme a condição de superfície lisa ou em degraus, e a elevação de água junto às paredes. Em geral, houve boa aproximação entre dados numéricos e experimentais, verificando-se a aplicabilidade do método SPH para simular o escoamento deslizante sobre turbilhões em estruturas em degraus, ou estruturas convencionais de paramento liso. / A numerical study using the Smoothed Particle Hydrodynamics method (SPH) was developed for smooth and stepped spillways (for skimming flow regime), with converging and non-converging sidewalls, using the software DualSPHysics. In numerous situations, it is convenient to built spillways with longer width at the crest and narrower width at the downstream end of the spillway, depending on the site constrains. The gradual narrowing of the spillway width is usually made through converging sidewalls, which induce the formation of shockwaves, leading to higher flow depths along the sidewalls. Few studies in the literature were carried out in this research topic to date, justifying the numerical study developed in this project. The numerical model was based on a physical model assembled at the Hydraulic and Water Resources Laboratory of the Instituto Superior Técnico, Portugal, using experimental data obtained in previous studies. The experimental setup was composed by a spillway with slope of 26.6º, and angles of converging sidewalls of 0º, 9.9º, and 19.3º in relation to the vertical plane. Two-dimensional or three-dimensional simulations were carried out according to the condition of constant width or converging walls. The results were compared with experimental data, related to the flow depths at the centerline and sidewall of the spillway, the velocity profiles on the non-aerated region, and the lateral standing wave width. Regarding the three-dimensional simulations, contours of the flow depth were also represented, to visualize the extent and height of the sidewall shockwaves, according to the smoothed or stepped face. In general, a good agreement was obtained between numerical and experimental results, which confirms the ability of the SHP method to simulate the skimming flow over stepped spillways, or the flow on more conventional, smooth spillway chutes.

Este trabalho apresenta um estudo experimental sobre o efeito da ação das ondas nas margens de rios que estão a jusante de estruturas hidráulicas. O trabalho foi realizado em três etapas, sendo a primeira realizada em modelo físico reduzido parcial de um vertedouro em degraus com canal a jusante, instalado no Pavilhão de Obras Hidráulicas (IPH/UFRGS). Nesta primeira etapa, diferentes condições de vazão e submergência foram consideradas, com o objetivo de avaliar as características das ondas de superfície, geradas a jusante de um dissipador de energia por ressalto hidráulico. As características avaliadas foram: altura, período, comprimento e celeridade das ondas. Os resultados dessa primeira etapa indicaram que as características principais das ondas, altura e período, estão mais relacionadas com a vazão escoada do que com a submergência do ressalto hidráulico. Além disso, através da comparação entre os dados estimados e observados da celeridade da onda, foi possível identificar que o período significativo da onda representa melhor a caracterização de uma onda que o período de pico, para ondas geradas a jusante de ressalto hidráulico. Na segunda etapa dos ensaios, as características das ondas obtidas na primeira etapa do estudo foram reproduzidas em um canal de ondas bidimensional, instalado no Pavilhão Fluvial (IPH/UFRGS). Desta forma, foi possível avaliar o efeito da ação das ondas sobre taludes com diferentes inclinações e granulometrias de material de proteção. Os resultados desta etapa demonstraram que o talude construído com material de proteção, denominado de brita grande (G) e com inclinação 1(V):3(H), foi o que apresentou maior estabilidade após a ação das ondas, mesmo sendo este um material de diâmetro médio menor do que o recomendado pelos métodos tradicionais de dimensionamento. Na terceira e última etapa dos ensaios, as características das ondas obtidas na primeira etapa do estudo foram reproduzidas novamente, porém em um tanque de ondas tridimensional, instalado no Pavilhão Fluvial (IPH/UFRGS). Nesta etapa do estudo, foi avaliado o efeito da ação das ondas sobre diferentes ângulos de incidência das ondas sobre talude de proteção. Os resultados obtidos nesta etapa demonstraram que o aumento do ângulo de incidência das ondas sobre o talude de proteção, intensifica o processo erosivo do material de proteção das margens. / This work presents an experimental study about waves action effects on the banks of rivers that are downstream from hydraulic structures. The work was carried out in three stages, being that the first one was realized in a reduced partial physical model of a spillway with steps and a channel downstream from it, installed in the Hydraulic Works Laboratory (IPH / UFRGS). In this first stage, different flow and submergence conditions were considered, with the objective of evaluating the characteristics of surface waves, that were generated downstream from a energy dissipator by hydraulic jump. The evaluated characteristics were: height, period, length and celerity of the waves. The results of this first stage indicated that height and wave period, considered