A maioria das culturas de grãos, após colheita, possui umidade elevada, suficiente para danificálos, sendo assim, estes devem ser submetidos ao processo de secagem. A matemática aplicada e computacional é uma das ferramentas utilizadas para modelar o fenômeno de transferência de energia e massa intrínsecas a esta dinâmica. Para melhor compreendê-lo, foi realizado o estudo teórico e experimental da secagem de grãos de milho em camada fina. Assim desenvolvendo experimentos para compreender o comportamento da dinâmica de secagem do produto, bem como a perda de massa de água (umidade) do grão, em analisar a influência da velocidade e temperatura do ar de secagem. Para realizar este estudo, foram desenvolvidos experimentos metodológicos para reproduzir algumas condições encontradas apenas em grãos colhidos na lavoura. No desenvolvimento experimental as condições de temperatura e umidade do ar são conservadas estáveis e contínuas, assim garantindo uma melhor execução do processo de secagem descrito pelo modelo. Foi desenvolvido um modelo matemático de dois compartimentos para estudar a perda de umidade dos grãos de milho em camada fina no secador de fluxo cruzado. Além disso, visou-se determinar a variação do volume e da área de superfície dos grãos de milho através da implementação dos métodos de processamento de imagem digital. O modelo matemático apresentou altos valores do coeficiente de correlação (R2) e baixos valores do somatório do quadrado do erro (SSE), devido a precisão nas execuções experimentais e também na determinação dos parâmetros do modelo. O resultado do estudo da implementação dos métodos de processamento de imagem resultou na confirmação de que o grão perde dimensões proporcionalmente em todas as direções, não sofrendo deformação em sua forma. O modelo matemático de dois compartimentos descreveu com eficiência e precisão o comportamento da perda de umidade do grão de milho após os períodos expostos ao processo de secagem, onde os estudos metodológicos realizados demonstraram alta precisão em sua execução. / 108 f.

Made available in DSpace on 2015-03-04T18:50:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Vitor.pdf: 5712854 bytes, checksum: b3b56770c9a5e06888ee08b2683bc9e8 (MD5) Previous issue date: 2011-07-01 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientifico e Tecnologico / O movimento da água em solos não saturados (zona vadosa) pode ser descrito pela equação de Richards, obtida pela combinação da equação de conservação de massa e da lei de Darcy-Buckingham. Usualmente essa equação é representada sob três formas básicas: h - baseada na carga de pressão, θ - baseada na umidade volumétrica e mista - baseada na combinação das duas variáveis. Essas equações são matematicamente equivalentes; porém, em geral, suas aproximações numéricas podem levar a resultados bastante diferentes. Neste trabalho foram validados e comparados modelos numéricos, implementados em um código computacional na linguagem C, para a aproximação da equação de Richards, nas suas três formas, em uma dimensão. Para isso, empregou-se o método de diferenças finitas centrado no espaço e atrasado no tempo. Visando melhorar a conservação de massa dos modelos utilizados e o tempo de execução do programa, principalmente em problemas que apresentam mudanças bruscas nas condições de contorno e/ou camadas estratificadas, foram também implementadas três estratégias para a escolha do passo de tempo, assim como técnicas para aproximar as não-linearidades nos pontos intermediários da malha computacional e naqueles situados nas interfaces das camadas. A validação dos modelos acima se deu através da comparação das soluções aproximadas com a solução semi-analítica de Philip e a totalmente analítica de Srivastava e Yeh para colunas de solos homogêneas e estratificadas. A partir de dados disponíveis na literatura avaliou-se também a precisão e a eficiência das metodologias estudadas nas: i) aproximações da condutividade e da capacidade hidráulica e ii) na aplicação das estratégias de passo de tempo, quanto à precisão dos resultados simulados, à conservação de massa e ao tempo de execução do programa. De acordo com o desempenho das metodologias analisadas foram apontadas as melhores opções para a solução de cada problema, indicando-se assim alternativas na implementação de modelos numéricos para o escoamento da água na zona vadosa.

