Dois programas de simulação do desempenho em missão de uma aeronave foram desenvolvidos para as análises deste trabalho. O primeiro adota uma abordagem quase-estática, tendo como base as equações da dinâmica que determinam o equilíbrio pontual da aeronave em uma dada condição de vôo. O segundo faz uso da integração numérica das equações diferenciais do movimento. Em ambos os casos, os modelos de desempenho utilizados tratam a aeronave como um ponto de massa, e acompanham seu movimento sobre um plano vertical imaginário (x-z). Rotinas de integração foram desenvolvidas para automatizar as constantes iterações associadas ao cálculo do desempenho em missão. Apesar de terem sido concebidos para uma utilização abrangente, e de serem válidos para qualquer modelo de aeronave, os programas foram aplicados a uma aeronave airliner, destinada ao transporte de passageiros em limites intra-continentais, cujo projeto foi elaborado durante o Programa de Especialização em Engenharia Aeronáutica e Mecânica (PEE), mantido pela Empresa Brasileira de Aeronáutica (Embraer) e pelo Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA). A missão estudada envolve as fases de subida, cruzeiro, descida e espera, com nove condições de contorno distintas - entre elas velocidade equivalente constante, número de Mach constante, velocidade calibrada constante, aceleração, desaceleração, taxa de descida constante e altitude constante (sendo algumas dessas condições consideradas em conjunto para um mesmo segmento de vôo). Análises comparativas foram realizadas, tanto nos segmentos de vôo em separado quanto na integração completa da missão, com os resultados de bloco e do diagrama carga paga - alcance. Procura-se, com o apoio dessas análises, indicar vantagens e desvantagens de cada um dos métodos, identificando o mais adequado para cada tipo de aplicação.

Carregamentos transientes termo hidráulicos do tipo Steam Hammer são eventos comuns em sistemas de tubulações de vapor com grandes potenciais de catástrofes em plantas de geração de energia. Uma vez iniciado o evento, ondas de pressões são geradas com amplitudes, geralmente, de grande magnitude ocasionando altas pressões no sistema, ruídos, deformações, fadiga, com possibilidade de danos materiais e econômicos e em casos extremos fatalidades. Os procedimentos da indústria para análise deste tipo de sistema consistem realização de análises estáticas equivalentes ou análise de espectro de resposta com carregamentos caracterizados por meio de métodos analíticos baseados em hipóteses simplificadoras do fluido e fluxo. Neste trabalho é proposta a analise de sistema de tubulações por meio do método de integração numérica com superposição modal e carregamento caracterizado por método numérico com base no método das características. Comparações foram efetuadas entre os resultados obtidos pela metodologia proposta e os procedimentos da indústria, demonstrando que, dado ao alto grau de conservadorismo, os procedimentos da indústria acarretam em superdimensionamento de estruturas e tubulações ocasionando custos adicionais de projeto, sendo a otimização do projeto obtida aplicando-se a metodologia proposta no trabalho. / Steam Hammer is a common transient thermo hydraulic event in steam piping systems with potential to cause serious damages in power generation plants. It generates pressure waves, generally of great amplitude and magnitude, causing high pressures in the system, associated with noise, with possible material and economic damages and, in extreme case, even fatalities. Industry procedures for analysis of these events consists of performing equivalent static analysis, or response spectrum analysis, with transient loadings calculated by analytical methods based on assumptions of fluid and flow. This paper proposes a new methodology for the piping system analysis by the numerical integration method with modal superposition and transient loadings calculated by a numerical method based on the method of characteristics. Comparisons were made between the results obtained by the proposed methodology and the stablished industry procedures, confirming that, due to the high degree of conservatism, industry procedures can lead to additional cost to the design, with the optimization of the design being obtained by applying the methodology proposed in this paper.