the two main characteristics of waves, are more related to the outflow than to the submergence of hydraulic jump. In addition, through the comparison between the estimated and observed data of wave celerity, it was possible to identify that the significant period of wave represents better the characterization of a wave than the peak period, for waves generated downstream from a hydraulic jump. In the second stage of the tests, the wave characteristics obtained in the first stage of the study were reproduced in a two-dimensional wave channel, installed in the Fluvial Laboratory (IPH / UFRGS). In this way, it was possible to evaluate the effect of wave action on embankments with different inclinations and composed by protection material of diverses granulometries. The results of this experiment demonstrated that the embankment constructed with protective material called large gravel (G) and slope 1 (V): 3 (H) was the one that presented greater stability after the waves action, even though this material to has an average diameter smaller than that recommended by traditional dimensional methods. In the third and last stage of tests, the wave characteristics obtained in the first stage of study were reproduced again, but now in a three-dimensional wave tank installed in the Fluvial Laboratory (IPH / UFRGS). At this stage of the study, the effect of wave action on different angles of incidence between waves and the protective embankment was evaluated. The results obtained from this step demonstrated that the increase of the angle of incidence between wave and protective slope intensifies the erosive process of material that compose the banks.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:19:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 3490.pdf: 1860770 bytes, checksum: 2b84fdccb9b3d7185122250019ec23bc (MD5) Previous issue date: 2011-02-25 / Financiadora de Estudos e Projetos / Patients with osteoarthritis (OA) of the knee show loss of functional independence, presenting difficulties in performing tasks that require high demand of the knee joint, such as stair descent. However, it is unclear how muscular and biomechanical changes were present in patients with OA in the early stages. Thus, the purpose of this study was to analyze the kinetics, kinematics and muscle activation in stair descent, in men with early degrees of knee OA and compare with a healthy control group. We evaluated 31 volunteers divided into two groups. Osteoarthritis Group (OAG) with 17 men with knee OA grade I or II (53+6 years) and Control Group (CG) with 14 healthy men (50+6 years). We performed kinematic evaluation of the stair descent in the sagittal plane for evaluation of the knee flexion angles. Moreover, electromyography (EMG) of vastus lateralis (VL) muscle was performed and vertical ground reaction force was measurement. The WOMAC questionnaire was administered to all volunteers. For the statistical analysis, was used the nonparametric Mann-Whitney U test for comparisons between groups for all variables (p> 0.05). There were no significant differences between groups for kinematic, kinetic and EMG. For the WOMAC, the differences between groups were significant in all three sections (pain: p = 0.001, stiffiness: p = 0.008 and function: p = 0.0005), OAG have the highest values. In adult men with knee OA grade I or II, the stair decent is preserved in the sagittal plane, indicating that at these stages of the disease the functional adaptations linked to the OA are not expressed. / Portadores de osteoartrite (OA) do joelho apresentam perda da independência funcional, apresentando dificuldades na realização de tarefas que exigem grande demanda da articulação do joelho, como a descida de degraus. Porém ainda não está claro como as alterações musculares e biomecânicas se apresentam em portadores de OA nos graus iniciais. Assim, o objetivo do presente estudo foi analisar a cinética, cinemática e a ativação muscular, na descida de degraus, de homens portadores de OA do joelho, nos graus iniciais, e comparar com um grupo controle saudável. Foram avaliados 31 voluntários divididos em dois grupos. Grupo Osteoartrite (GOA) com 17 homens portadores de OA de joelho graus I ou II (53 + 6 anos) e grupo controle (GC) com 14 homens saudáveis (50 + 6 anos). Foi realizada avaliação cinemática da descida de degraus, no plano sagital, para avaliação dos ângulos de flexão do joelho. Além disso, simultaneamente, foi realizada eletromiografia do músculo vasto lateral e mensuração da força vertical de reação do solo. O questionário WOMAC foi aplicado em todos os voluntários. Para a análise estatística foi utilizado o teste não paramétrico U-Mann Whitney para as comparações intergrupos, para todas as variáveis (p>0,05). Não foram encontradas diferenças significativas entre os grupos para as variáveis cinemáticas, cinéticas e eletromiográficas. Para o questionário WOMAC, as diferenças intergrupos foram significativas nas três seções (dor: p=0,001, rigidez: p=0,008 e função: p=0,0005) tendo o GOA os maiores valores. Assim, em homens adultos portadores de OA no joelho graus I ou II, a tarefa de descida de degraus, avaliada no plano sagital, está preservada, indicando que ainda nesta fase da doença as adaptações funcionais ligadas a estratégias biomecânicas compensatórias não foram manifestadas.

