Orientador: José Márcio Machado / Banca: Carlos Roberto Valêncio / Banca: Luiz Lebensztajn / Resumo: As descargas corona e a geração de fluxo eletrohidrodinâmico têm sido objeto de estudo de diversas publicações. Estes efeitos podem ser utilizados em vários processos industriais, tais como processos de resfriamento de componentes, de coleta de partícu-las em suspensão, entre outros. Quando utilizadas com as configurações apropriadas, as descargas corona e o fluxo eletrohidrodinâmico provêm melhorias nos processos que os utilizam. A simulação computacional destes efeitos tem se tornado cada vez mais impor-tante devido a sua grande aplicabilidade e à necessidade de um total entendimento destes, com o intuito de otimizá-los para o uso em processos industriais / Abstract: Corona discharges and electrohydrodynamic flow generation have been addressed by numerous works. These effects could be useful in many industrial applications, such as processes of cooling components, collection of particles in suspension and others. With the appropriate configurations, the corona discharges and the electrohidrodynamic flows can enhance the processes that use them. The simulation analysis of these effects have become increasingly important because of its wide applicability and the need of a full understanding of these in order to optimize them for use in industrial processes / Mestre

O presente trabalho encontra-se dividido nas seguintes etapas: primeiramente são expostas algumas limitações presentes nas equações dinâmicas dos plasmas não-colisionais. A seguir obtem-se, de maneira heurística, algumas correções elementares às teorias lineares, correções estas que conduzem diretamente as assim chamadas quase-lienares em suas formas não relavística e relavística. Examina-se então o efeito da variação relativística da girofrequência sobre o coeficiente de difusão, numa aproximação tipicamente perturbativa. / The present work is divided in the following parts: firstly some limitations which are present in the dynamical equations for collisionless plasmas are discussed. Then we obtain, in a heuristic form, some elementary corrections to the linear theories, which directly lead to the so-called quasi-linear theories in its non-relativistic and relativistic forms. The effect of the relativistic variation of the gyrofrequency on the diffusion coefficient is examined in a typically perturbative approximation.

Neste trabalho empregamos a descarga elétrica luminosa subnormal como sistema dinâmico. Caracterizamos esta descarga em termos de sua curva V x i e analisamos as oscilações que ela apresenta, para condições experimentais adequadas, na corrente elétrica que flui através dela. Fazemos considerações qualitativas sobre o funcionamento da descarga, visando explicar a fenomenologia observada. Encontramos evidências para explicar as complexas oscilações não periódicas, que são observadas experimentalmente nesta descarga, como sendo a manifestação de um processo determinístico. Apresentamos os primeiros resultados da ocorrência de caos determinístico na descarga elétrica luminosa e, a partir deles. introduzimos alguns conceitos importantes (tais como: caos, rota para o caos, espaço de fase, órbitas periódicas instáveis) para a dinâmica caótica e que nos permitem compreender a ocorrência, na descarga elétrica luminosa subnormal, de caos homoclínico. Esse é um termo que sintetiza o comportamento caótico que um sistema pode apresentar quando a sua dinâmica é influenciada pela presença de uma órbita homoclínica. Demonstramos que o caos homoclínico observado na descarga elétrica é facilmente caracterizado através de mapas de retorno. Mostramos como obter quatro tipos de mapas de retorno: o mapa do tempo de retorno, o mapa do tempo de vôo, o mapa da seção de Poincaré e o mapa das amplitudes máximas. Os três últimos apresentam uma estrutura ramificada. A análise dos mapas indica que eles são equivalentes e, portanto, todos fornecem a mesma informação dinâmica. Introduzimos os conceitos básicos da dinâmica simbólica aplicada a mapas unidimensionais, o que nos permite evidenciar a existência de uma órbita homoclínica na dinâmica da descarga elétrica analisada. Após executarmos uma análise topológica da evolução da descarga luminosa no seu espaço de fase, apresentamos um modelo geométrico que dá conta dos mecanismos de estiramento e de dobradura desta evolução no espaço de fase: o molde topológico da ferradura. A presença da órbita homoclínica induz uma estrutura nesse molde, o que nos permite prever o comportamento qualitativo da descarga luminosa à medida que ela se aproxima da homoclinicidade. / In this work we employ a subnormal glow discharge as a dynamical system. We characterize this discharge through its V x i graph and analyse the oscillations which appear under appropriate experimental conditions in the electrical current fiowing through it. We make qualitative considerations about the discharge processes, aiming to explain the observed phenomenology. We find evidence to explain the complex non-periodic oscillations, which are observed experimentally in the discharge, as a manifestation of a deterministic process. We show the first results of deterministic chaos