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The process modeling and simulation is a greatly important procedure for many chemical and biotechnological processes. The process simulation allows to predict elementary behavior of the state variables of the process, leading to many economical and process advantages, such as the avoidance of losses of time and materials for not knowing the process particularities, the safety guarantee, the product quality, and, mostly the process optimization, permitting to study and to reach the best conditions of a process, which shall yield in more products with quality produced with less effort and expenditures. In this work, the modeling and simulation of two biological processes enzymatic hydrolysis and solid state fermentation were performed in order to develop models and estimate parameters that enable an engineer to predict the process behavior and to make decisions about the process. The modeling procedure also involves the computing of differential equations, and algebraic-differential equations; in this manner, the engineer must be able to use different numerical integration methods. Mainly two parameters estimation procedures were used Particle-Swarm Optimization and Levenberg-Marquardt -, and two numerical integration methods were also resorted Runge-Kutta and Dormand-Prince. Experimental data from previous works were used to perform several tests in order to assure that the models were predicting correctly the state variables of the process and, in this manner, were reliable and useful. In the first paper, several mechanistic and empirical models are tested to fit the enzymatic hydrolysis experimental data; statistical tests were performed to verify which of those models would best describe the process, which was found to be and entirely empirical non-autonomous model. The following papers are about the modeling of the solid-state fermentation process. The model was found to be very accurate and adequate to be used for predictions, mainly for the bed temperature of the packed-bed bioreactor, since it could predict the temperature gradients along the time and height of the bed. Also, some numerical procedures such as parameters identifiability, to realize which were the most important parameters to be estimated, and model reparametrization, to reduce the total number of parameters to be estimated and avoid magnitude problems of the model, were successfully performed. This work has shown that the modeling and simulation of processes holds an enormous importance for industry, and different techniques can be applied with more or less effort and success. Further, hopefully, this work has contributed to the state of the art of modeling, in a general way, for biological processes. / A modelagem e a simulação de processos consistem em um recurso de grande importância para diversos processos químicos e biotecnológicos. A simulação de processos nos permite predizer o comportamento das variáveis de estado do processo, levando-nos a vantagens técnicas e econômicas, como, por exemplo, a prevenção de perdas de tempo e insumos por não conhecer particularidades do processo, a garantia de segurança, a qualidade do produto e, principalmente, a otimização do processo, permitindo estudar e alcançar as melhores condições para o referido processo, o que deve culminar em mais produto produzido com melhor qualidade e com menos esforços e custos. Neste trabalho, a modelagem e a simulação de dois processos biotecnológicos hidrólise enzimática e fermentação em estado sólido foram feitas com a validação dos modelos propostos com dados experimentais através da técnica de estimação de parâmetros para permitir ao engenheiro prever o comportamento do processo e tomar decisões. O procedimento de modelagem também envolve a avaliação de equações diferenciais e de equações algébricas, dessa forma, o engenheiro deve estar apto a usar diferentes métodos de integração numérica. Dois procedimentos principais de estimação de parâmetros foram utilizados Otimização por Enxame de Partículas e Levenberg-Marquardt -, e se lançou mão de dois métodos de integração numérica, Runge-Kutta e Dormand-Prince. Dados experimentais de trabalhos anteriores foram utilizados para realizar diversos testes para assegurar a precisão dos modelos em predizer as variáveis de estado do processo e, portanto, serem modelos confiáveis e úteis. No primeiro artigo apresentado, diversos modelos mecanicísticos e empíricos foram testados para se ajustarem aos dados experimentais da hidrólise enzimática; testes estatísticos foram realizados para verificar qual dos modelos melhor descreveria o processo, de forma que o melhor modelo se mostrou ser um modelo totalmente empírico não-autônomo. Os demais artigos tratam da modelagem de um processo de fermentação em estado sólido. Verificou-se que o modelo é bastante preciso e adequado para o uso em predições, principalmente para o perfil de temperatura no leito do biorreator, uma vez que o modelo prevê os gradientes de temperatura ao longo do tempo e da altura do leito. Também, procedimentos numéricos, tais como a análise de identifiabilidade dos parâmetros, para a percepção de quais são os parâmetros mais importantes para a estimação, e a reparametrização do modelo, para reduzir o número total de parâmetros a serem estimados e evitar problemas de magnitude no modelo, foram empregadas com sucesso. Este trabalho mostrou que a modelagem e a simulação de processos possuem enorme importância para a indústria, e diferentes técnicas podem ser aplicadas com maior ou menor esforço e sucesso. Além disso, espera-se que o trabalho tenha contribuído para o estado da arte em modelagem, de uma maneira geral, na área de bioprocessos.