Neste trabalho um método de partículas para simular a dinâmica de sólidos elásticos e interação fluido estrutura e implementado. O método e baseado no Moving Particle Semi-implicit (MPS), originalmente desenvolvido para escoamentos incompressíveis com superfície livre. A estratégia principal do MPS e substituir os operadores diferenciais das equações governantes por operadores diferenciais discretos em uma distribuição de nos irregulares, derivados de um modelo de interação entre partículas. Inicialmente são apresentados os detalhes da formulação do método e modelos constitutivos utilizados. Uma condição simplificada de fragmentação e proposta, assim como um algoritmo de detecção de contato, permitindo a fragmentação entre vários sólidos. No caso da interação fluido-estrutura, as partículas de superfície do solido são tratadas como partículas de fluido e as pressões destas partículas são calculadas pela resolução da equação de Poisson para a pressão, tal como as partículas de fluido. Desta forma, o acoplamento entre solido e fluido e realizado utilizando o deslocamento e velocidade do solido elástico, como condições de contorno do fluido, e a pressão na interface, obtida pela resolução do movimento do fluido, e aplicada ao movimento do solido elástico. São apresentados e detalhados os algoritmos de solido elástico, fragmentação, colisão e acoplamento fluido-estrutura. Validações qualitativas e quantitativas do método são realizadas para casos estáticos e dinâmicos sujeitos a diferentes condições de contorno, comparando os resultados numéricos obtidos pelo MPS, outros métodos numéricos, soluções analíticas e medições experimentais presentes na literatura. / In this work a particle method to simulate the dynamics of elastic solids and fluid-structure interaction is implemented. It is based on the Moving Particle Semi-implicit Method (MPS), which was originally developed for incompressible flows with free surface. The main strategy of the MPS is to replace the differential operators of the governing equations by discrete differential operators on irregular nodes, which are derived from a model of interaction between particles. Initially details of the method and constitutive equations are shown. A simplified condition of fragmentation and collision between solids are proposed to allow the investigation of fragmentation amount multiple solids. In case of fluid-structure interaction, the solid\'s surface particles are treated as a fluid particle and the pressures of the surface particles are computed by solving Poisson equation for the pressure, just as the fluid particles. Therefore, the coupling between solid and fluid is done by using the displacement and velocity of elastic solid as the boundary conditions of the fluid, and the pressure at the interface, which is obtained when solving the fluid motion, is used to calculate the motion of the elastic solid. The algorithms for elastic solid, fragmentation, collision and fluid-structure interaction are presented and detailed. The qualitative and quantitative validations of the method are carried out herein considering static and dynamic cases subjected to deferent boundary conditions by comparing the numerical results from MPS with other numerical, analytical and experimental results available in the literature.

Esta dissertação discute o desenvolvimento de modelos analíticos e numéricos para as características elétricas de transistores de fios quânticos. Sendo assim, realizou-se um estudo implementando uma sequência de formalismos e ferramentas computacionais para solução auto-consistente das equações de Schrödinger e Poisson para poços e fios quânticos. Com a utilização deste método numérico pode-se determinar os auto-estados os níveis de energias e as densidades eletrônicas de portadores livres, dentre outros parâmetros relevantes para dispositivos de fio quântico. Adicionalmente, realizou-se um estudo analítico das heteroestruturas semicondutoras de interesse para a área de dispositivos de dimensionalidade reduzida. Este estudo levou a obtenção de resultados referentes ao desenvolvimento de modelos teóricos para as características elétricas de dispositivos baseados no mecanismo de tunelamento ressonante. Os resultados obtidos para a característica corrente-tensão (I-V) nas heteroestruturas investigadas foram contrastados satisfatoriamente com os encontrados na literatura. Este ferramental analítico foi então aplicado para computar o coeficiente de transmissão eletrônico de um diodo de fio quântico com tunelamento ressonante. / This dissertation discusses the development of analytical and numerical models for the electrical characteristics of quantum wire transistors. A study is carried out, implementing a sequence of formalisms and computational tools for the self-consistent solution of the equations of Schrödinger and Poisson in quantum wells and quantum wires. By using this numerical formulation it is possible to determine the eigenstates, energy levels and free-carrier electronic density, among other relevant parameters for quantum wire devices. In addition, we also conducted an analytical study concerning semiconductor heetrostrucures of interest for reduced dimensionality devices applications. This study led to results regarding the development of theoretical models for the electrical characteristics of devices based on the resonant tunneling mechanism. The results obtained for the current-voltage (I-V) characteristics in the investigated heterostructures were satisfactorily compared to those available at the published literature and this analytical tool was then used to compute the electronic transmission coefficient in a resonant tunneling quantum wire diode.