in the electrical discharge and use them to present some important concepts (such as: chaos, route to chaos, phase space, unstable periodic orbits) for the chaotic dynamics, which permit us to understand the occurrence of homoclinic chaos in the subnormal electrical glow discharge. Homoclinic chaos is a short term for the chaotic behavior that may avise when the system's dynamics is influenced by the presence of a homoclinic orbit. We show that the homoclinic chaos observed in the glow discharge is easily characterized through return maps. We derive four return maps: the return time map, the time-of-flight return map, the Poincaré section map, and the next maximal amplitude map. The last three maps have a multibranched structure. The map analysis shows that they are equivalent and therefore they furnish the same dynamical information. We introduce the basic concepts of symbolic dynamics applied to one-dimensional maps, enabling us to evidence a homoclinic orbit in the dynamics of the analysed electrical discharge. After performing a topological analysis of the evolution of the glow discharge in its phase space, we derive a geometrical model accounting for the stretching and folding mechanisms of this evolution in the phase space. It results the horseshoe template. The presence of a homoclinic orbit induces a structure on this template, allowing us to predict the qualitative behavior of the glow discharge as it approaches homoclinicity.

Orientador: José Alfredo Covolan Ulson / Banca: Rogério Andrade Flauzino / Banca: Fabrício Guimarães Baptista / Resumo: O monitoramento e a localização precoce de descargas parciais em aparelhos de alta tensão, como nos transformadores de potência, são de fundamental importância para a prevenção de problemas funcionais associados à degradação contínua dos materiais que compõe o isolamento elétrico destes tipos de aparelho. Alguns fatores críticos na operação dos transformadores, como o funcionamento em sobrecarga, superaquecimento, transitórios e sinais elétricos de grande conteúdo harmônico vinculados a sistemas chaveados, em longo prazo, fazem com que o sistema de isolação de um transformador apresente degradação de suas propriedades físicas e químicas intrínsecas aos diversos tipos de materiais utilizados para esta finalidade e, deste modo, surjam descargas parciais. Este trabalho teve como objetivo aplicar sensores piezelétricos de baixo custo para a identificação e localização de descargas parciais em transformadores de potência por meio de sistemas inteligentes do tipo Redes Neurais e sistema de inferência neuro fuzzy adaptativos. Ambos os sistemas foram treinados com algumas métricas de processamento de sinais e os resultados de erro médio de localização chegaram na casa dos milímetros. Variou-se o número de sensores acoplados e foi realizado um estudo sobre os resultados de localização obtidos. / Abstract: Partial discharge damages in power transformers require high cost monitoring procedures based on corrective maintenance or even interruptions of the power system. The development of online non-invasive monitoring systems to detect partial discharges in power transformers has great relevance since it can reduce significant maintenance costs. Some critical factors in the operation of transformers such as overload, nonlinear loads, transient voltage surges by atmospheric origin and switching, can make the insulation system of transformers to lose their physical and chemical properties. Therefore, these operating conditions can cause early deterioration of the insulation, causing internal partial discharges that may develop into major defects and thus shorten the useful life of electrical equipment. This research aimed to apply a low cost piezoelectric sensors for partial discharge identification and location in power transformers through intelligent systems such as neural networks and adaptive fuzzy inference system. Both systems were trained with some signal processing metrics and the results for location error was in the region of millimeters. It was varied the number of coupled sensors and a study was conducted on the obtained location results. / Mestre

Orientador: José Alfredo Covolan Ulson / Banca: José Carlos de Melo Vieira Junior / Banca: Renato Crivellari Creppe / Resumo: Os transformadores são equipamentos importantes do sistema elétrico de potência, possuem alto custo e suas falhas tem influência direta na qualidade da energia entregue aos consumidores. Uma das principais causas de falhas em transformadores imersos em líquido isolante, as descargas parciais, advém da degradação física e química do sistema de isolação devido à diversos fatores tais como sobrecarga, cargas não-lineares, chaveamento e superaquecimento. Essas descargas parciais aceleram a degradação do dielétrico do transformador e podem levar à destruição do equipamento, ocasionando elevado prejuízo financeiro. Dessa forma, são necessárias ações de prevenção de falhas causadas por descargas parciais em transformadores, através de métodos de monitoramento e localização. Este trabalho teve por objetivo apresentar um método de localização de descargas parciais em transformadores de potência imersos em óleo mineral isolante utilizando o método de emissão acústica e sistemas inteligentes do tipo redes neurais artificiais e algoritmos genéticos. Foram aplicadas métricas de processamento de sinais aos sinais acústicos gerados a partir de descargas parciais e obtidos através de sensores piezelétricos de baixo custo instalados no lado externo do tanque do transformador. Estas métricas foram utilizadas para treinamento das redes neurais a fim de obter a distância euclidiana entre os sensores e as descargas parciais. Essas distâncias euclidianas foram utilizadas em um sistema não-linear d... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Transformers are important devices of the electric power system, which have high cost and their failures have a direct influence on the power quality delivered to the consumers. One of the main causes of failures in oil-immersed transformers, the partial discharges, comes from the physical and chemical degradation of the insulation system due to several factors such as overload, non-linear loads, switching and overheating. These partial discharges accelerate the degradation of the transformer dielectric and they can lead to the destruction of the equipment, causing high financial losses. Thus, actions are necessary to prevent faults caused by partial discharges in transformers, through monitoring and locating methods. The aim of this work was to present a method for locating partial discharges in oil-immersed power transformers using the acoustic emission method and intelligent systems such as artificial neural networks and genetic algorithms. Signal processing metrics were applied to the acoustic signals generated from partial discharges and obtained by low-cost piezoelectric sensors installed on the external side of the transformer tank. These metrics were used to train the neural networks in order to obtain the euclidean distance between the sensors and the partial discharges. These euclidean distances were used in a nonlinear location system, which was solved through a genetic algorithm in order to obtain the three-dimensional coordinates of the partial discharge. The ana... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Realizamos um estudo teórico dos processos de emissão e absorção de radiação de ciclotron em plasmas magnetizados. Apresentamos uma revisão geral da teoria, iniciando por seus aspectos mais básicos: estudamos a radiação emitida por um elétron exposto a um campo magnético no vácuo e as noções fundamentaisda teoria de transporte de energia em dielétricos. / The emission and absorption processes of cyclotron radiation in magnetized plasmas are theoretically studied. A general review of theory is presented, beginning at fundamental aspects: the radiation emitted by a electron in a vaccum magnetic field is discussed, and the fundamental notions ot theory of energy transport in dielectrics are exposed.

Nesta tese analisamos a dinâmica regular e caótica ria interação de partículas magnetizadas com ondas circularmente polarizadas que propagam-se perpendicularmente ao campo magnético de fundo. Para tanto desenvolvemos um formalismo Hamiltoniano auto-consistente que inclui tanto a dinâmica, das partículas quanto a dos campos da onda. Com relação a utilização do referido sistema como esquema de aceleração de partículas, investigamos via aproximação de ma,cropartícula, os efeitos da dispersão dos campos eletromagnéticos, bem como de um possível descaramento inicial entre as frequências da onda e de ciclotron. Através da integração numérica das equações de movimento identificamos dois regimes distintos dependendo do valor inicial da energia. das partículas. Para baixas energias ocorre uma aglomeração das partículas no espaço de fases, reduzindo O número de graus de liberdade e validando a aproximaçao de macropartícula. Para valores maiores, a aglomeração não acontece e todos os graus de liberdade são efetivos. Neste caso o sistema perde a intergra,bilidade, dando lugar ao aparecimento de atividade caótica que tem como um dos ingredientes básicos a difusão de Arnold. Analisamos, também, os efeitos da modulação dos campos do ma,ser na caotização global do sistema. / In this thesis we analyse the regular and chaotic dynamics in the interaction of magnetized particles and circularly polarized waves that propagate paralel to the background magnetic field. To this end we develop a self-consistent Hamiltonian formalism that takes into account both particle and wave dynamics. Regarding particle acceleration, we investigate by means of the macroparticle approximation the effects of wave dispersion and frequency mismatch. Based on numerical analysis we identify two different regimes depending on the initial particles energy. For low energies, a bunching process occurs in lhe phase space, reducing the number of degrees of freedom and validating the macroparticle approximation. For larger values, the bunching does not take piare and all degrees of freedom are effective. In this case, the system loses its integrability, leading to the onset of cl ► a,otic activity with Arnold diffusion as one of its major ingredients. We also analyse the effects of maser field modulations on the global chaotization of system dynamics.