The calculation of ellipsoidal areas in Geodesy is a not trivial task. By this motive, is common the calculation of plane areas, whose difficulty degree is enough small. For short areas, the simple abstraction of the real format of the Land is sufficient. For bigger areas, however, the Cartography uses the equivalent projections that, for being indirect forms, present a minor reliability in relation the direct numerical methods. More grave still it is the case of Brazil, where the areas send for certification together the Instituto Nacional de Colonização e Reforma Agrária (INCRA), second to the Brazilian Law 10267 of Cadastro Nacional de Imóveis Rurais (CNIR), are calculated as function of the coordinates of the projection system Universal Transverse Mercator (UTM). This projection system is conformal, that is, presenting distortions in relation to the ellipsoidal. The majority of the used commercial programs does not present more efficient forms of calculation. The present work of research is directed in this direction. We searchs a executable program that incorporates fundamental characteristics to the calculation of areas and to programming, generating a product that can present effective results consumer market. A methodology was chosen that considers solution for the calculation of any areas or polygon form that they desires to calculate. The methodology was codified in different forms and was generated an executable in C language. The results had been compared with the same integration carried through in environment of calculator HP42S and in the Spring system through the Albers Equivalent Conical Projection. The research shows that the proposal methodology possess ample potential to computational employment, having presented great efficiency in the calculation of ellipsoidais areas. / O cálculo das áreas elipsoidais em Geodésia não é uma tarefa trivial. Por esse motivo, é comum o cálculo de áreas planas, cujo grau de dificuldade é bastante pequeno. Para áreas pequenas, a simples abstração do formato real da Terra é suficiente. Para áreas maiores, entretanto, a Cartografia se vale das chamadas projeções equivalentes que, por serem formas indiretas, apresentam uma confiabilidade menor em relação a métodos numéricos diretos. Mais grave ainda é o caso do Brasil, em que as áreas enviadas para certificação junto ao Instituto Nacional de Colonização e Reforma Agrária (INCRA), segundo a Lei 10267/2001 do Cadastro Nacional de imóveis Rurais (CNIR), são calculadas em função das coordenadas do sistema de projeção Universal Transverse Mercator (UTM). Esse sistema de projeção é conforme, ou seja, apresenta distorções em relação à área elipsoidal. Isso se deve ao fato de que a maioria dos programas comerciais usados não apresentam formas de cálculo mais eficientes. O presente trabalho de pesquisa é dirigido nesse sentido. Busca-se chegar a um programa executável que incorpore características fundamentais ao cálculo de áreas e à programação, gerando um produto que possa apresentar resultados efetivos para o mercado consumidor. Escolheu-se uma metodologia que propõe solução para qualquer que seja a forma das poligonais que constituem o polígono cuja área deseja-se calcular. A metodologia foi codificada de diferentes formas e foi gerado um executável final em linguagem C. Os resultados foram comparados com a mesma integração realizada em ambiente de calculadora HP42S e no sistema Spring através da Projeção Cônica Equivalente de Albers. A pesquisa mostra que a metodologia proposta possui amplo potencial para emprego em meio computacional, tendo apresentado grande eficiência no cálculo de áreas elipsoidais.