Este trabalho apresenta um estudo experimental sobre o efeito da ação das ondas nas margens de rios que estão a jusante de estruturas hidráulicas. O trabalho foi realizado em três etapas, sendo a primeira realizada em modelo físico reduzido parcial de um vertedouro em degraus com canal a jusante, instalado no Pavilhão de Obras Hidráulicas (IPH/UFRGS). Nesta primeira etapa, diferentes condições de vazão e submergência foram consideradas, com o objetivo de avaliar as características das ondas de superfície, geradas a jusante de um dissipador de energia por ressalto hidráulico. As características avaliadas foram: altura, período, comprimento e celeridade das ondas. Os resultados dessa primeira etapa indicaram que as características principais das ondas, altura e período, estão mais relacionadas com a vazão escoada do que com a submergência do ressalto hidráulico. Além disso, através da comparação entre os dados estimados e observados da celeridade da onda, foi possível identificar que o período significativo da onda representa melhor a caracterização de uma onda que o período de pico, para ondas geradas a jusante de ressalto hidráulico. Na segunda etapa dos ensaios, as características das ondas obtidas na primeira etapa do estudo foram reproduzidas em um canal de ondas bidimensional, instalado no Pavilhão Fluvial (IPH/UFRGS). Desta forma, foi possível avaliar o efeito da ação das ondas sobre taludes com diferentes inclinações e granulometrias de material de proteção. Os resultados desta etapa demonstraram que o talude construído com material de proteção, denominado de brita grande (G) e com inclinação 1(V):3(H), foi o que apresentou maior estabilidade após a ação das ondas, mesmo sendo este um material de diâmetro médio menor do que o recomendado pelos métodos tradicionais de dimensionamento. Na terceira e última etapa dos ensaios, as características das ondas obtidas na primeira etapa do estudo foram reproduzidas novamente, porém em um tanque de ondas tridimensional, instalado no Pavilhão Fluvial (IPH/UFRGS). Nesta etapa do estudo, foi avaliado o efeito da ação das ondas sobre diferentes ângulos de incidência das ondas sobre talude de proteção. Os resultados obtidos nesta etapa demonstraram que o aumento do ângulo de incidência das ondas sobre o talude de proteção, intensifica o processo erosivo do material de proteção das margens. / This work presents an experimental study about waves action effects on the banks of rivers that are downstream from hydraulic structures. The work was carried out in three stages, being that the first one was realized in a reduced partial physical model of a spillway with steps and a channel downstream from it, installed in the Hydraulic Works Laboratory (IPH / UFRGS). In this first stage, different flow and submergence conditions were considered, with the objective of evaluating the characteristics of surface waves, that were generated downstream from a energy dissipator by hydraulic jump. The evaluated characteristics were: height, period, length and celerity of the waves. The results of this first stage indicated that height and wave period, considered the two main characteristics of waves, are more related to the outflow than to the submergence of hydraulic jump. In addition, through the comparison between the estimated and observed data of wave celerity, it was possible to identify that the significant period of wave represents better the characterization of a wave than the peak period, for waves generated downstream from a hydraulic jump. In the second stage of the tests, the wave characteristics obtained in the first stage of the study were reproduced in a two-dimensional wave channel, installed in the Fluvial Laboratory (IPH / UFRGS). In this way, it was possible to evaluate the effect of wave action on embankments with different inclinations and composed by protection material of diverses granulometries. The results of this experiment demonstrated that the embankment constructed with protective material called large gravel (G) and slope 1 (V): 3 (H) was the one that presented greater stability after the waves action, even though this material to has an average diameter smaller than that recommended by traditional dimensional methods. In the third and last stage of tests, the wave characteristics obtained in the first stage of study were reproduced again, but now in a three-dimensional wave tank installed in the Fluvial Laboratory (IPH / UFRGS). At this stage of the study, the effect of wave action on different angles of incidence between waves and the protective embankment was evaluated. The results obtained from this step demonstrated that the increase of the angle of incidence between wave and protective slope intensifies the erosive process of material that compose the banks.