A emissão amplificada de radiação de ciclotron eletrônica com freqüência próxima da fundamental provinda de uma lãmina de plasma inomogêneo e anisotrópico é investigada por meio de MN teoria linear. Os efeitos de polarização do plasma são consistentemente incluídos. São desenvolvidas expressões na aproximação WKB, para emissão nos modos ordinário e extraordinário, para propagação perpendicular ao campo magnético. São dados resultados numéri cos para o modo extraordinário, que apresenta efeitos mais acentuados. Para o caso de uma distribuição de momentum dos elétrons do tipo cone de perda, mostra-se que a amplificação depende sensi velmente da razão entre as temperaturas paralela e perpendicular e de inomogeneidades no campo magnético. Estende-se a análise da dependência entre a amplificação e a função distribuição pela su perposiçào de componentes tipo cone de perda e Maxwelliana. Mostra-se que a presença de uma componente Maxwelliana em geral reduz a emissão em relação ao caso puramente do tipo cone de perda, ocorrendo situações em que uma camada da lâmina absorve muito efi cazmente toda a radiação amplificada no restante do plasma. Discute-se um comportamento peculiar do índice de refração, o qual ocor re na transiçao entre o caso cone de perda e o caso Maxwelliano. / The amplified emission of electron cyclotron radiation near the fundamental frequency from an inhomogeneous, anisotropic plasma slab is investigated in a linear theory. Plasma polarization effects are consistently included. Expressions are developed in the WKB approximation for emission in the ordinary and the extraordinary modes, for propagation perpendicular to the magnetic field. Numerical results are given for the extraordinary mode,for which effects are strongest. For the case of a loss-cone-type electron momentum distribution, it is shown that the amplification is sensitively dependent on the ratio of parallel-to-perpendicular temperature and on inhomogeneities in the magnetic field. The dependence of the amplification on the distribution is further investigated by considering superpositions of loss-cone and Maxwellian components. It is shown that the presence of a Maxwellian component in general reduces the emission relative to the pure loss-cone case, and situations occur in which a layer in the slab very effectively absorbs all the radiation amplified elsewhere. A peculiar behaviour of the refractive index, which occurs in the transition from the pure loss-cone to the pure Maxwellian case, is discussed.

Analisam-se as instabilidades eletrostáticas ocasiona das pela injeção de um feixe de íons num plasma magnetizado, in finito, homogé- neo e sem colisões, como um possível mecanismo de aquecimento do plasma. A direção do feixe é suposta formar um ângulo arbitrário com relação ao campo magnético. As razões de cres cimento das instabilidades são calculadas para diversas freqbencias naturais de oscilação do plasma, discutindo-se as restrições que essas instabilidades impõem ao ingulo de injeção e i densidade do feixe. Para freqbencias próximas i freqbencia hibri da inferior, analisam-se os modos íon-íon transversal ao campo e a instabilidade das duas correntes modificada. Para freqüencias na região da fregüéncia acústica iOnica, consideram-se quatro ca sos limites do modo íon-acústico, com distintas características. Estuda-se também um modo íon-acústico modificado, cujas ondas, para parãmetros adequadamente escolhidos, possuem velocidade de fase comparável a das ondas acústicas lentas. As equações dos momenta da teoria quasilinear são usa das para o cálculo da variação temporal do momentum e da energia térmica de cada componente do plasma, na presença das instabili dades. Os Tons do plasma são aquecidos pela maior parte das on das, excessões feitas is instabilidades no modo das duas correntes modificado e is instabilidades em um dos modos íon-acústicos. / Electrostatic instabilities excited by an energetic ion beam injected at an arbitrary angle with respect to the magnetic field in a infinite,homogeneous, collisionless plasma are examined as a possible plasma heating mechanism. The instability growth rates are calculated for several natural oscillation frequencies of the plasma, and threshold conditions on the angle of injection and on the beam density are derived for the instabilities. For frequencies near the lower-hybrid frequency, the cross-field ion-ion mode and the modified two-stream instability are analized. When the frequency is Glose to the ion-acoustic frequency, four limiting cases of the ion-acoustic mode, with distinct characteristics, are considered. A modified ion-acoustic mode, which propagates with a phase velocity comparable to the phase velocity of the slow acoustic waves, for appropriately chosen parameters, is also derived. The quasilinear moment equations are used to calculate the time evolution of the momentum and the thermal energy of each plasma component in the presence of the instabilities. The background ions are heated by most of the instabilities, exceptions being the modified two-stream mode and one of the ion-acoustic modes.