O Tanque de Provas Numérico (TPN) é um laboratório pioneiro em hidrodinâmica aplicada e fruto de uma colaboração entre a indústria brasileira de petróleo (PETROBRAS S.A.) e as principais instituições de pesquisa do país. Seu principal objetivo é atuar como parceiro da indústria offshore e de petróleo, colaborando para a obtenção da autossuficiência da produção nacional de petróleo como uma poderosa ferramenta para projeto e análise de sistemas flutuantes de produção de óleo e gás. O coração do TPN é um cluster de computadores SMP que é hoje um dos maiores agrupamentos do Brasil para fins de pesquisa. Um dos focos de atenção do TPN é a aplicação do Moving Particles Semi-implicit Method (MPS) na exploração de soluções para muitos problemas de Engenharia. Por trabalhar sem a necessidade do uso de malhas (método tradicional Euleriano), o método tem diversas aplicações na simulação de corpos flutuantes e na hidrodinâmica aplicada, sendo atualmente utilizado para realização de estudos sobre a influência do movimento de ondas em navios; simulações de fenômenos que envolvem fragmentações; superfícies livres; grandes deformações; dinâmica de fluidos em condições extremas, como é o caso em processos prospecção do petróleo onde muitas vezes é difícil e economicamente inviável fazer ensaios físicos. Devido ao grande número de partículas utilizadas na simulação de sistemas complexos pelo método MPS, é necessário aproveitar de forma eficiente os recursos computacionais disponíveis para a análise de modelos com o refinamento adequado às aplicações práticas. Com tera-FLOPS disponíveis na rede cluster do TPN para modelagem computacional, há uma grande necessidade de uma solução computacional paralela altamente escalonável que, além disto, seja fácil de manutenção e extensibilidade. Dentro desta linha de pesquisa, foi desenvolvida uma solução com essas características através do emprego de modernas técnicas de engenharia de software. / The Numerical Offshore Tank (TPN) is a pioneer laboratory in applied hydrodynamics and result of collaboration between the Brazilian oil (Petrobras SA) and the major research institutions in the country. Its main purpose is to act as a partner of industry and offshore oil, contributing to the achievement of self-sufficiency of domestic oil production as a powerful tool for design and analysis of floating production systems for oil and gas. The heart of TPN is a cluster of SMP computers that is now one of the largest groupings of Brazil for research purposes. One focus of attention of TPN is the application of Moving Particles Semi-implicit Method (MPS) in exploring solutions to many engineering problems. By working without the use of mesh (Eulerian traditional method), the method has several applications in the simulation of floating bodies and applied hydrodynamics, currently being used for studies on the influence of the movement of ships in waves; simulations of phenomena involving fragmentation; free surfaces, large deformations; fluid dynamics in extreme conditions, as is the case in processes where petroleum exploration is often difficult and uneconomical to do physical tests. Due to the high number of particles used in the simulation of complex systems by the MPS method, it is necessary to efficiently take advantage of the computational resources available for the analysis of models with the refinement suitable for practical applications. With tera-FLOPS available in the TPN network cluster for computational modeling, there is a great need for a parallel highly scalable solution which, moreover, must be easy maintenance and extensibility. Within this line of research, we developed a solution with these characteristics through the use of modern software engineering techniques.