Utilizando métodos de primeiros princípios, baseados na Teoria do Funcional da Desidade, investigamos, de forma sistemática, problemas de interesse na física de semicondutores: (i) A liga SixGe1-x: observa-se um pequeno desvio da linearidade, para o parâmetro de rede da liga, em função da concentração, sendo que as distâncias entre átomos de Ge são as que mais variam. O comportamento de vacâncias nessa liga se mostrou intermediário entre o Ge e o Si, e a energia de formação (EF) das vacâncias variou entre 2,06 eV e 2,90 eV, dependendo da vizinhança dessa. Propusemos um modelo para a difusão de Ge nessa liga. O fato das vacâncias com mais átomos de Ge como vizinhos ter menor energia de formação, faz com que a difusão das vacâncias se dê por caminhos lembrando o Ge puro, ou seja, a tendência será de que os vizinhos dessa vacância sejam de Ge, para ligas ricas em Ge; (ii) Superfícies: estudamos a adsorção de monômeros e dímeros de Ge sobre Si (100). Verificamos que, para monômeros, podem existir diversos mínimos locais da superfície de energia potencial para a mesma posição (x, y) na superfície, cuja diferença está na inclinação dos dímeros da superfície perto deste átomo. Mostramos que isso pode ser identificado em imagens teóricas de STM (Scanning Tunelling Microscopy) e propomos que isso seja verificado experimentalmente. Este tipo de efeito também ocorre com dímeros, sendo que isso já foi observado experimentalmente, mas com uma interpretação errônea. Através do nosso estudo podemos propor uma estrutura mais condizente com as imagens experimentais. O comportamento de átomos e dímeros de Si e Ge perto de degraus também foi analisado. Devido à diferença no parâmetro de rede do Si e do Ge, mostramos que a adsorção se torna diferente quando somente dois átomos estão na superfície. Através desses resultados, propomos um modelo para explicar a reversão da rugosidade dos degraus durante o crescimento de Ge sobre Si(100); (iii) Impurezas de Mn em Si: analisamos o comportamento de impurezas de Mn no cristal de Si e sobre a superfície. No cristal, observamos que a EF de sítios intersticiais é menor do que os sítios substitucionais. Sobre a superfície, existe um sítio substitucional que possue a mesma EF de um sítio intersticial. Esse é um fato importante para o desenvolvimento de semicondutores ferromagnéticos à base de Si. Propomos um método para que esse fato seja verificado experimentalmente, através de imagens de STM. / Using ab initio methods, based on Density Functional Theory, we have systematically investigated problems of interest for semiconductor physics: (i)The SixGe1-x alloy: we observe a small bowing in the lattice parameter, as a function of concentration, and that a larger variation in interatomic distances occurs for Ge-Ge bonds. The behavior of vacancies in this alloy is intermediate between Si and Ge, with formation energies (EF) varying from 2,06 eV to 2,90 eV, depending on the neighborhood of the vacancy. We propose a model for the diffusion of Ge in this alloy. As the vacancy with four Ge atoms as first neighbors hás smaller formation energy, the diffusion of the vacancies Will take place along paths that resemble purê Ge, for Ge-rich alloys; (ii)Surfaces: we study the adsorption of Ge monomers and dimers on Si(100). For monomers, there are several local mínima of the potential energy surface, for the same (x, y) position in the surface, depending on the buckling of the surface dimers near the adatom. We show that this can be identified in theoretical STM (Scanning Tunelling Microscopy) images. This kind of effect also occurs for dimers, and hás already been observed experimentally, but with a wrong interpretation. Through our study, we propose a new structure for the experimental images. The behavior of Si and Ge atoms and dimers near steps is also analyzed. Due to the differencein the lattice parameter of Si and Ge, we show that the adsorption becomes different when only two atoms are in the surface. Through these results, we propose a model to explain the reversion of step roughness due to Ge deposition on Si(100); (iii)Mn impurities in Si: we analise the behavior of Mn impurities in bulk Si ando n the surface. For the bulk, we observe that EF is lower for intersititial than for substitutional sites. On the surface, there is a substitutional site that hás the same EF AS A INTESTITIAL ONE. This fact may be important to the development of Si based ferromagnetic semiconductors. A method is proposed to verify this fact experimentally, through STM images.