Investiga-se a absorção de ondas eletromagnéticas por plasmas imersos em campos magnéticos retilíneos e inomogêneos na direção perpendicular. O formalismo empregado está dentro do limite de validade do método WKB e se baseia no conceito de tensor dielétrico efetivo, o qual é definido através de correções realizadas em um tensor dielétrico derivado a partir de uma aproximação de ondas planas, de tal forma que a equação de conservação de energia para um plasma fracamente inomogêneo seja automaticamente satisfeita. O tensor dielétrico efetivo obtido por meio deste procedimento descreve corretamente os processos de transferência de energia entre ondas e partículas em um plasma inomogêneo, o que não acontece com o tensor dielétrico obtido diretamente da aproximação de ondas planas, sem incluir as correções. Para isolar o efeito do gradiente do campo, calcula-se o tensor dielétrico em uma situação particular onde a função distribuição de equilíbrio pode ser escrita em termos das mesmas constantes de movimento existentes para um plasma homogêneo. Mostrase que o tensor efetivo obedece às relações recíprocas de Onsager e que somente as partículas que estão em ressonância com as ondas eletromagnéticas contribuem para a sua parte antiHermiteana, ligada à absorção destas ondas. Comparando com outros trabalhos que surgiram na literatura recente, mostra-se que os resultados destes trabalhos podem ser reproduzidos a partir do tensor dielétrico não corrigido, cuja parte anti-Hermiteana possui a contribuição de partículas não-ressonantes. Conclui-se, portanto, que os processos de troca de energia entre as ondas e o plasma não são adequadamente descritos nestes trabalhos. Como aplicação numérica, o tensor dielétrico efetivo é empregado na solução da relação de dispersão de modo a se obter a absorção de ondas que se propagam nos modos ordinário e extraordinário em freqüências próximas à freqüência de cíclotron eletrônica. Em particular, calcula-se a absorção local e a profundidade óptica do modo ordinário para dois conjuntos de parâmetros físicos, correspondentes a tokamaks de grande e pequena razões de aspecto. Observa-se que uma região de absorção negativa surge em freqüências próximas à freqüência de cíclotron para valores suficientemente altos do gradiente do campo. / We investigate absorption of electromagnetic waves by plasmas in ambient magnetic fields with perpendicular gradients. The basic formalism is within the range of validity of the WKB method, and is based on the concept of effective dielectric tensor, defined by the corrections dane on a dielectric tensor derived from a plane wave approximation, in such a way that the energy conservation equation for an inhomogeneous plasma is automatically satisfied. The effective dielectric tensor derived from this procedure correctly describes the energy exchange processes between waves and particles in an inhomogeneous plasma. This is not the case for the dielectric tensor derived from the plane wave approximation, without including the corrections. In arder to isolate the effect of the field gradients, we calculate the dielectric tensor for a particular situation where the equilibrium distribution function depends only on the same constants of motion that appear in the homogeneous case. We show that the effective dielectric tensor obeys the Onsager reciprocity relations and that only the particles that resonate with the waves contribute to its anti-Hermitian part, which is related to the absorption of the waves. Comparing with other works in the recent literature, we show that the results of these works can be reproduced from the non-corrected dielectric tensor, whose anti-Hermitian part has contributions from non-resonant particles. We conclude therefore that the energy exchange processes between wave and plasma are not correctly described in these works. As a numerical example, we employ the effective dielectric tensor to solve the dispersion relation in arder to calculate the absorption of ordinary and extraordinary waves in frequencies dose to the electron cyclotron frequency. Particularly, we obtain the local absorption and the optical depth of the ordinary mode for physical parameters corresponding respectively to tokamaks with large and small aspect r a tio. We find ·that a region of nega tive absorption arises near the cyclotron frequency for sufficiently high magnetic field gradients.