Este trabalho estuda a técnica de reconstrução de imagens conhecido como tomografia por impedância elétrica em um domínio bidimensional. Esta técnica consiste na alocação de eletrodos na fronteira do volume e uma fonte injeta padrões de corrente através dos eletrodos e medem-se as voltagens resultantes na fronteira. Com estes dados estima-se a condutividade (ou resistividade) do interior do domínio criando-se uma imagem do mesmo. A tomografia por impedância elétrica é um problema inverso e mal posto no sentido de Hadamard. Estudam-se diversos métodos de solução para resolver o problema direto usando métodos numéricos como diferenças finitas e volumes finitos. Proporemos os métodos numéricos a serem aplicados na solução do problema direto os quais serão testados com problemas onde a solução analítica é conhecida. Posteriormente aplicaremos os métodos propostos ao problema especifico. Uma questão importante na reconstrução de imagens é propor a maneira como aproximar o Jacobiano (ou matriz de sensibilidade) do problema, assim desenvolvemos uma técnica para a aproximação do mesmo usando os dados fornecidos pelo problema direto. / In this work is studied the technique of reconstruction of images known as electrical impedance tomography for a two-dimensional domain. This technique consists in the allocation of electrodes on the border of the volume and a source injects patterns of current through the electrodes and then measuring voltages through the other electrodes. With these data it is estimated the conductivity (or resistivity) on the interior of the domain and an image is create of it. The electrical impedance tomography is an inverse and ill conditioned problem in the Hadamard sense. In this work, is studying some numerical methods to solve the direct problem and are applied numerical methods such as the finite difference method and the finite volume method. It is proposed some numerical methods to solve the direct problem which will be tested with analytical problems where the solution is known. Later, apply the methods proposed to the specific issue. An important issue in the reconstruction problems is about the Jacobian (or sensitivity matrix) aproximation, thus proposing a technique for the calculation of even using the data provided by the direct problem. Keywords:

A utilização de perfis formados a frio na construção civil tem sido motivada pela elevada eficiência estrutural, expressa pela relação entre capacidade resistente e peso, e pela facilidade de fabricação, caracterizada pela possibilidade de produção de elementos com diferentes seções transversais. Devido à alta esbeltez dos elementos que os constituem, o projeto desses perfis, à temperatura ambiente ou em situação de incêndio, é governado pelos fenômenos de instabilidade local, distorcional e global. O objetivo dessa Tese é o desenvolvimento de ferramentas computacionais que possibilitem a avaliação do comportamento estrutural de pilares de aço formados a frio em situação de incêndio. Para esse fim são desenvolvidos dois programas de computador. O primeiro programa, denominado de ATERM, tem o objetivo de determinar o campo de temperaturas em regime transiente, de estruturas bidimensionais formadas por qualquer material, submetidas a qualquer curva temperatura-tempo de incêndio, com base no método dos elementos finitos. A esse programa acopla-se o programa ATERM-DIM para o dimensionamento em regime plástico de vigas de aço continuamente travadas, em situação de incêndio. Resultados obtidos do ATERM são comparados aos obtidos do programa sueco de computador Super Tempcalc. O segundo programa, denominado de INSTAB, realiza análises lineares e não lineares de estabilidade de perfis formados a frio, considerando as instabilidades local, global e distorcional, empregando o método das faixas finitas splines, para material elastofrágil, considerando a redução das propriedades mecânicas devido à temperatura. Valores de esforços resistentes obtidos pelo programa INSTAB são comparados aos determinados por meio do programa comercial de elementos finitos ANSYS, o qual considera o comportamento elastoplástico do material, e a resultados obtidos por meio de um método simplificado de dimensionamento de perfis formados a frio em situação de incêndio, proposto pelo autor para fins de normatização brasileira. Essa comparação permite avaliar o efeito da elastoplasticidade nos perfis axialmente comprimidos. Pretende-se, com base neste estudo, fornecer subsídios para o desenvolvimento de procedimentos para a verificação estrutural de perfis formados a frio em situação de incêndio. / The use of cold-formed steel profile in construction has increased because of its high efficiency, expressed as the ratio between load capacity and weight, and ease of manufacturing, characterized by the possibility of production of elements with different cross sections. Due the high slenderness ratio of the sections elements, the design of these profiles, either at room temperature or in case of fire, is