Neste trabalho aprimorou-se um método para aproximar soluções de uma classe de equações diferenciais algébricas (DAEs), conhecida como sistemas semi-implícitos quadrados. O método, chamado aqui de MII, fundamenta-se na teoria geométrica de desacoplamento para sistemas não lineares, aliada a técnicas eficientes de análise numérica. Ele usa uma estratégia mista com cálculos simbólicos e numéricos para construir um sistema explícito, cujas soluções convergem exponencialmente para as soluções do sistema implícito original. Duas versões do método são apresentadas. Com a primeira, chamada de MIIcond, procura-se obter matrizes numericamente estáveis, através de balanceamentos. E a segunda, MIIproj, aproveita uma interpretação geométrica para o campo vetorial obtido. As implementações foram desenvolvidas em Matlab/simulink com o pacote de computação simbólica. Através dos benchmarks, realizando inclusive comparações com outros métodos atualmente disponíveis, constatou-se que o MIIcond foi inviável em alguns casos, devido ao tempo de processamento muito extenso. Por outro lado, o MIIproj mostrou-se uma boa alternativa para esta classe de problemas, em especial para sistemas de alto índex. / This work improves a method to approximate solutions for a class of differential algebraic equations (DAEs), known as systems semi-implicit square. The method, called here MII, is based on geometric theory of decoupling for nonlinear systems combined with efficient techniques numerical analysis. It uses an algorithum that mixes symbolic and numerical calculations to build an explicit system, whose solutions converge exponentially to solutions of the original implicit system. Two versions of the method are given. The first one is called MIIcond, trying to obtain numerically stable matrices through balancing. The second one is the MIIproj, taking advantage of a geometricinterpretation of the vector field there obtained. The implementations were developed in Matlab/Simulink with the symbolic toolbox. Through benchmarks, including performing comparisons with other methods currently available, it was found that the MIIcond was not feasible in some cases, due to processing time too long. On the other hand, the MIIproj presented itself as good alternative to this class of problems, especially for systems of high index.

Orientadores: Simone Andrea Pozza, Varese Salvador Timóteo / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Tecnologia / Made available in DSpace on 2018-08-26T20:52:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Pereira_MatheusFernando_M.pdf: 7089543 bytes, checksum: 5e3fe7245aa3630ebca8dda3ddd08eb3 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Diversas técnicas vêm sendo apresentadas para resolução da equação da difusão, a qual é empregada para estimativas da concentração de poluentes em função do espaço e do tempo, levando-se conta fatores como fonte emissora, condições meteorológicas, características do meio e velocidade em que o poluente é carreado. Neste estudo, foi empregado um algoritmo de passo variável para a resolução da equação da difusão unidimensional e avaliação da influência do parâmetro de heterogeneidade do meio, da velocidade do fluxo e do coeficiente de dispersão na variação da concentração de poluentes em função do espaço e do tempo. As simulações foram realizadas utilizando as mesmas condições iniciais e de contorno adotadas em dois estudos abordados recentemente na literatura, e de acordo com os resultados, verificou-se que características como meios de menor heterogeneidade, baixa velocidade inicial do fluxo e baixo coeficiente de dispersão implicam em menores valores de concentração, facilitando a dispersão de poluentes. O método utilizado é caracterizado pela rápida convergência, simplicidade do código e baixo tempo computacional, podendo ser utilizado como base para resolução da equação da difusão bi e tridimensional / Abstract: Several techniques have been employed for solving advection-diffusion equation, which is used to estimate pollutants concentration as function of time and space, taking account factors such as emission source, meteorological conditions, medium characteristics and the velocity in which pollutant is adduced. In this study, we used an adaptive-step algorithm for solving one-dimensional advection-diffusion equation, and evaluating the influence of medium inhomogeneity parameter, flow velocity and dispersion coefficient in the pollutants concentration variation as function of space and time. Simulations were performed using the same initial and boundary conditions adopted by Kumar et al. (2010) and by Savovic and Djordjevich (2012), and according to the results, it was found that characteristics such as medium of less inhomogeneity, low initial flow velocity and low dispersion coefficient imply in lower concentration and facilitate pollutants dispersion. The method is characterized by rapid convergence, simplicity of the code and low computational time, and it can be used as a basis for solving the two and the three dimensional advection-diffusion equation / Mestrado / Tecnologia e Inovação / Mestre em Tecnologia

O conhecimento das pressões parciais do etanol e da água, em função da composição da respectiva mistura binária líquida, para dada temperatura, permite efetuar a integração numérica da equação diferencial que rege a troca de componentes entre a fase gasosa e a líquida. Para isto é suposto que o ar na saída da mistura etanol e água corresponda ao equilíbrio. A equação diferencial utilizada é uma variante da clássica equação de Rayleigh para destilação simples. Partindo de dados tabelados para 25C, relativos às pressões de vapor parciais em misturas binárias Etanol e Água, a equação considerada é integrada, para uma ampla faixa de umidade relativa do ar de entrada e para uma faixa de concentrações iniciais/finais da fase líquida no intervalo de 1 a 99% em massa de etanol. Com base nos resultados obtidos, verifica-se que ocorre grande perda de massa na mistura etanol e água quando é usada uma solução alcoólica pouco hidratada (quase anidra), principalmente para baixos teores de umidade relativa presente no ar de entrada, no entanto para solução alcoólica muito hidratada a perda de massa é pequena, independente dos teores de umidade relativa.