determined by local, distortional and global buckling phenomena. The aim of this Thesis is to develop computational tools that allow the assessment of the structural behavior of cold-formed steel columns in fire. For this purpose, two softwares are developed. The first one, called ATERM, allows determining the temperature field under transient analysis of two-dimensional structures formed by any material, subjected to any time-temperature fire curve, and is based on the finite element method. This software interacts with another program, ATERM-DIM, used for plastic design of lateral restrained beams steel in fire. Results of ATERM are compared to those obtained from the Swedish software Super Tempcalc. The second program, named INSTAB, can perform linear and nonlinear stability studies of cold formed profiles, taking into account the local, distortional and global buckling, by means of the splines finite strip method for elastofragile material, considering the reduction of mechanical properties caused by the increase in temperature. Resistant values obtained by the INSTAB software are compared with results from the commercial finite element program ANSYS, which considers the plastic behavior of the material and also with results obtained by means of a simplified method for design of cold-formed profiles in fire, proposed by the author for the Brazilian fire standard. This comparison allows analyzing the effect of elastoplasticity in columns of cold-formed steel. Another objective of this study is to provide background for the development of procedures for the structural analysis of cold formed profiles in fire.

Neste trabalho é apresentada a análise do transitório hidráulico com a tensão de cisalhamento na parede do conduto forçado, tendo sido modelada por gradiente harmônico de pressão. É apresentada, também, a comparação dos resultados obtidos com a aplicação do método numérico de MacCormack com a utilização de fator de atrito em relação aos obtidos através da utilização de MacCormack com a introdução da tensão de cisalhamento modelada por gradiente harmônico de pressão, na análise de transitórios hidráulicos em condutos forçados. / This work presents the analysis of the Hydraulic Transient with wall shear stress on the pressurized flow modeled by harmonic Pressure Gradient. Appears also to compare results obtained with the application of the MacCormack numerical method with the use of friction factor with respect to those obtained through use of MacCormack with the introduction of wall shear stress on the pressurized flow modeled by harmonic Pressure Gradient in the analysis of hydraulic transients.

O objetivo desta tese é introduzir uma nova metodologia para a cinética bidimensional multi- grupo de difusão de nêutrons em reatores nucleares. A metodologia apresentada usa uma aproximação polinomial em um domínio homogêneo retangular com condições de contornos não homogêneas. Como ela consiste em uma série de Taylor truncada, sua estimativa de erro varia de acordo com o tamanho do retângulo. Os coeficientes são obtidos principalmente pelas suas relações com o termo independente, que _e determinado pela equação diferencial. Estas relações são obtidas apenas pelas condições de contorno, e é demonstrado serem linearmente independentes. Um esquema numérico é feito para assegurar uma rápida convergência. Estes procedimentos feitos para um retângulo homogêneo são feitos para construir soluções para problemas de autovalor e dependentes do tempo de geometria ortogonal global com parâmetros seccionalmente constantes pelo método iterativo SOR. O autovalor dominante e sua autofunção são obtidos pelo método da potência no problema de autovalor. A solução para casos dependentes do tempo usam o método de Euler modificado na variável tempo. Quatro casos-teste clássicos são considerados para ilustração. / The objective of this thesis is to introduce a new methodology for two{dimensional multi{ group neutron diffusion kinetics in a reactor core. The presented methodology uses a polyno- mial approximation in a rectangular homogeneous domain with non{homogeneous boundary conditions. As it consists on a truncated Taylor series, its error estimates varies with the size of the rectangle. The coefficients are obtained mainly by their relations with the independent term, which is determined by the differential equation. These relations are obtained by the boundary conditions only, and these relations are proven linear independent. A numerical scheme is made to assure faster convergence. The procedures done for one homogeneous rectangle are used to construct the solution of global orthogonal geometry with step{wise constant parameters steady state and time dependent problems by the iterative SOR algo- rithm. The dominant eigenvalue and its eigenfunction are obtained by the power method in the eigenvalue problem. The solution for the time dependent cases uses the modi ed Euler method in the time variable. Four classic test cases are considered for illustration.