Neste trabalho analisa-se o comportamento transiente de um modelo unidimensional de ablação por sublimação na sua superfície. Este estudo trata de uma proteção térmica com Teflon, que tem propriedades que são funções da temperatura e está sujeita a um fluxo de calor constante. Emprega-se a consideração de que o material sublimado é substituído por um material fictício e a equação da condução para a entalpia, com um "calor específico efetivo" que considera o calor latente. O cálculo do "calor específico efetivo" é feito a partir da variação da entalpia com a temperatura através de um esquema implícito. Sendo a condutividade térmica função da temperatura, com um alto valor para a fase fictícia, garante-se que não ocorra gradiente de temperatura neste meio para que o fluxo de calor aplicado no contorno original seja conduzido até a localização da fronteira de fases. A influência do método de cálculo da capacidade térmica efetiva é avaliada comparando-se os perfis de temperatura. Estes resultados são decorrentes das simulações numéricas para refinamento da malha, curva da condutividade térmica e intervalo de troca de fase (2DT) nas três metodologias que são: propriedades como função da temperatura do nó com uso do Método de Diferenças Finitas, propriedades como função da temperatura variando linearmente no elemento com uso do Método de Elementos Finitos de Galerkin e propriedades como função da temperatura local no elemento através do Método de Elementos Finitos de Galerkin com integração numérica pela regra de Simpson. Um procedimento implícito no tempo é adotado de maneira a resolver-se um sistema de equações algébricas através do TDMA (algoritmo de Thomas) a cada passo de tempo. Através da análise desenvolvida neste trabalho identifica-se a forma de implementação que mais aproxima-se dos resultados disponíveis na literatura.

Mapas simpléticos são bem conhecidos por preservarem o volume do espaço de fase em dinâmica Hamiltoniana e são particularmente apropriados para problemas que requerem longos tempos de integração. Nesta tese nós desenvolvemos abordagens baseadas em mapas simpléticos para o acoplamento de multi sub-sistemas/domínios astrofísicos/códigos de simulação, para integração eficiente de sistemas de N-corpos auto-gravitantes com grandes variações nas escalas de tempo características. Nós estabelecemos uma família de 48 novos mapas simpléticos baseados numa separação Hamiltoniana recursiva, que permite que o acoplamento ocorra de uma maneira hierárquica, contemplando assim todas as escalas de tempo das interações envolvidas. Nossa formulação é geral o suficiente para permitir que tal método seja utilizado como receita para combinar diferentes fenômenos físicos, que podem ser modelados independentemente por códigos especializados. Nós introduzimos também uma separação Hamiltoniana baseada em Hamiltonianos de Kepler, para resolver o problema gravitacional geral de N-corpos como uma composição de N2 problemas de 2-corpos. O método resultante é exato para cada problema de 2-corpos individual e produz resultados rápidos e precisos para sistemas de N-corpos quase- Keplerianos, como sistemas planetários ou um aglomerado de estrelas que orbita um buraco-negro supermassivo. O método é também apropriado para integração de sistemas de N-corpos com hierarquias intrínsecas, como um aglomerados de estrelas com binárias compactas. Nós apresentamos a implementação dos algoritmos mencionados e descrevemos o nosso código tupan, que está publicamente disponível na seguinte url: https://github.com/ggf84/tupan. / Symplectic maps are well know for preserving the phase space volume in Hamiltonian dynamics and are particularly suited for problems that require long integration times. In this thesis we develop approaches based on symplectic maps for the coupling of multi sub-systems/astrophysics domains/simulation codes for efficient integration of self-gravitating N-body systems with large variation in characteristic time-scales. We establish a family of 48 new symplectic maps based on a recursive Hamiltonian splitting, which allow the coupling to occur in a hierarchical manner, thus