A pesquisa voltada para a retroanálise de taludes de mineração está se tornando cada vez mais importante. As dimensões das atuais cavas de mineração visam sempre obter a melhor relação entre custo, benefício e segurança. Isso exige que por vezes o trabalho ocorra próximo destes limites. Neste trabalho o estudo de retroanálise consiste em um talude misto composto por aluvião e rocha em uma mineração de carvão localizada no município de Arroio dos Ratos, RS. O objetivo foi realizar um estudo de retroanálise onde se utilizou dois métodos de análise método dos Elementos Finitos (MEF) e o método do Equilíbrio Limite (EL). A metodologia adotada foi dividida em três fases: uma etapa de campo, para coleta do material e dados geométricos do talude, uma etapa de laboratório para caracterizar todo o material e a última etapa computacional onde foram gerados os modelos e simulações numéricas através dos softwares comerciais da empresa RocScience, sendo eles o SLIDE e o RS2. Os resultados encontrados mostraram que a porção do talude composta por aluvião apresentava seis camadas intercaladas de areias bem graduadas e argilas de média a alta plasticidade. Em relação as simulações, observou uma diferença entre o MEF e EL devido ao grande número de camadas presentes no talude e a interação entre elas. Foram criados quatro diferentes cenários para observar o comportamento do talude, com presença e ausência de água. O MEF mostrou uma superfície de ruptura próxima a encontrada porem com a presença de água o Fator de Segurança (FS) sofreu uma grande depreciação. O EL considerou uma superfície de ruptura satisfatória, nas simulações com presença de água FS sofreu uma depreciação mínima mesmo com máxima saturação de água no talude. Apesar das diferenças ambos os métodos são confiáveis mas devem ser usados de forma adequado ao tipo de problema existente. Situações mais simples e com taludes mais homogêneos o EL trona-se mais indicado, para problemas de maior complexidades e interações entre camadas o MEF se mostrou satisfatório e com boa resposta. O resultados através do MEF se aproximaram mais da situação real encontrada em campo. / A research focus on retro analysis on mine slopes is becoming increasingly important. The dimensions of current mining caves aim to always obtain the best cost benefit ratio as well as the highest safety level. This demands that the work sometimes is done within these limits. In this paper the study of retro analysis is made up of a mixed slope composed of alluvial and rocks, in a coal mine in Arroio dos Ratos, RS. The goal was to carry out a retro analysis study using two analysis methods: The Finite Element Method (FEM) and Limit Equilibrium analysis (LE). The methodology adopted was split into three phases: a field stage for the sample collection and slopes geometric , a laboratory stage to classify all the material and a final computacional stage were model and numerical simulations were created by way of commercial software, Slide and RS2, by RocScience. The results showed that the portion of the slope composed of alluvium had six layers interspersed with well graded sands and high plasticity clays. The simulations observed a difference between the FEM and LE due to the number of layers present in the slope and the interaction among them. Four different scenarios were created in order to observe the behavior of the slope. The FEM presents surface failure similar to one found in the field. The LE always takes into consideration the overall critical surface which is not observed in the field, it also show high security factor levels above one 1.3 that does not reflect a real situation since the slope is collapsed. In spike of the differences, both methods are reliable but they must be used according to the existing problems. For simpler situations with homogeneous slopes LE is recommended while move complex problems and interactions among lawyers calls for FEM.