contemplating all time-scales of the involved interactions. Our formulation is general enough to allow that such method be used as a recipe to combine different physical phenomena which can be modeled independently by specialized simulation codes. We also introduce a Keplerian-based Hamiltonian splitting for solving the general gravitational Nbody problem as a composition of N2 2-body problems. The resulting method is precise for each individual 2-body solution and produces quick and accurate results for near-Keplerian N-body systems, like planetary systems or a cluster of stars that orbit a supermassive black-hole. The method is also suitable for integration of N-body systems with intrinsic hierarchies, like a star cluster with compact binaries. We present the implementation of the mentioned algorithms and describe our code tupan, which is publicly available on the following url: https://github.com/ggf84/tupan.

Mapas simpléticos são bem conhecidos por preservarem o volume do espaço de fase em dinâmica Hamiltoniana e são particularmente apropriados para problemas que requerem longos tempos de integração. Nesta tese nós desenvolvemos abordagens baseadas em mapas simpléticos para o acoplamento de multi sub-sistemas/domínios astrofísicos/códigos de simulação, para integração eficiente de sistemas de N-corpos auto-gravitantes com grandes variações nas escalas de tempo características. Nós estabelecemos uma família de 48 novos mapas simpléticos baseados numa separação Hamiltoniana recursiva, que permite que o acoplamento ocorra de uma maneira hierárquica, contemplando assim todas as escalas de tempo das interações envolvidas. Nossa formulação é geral o suficiente para permitir que tal método seja utilizado como receita para combinar diferentes fenômenos físicos, que podem ser modelados independentemente por códigos especializados. Nós introduzimos também uma separação Hamiltoniana baseada em Hamiltonianos de Kepler, para resolver o problema gravitacional geral de N-corpos como uma composição de N2 problemas de 2-corpos. O método resultante é exato para cada problema de 2-corpos individual e produz resultados rápidos e precisos para sistemas de N-corpos quase- Keplerianos, como sistemas planetários ou um aglomerado de estrelas que orbita um buraco-negro supermassivo. O método é também apropriado para integração de sistemas de N-corpos com hierarquias intrínsecas, como um aglomerados de estrelas com binárias compactas. Nós apresentamos a implementação dos algoritmos mencionados e descrevemos o nosso código tupan, que está publicamente disponível na seguinte url: https://github.com/ggf84/tupan. / Symplectic maps are well know for preserving the phase space volume in Hamiltonian dynamics and are particularly suited for problems that require long integration times. In this thesis we develop approaches based on symplectic maps for the coupling of multi sub-systems/astrophysics domains/simulation codes for efficient integration of self-gravitating N-body systems with large variation in characteristic time-scales. We establish a family of 48 new symplectic maps based on a recursive Hamiltonian splitting, which allow the coupling to occur in a hierarchical manner, thus contemplating all time-scales of the involved interactions. Our formulation is general enough to allow that such method be used as a recipe to combine different physical phenomena which can be modeled independently by specialized simulation codes. We also introduce a Keplerian-based Hamiltonian splitting for solving the general gravitational Nbody problem as a composition of N2 2-body problems. The resulting method is precise for each individual 2-body solution and produces quick and accurate results for near-Keplerian N-body systems, like planetary systems or a cluster of stars that orbit a supermassive black-hole. The method is also suitable for integration of N-body systems with intrinsic hierarchies, like a star cluster with compact binaries. We present the implementation of the mentioned algorithms and describe our code tupan, which is publicly available on the following url: https://github.com/ggf84/tupan.