In this work we try to analyse the dynamics of the Navier-Stokes equations in a problem without domain complexities as is the case of the plane Poiseuille flow. The Poiseuille problem is described as the flow of a viscous incompressible fluid, in a channel between two infinite parallel plates. We have considered it in two dimensions for the most common boundary conditions used to drive the fluid: mean constant pressure gradient or constant flux through the channel. We also specify the relation between this two formulations.We give the details of the direct numerical solution of the full two-dimensional, time-dependent, incompressible Navier-Stokes equations, formulated by means of spectral methods on the spatial variables and finite differences for time. Unlike other authors we have considered the classical formulation in terms of primitive variables for velocity and pressure. We also describe the approach adopted to eliminate the pressure and the cross-stream component of the velocity, obtaining thus a reduced system of ordinary differential equations from an original system of differential-algebraic equations. This is translated to a reduction of two thirds in the dimension of the original system and, in addition, it allows us to study the stability of fixed points by means of the analytical Jacobian matrix.We reproduce previous calculations on travelling waves (which are time-periodic orbits) and its stability to superharmonic disturbances. These solutions are observed as stationary in a Galilean reference in the streamwise direction. We begin by reviewing some results of the Orr-Sommerfeld equation which serve as a starting point to obtain the bifurcating solutions of time-periodic flows for several values of the periodic length in the streamwise direction. In turn, we also calculate several Hopf bifurcations that appear on the branch of periodic flows, for both cases of imposed constant flux and pressure.Likewise, for each unstable periodic flow, we study the connection of its unstable manifold to other attracting solutions.Starting at the Hopf bifurcations found for periodic flows, we analyse the bifurcating branches of quasi-periodic solutions at the two first Hopf bifurcations for the case of imposed constant pressure and the first one for constant flux. Those solutions are found as fixed points of an appropriate Poincaré map since, by the symmetry of the channel, they may be viewed as periodic flows in an appropriate moving frame of reference. We also study their stability by analysing the linear part of the Poincaré map. In the case of constant flux we have found a branch of quasi-periodic solutions which, on increasing the Reynolds number, changes from stable to unstable, giving rise to an attracting family of quasi-periodic flows with 3 frequencies. The results referring to the first Hopf bifurcation for constant pressure, are not in qualitative agreement with those of Soibelman & Meiron (1991),which yield a different bifurcation picture and stability properties for the obtained quasi-periodic flows. From the computed unstable flows we follow their unstable invariant manifold and describe what new attracting solution they are conducted to.

Esta dissertação apresenta um estudo da caracterização numérica do comportamento mecânico de um músculo esquelético estriado sujeito à combinação de diferentes contrações. A partir dos mecânismos fisiológicos da contração do tecido muscular esquelético, são apresentadas as principais características da produção de força do músculo em diferentes tipos de contrações (isométrica, concêntrica, excêntrica) e suas combinações. A representação numérica da resposta mecânica do músculo esquelético foi investigada por diferentes autores. Dos diversos modelos encontrados na literatura, alguns foram escolhidos para a continuidade deste estudo, segundo sua capacidade representativa e facilidade de implementação em métodos numéricos de solução para grandes deformações. Os modelos disponíveis na literatura foram implementados e avaliados para diferentes sequências de contrações, sendo também realizado um ajuste de parâmetros para dados experimentais de contrações isométricas e isométricas-excêntricas-isométricas. Nenhuma das propostas avaliadas apresentou resultados satisfatórios. A principal deficiência dos modelos foi a incapacidade de reproduzir a dependência do histórico de carregamentos, ou seja, da combinação de contrações. Desta maneira, uma nova proposta de modelo constitutivo foi desenvolvida e implementada para testes uniaxiais e em um código de elementos finitos para testes tridimensionais. A partir destas implementações, foram executados testes numéricos para diferentes sequências de contrações, avaliando a capacidade representativa do modelo proposto neste trabalho. O modelo proposto apresentou bons resultados para contrações isométricas e a combinação de contrações com diferentes níveis de alongamento, ou encurtamento, a uma mesma velocidade. A principal contribuição deste modelo é a capacidade de representar a resposta associada à fadiga muscular e o ganho, ou perda de força, observados experimentalmente. / This work present a striated skeletal muscle numerical characterization subjected to different contractions. From the physiological contraction mechanism of the skeletal muscle tissue the force produced in different kinds of contraction (isometric, concentric and eccentric), and their combination, are presented. The numerical representation of these response was investigated by different authors. From the diverse models found in literature, some were selected to be studied according to their representation capability and the implementation ease in numerical methods for large strains. The models available in literature were implemented and evaluated for different contractions combinations and a parameter identification for experimental results of two isometric contraction and a isometric-eccentric-isometric contraction. None of the proposed models presented satisfactory results. The main deficiency of these models were the incapability of reproducing the loading history dependence, in other words, the contraction combination. In this way, a new material model was proposed and implemented to uniaxial and tridimensional finite element method tests. From these, different contractions sequences evaluated the proposed model representation capabilities. The proposed model present good results to isometric contraction, as well as contraction combination with different stretch, or shortening, level in the same speed. The main contribution of this model is the capability of represent the the response associated to the muscle fatigue and the force gain or loss, experimentally observed.

No desenvolvimento de projetos de iluminação de ambientes, um dos objetivos que se destaca é a busca pelo conforto visual, que emprega metodologias de resolução conhecidas, como o Método dos Lumens e o Método Ponto a Ponto. A luz visível está contida no espectro da radiação térmica e, portanto, o fluxo luminoso pode ser relacionado ao fluxo de radiação térmica. Determinar as posições e as competências das fontes de luz necessárias na superfície de projeto ganha importância quando o comportamento, em termos de uniformidade ou de fluxo radiante, é especificado. O presente trabalho visa a estabelecer diferentes valores de fluxo em duas regiões distintas da superfície do projeto. Por meio do posicionamento das fontes de luz, é estabelecido um fluxo maior na região denominada principal e um fluxo menor na região denominada secundária. A modelagem matemática da radiação térmica (Método das Radiosidades) é aplicada ao projeto de iluminação, considerando-se as características da visão humana e o comportamento das fontes de luz. Na modelagem, é considerada uma cavidade retangular tridimensional com superfícies cinza e com condição de parede fria, na qual o poder emissivo das paredes é nulo. As fontes de luz são representadas por unidades de malha no teto. A relação de equações é resolvida por metodologia inversa, usando o algoritmo de Otimização Extrema Generalizada (GEO). Este algoritmo é classificado como um método de otimização estocástica de busca global para a resolução de sistemas considerados inicialmente mal condicionados. A posição e a potência das fontes luminosas são determinadas pela resolução do sistema de equações, de forma a proporcionar um fluxo de radiação duas vezes maior na região principal em relação à região secundária. A função objetivo do processo consiste em minimizar a diferença entre o fluxo desejado e os valores de fluxo de radiação incidente nas duas regiões da superfície de projeto. Em virtude das características de simetria do problema, a relação é estabelecida para apenas um quarto da cavidade. Assim, por exemplo, aplicar a metodologia com 9 fontes de luz a um quarto da região resulta em 36 fontes de luz em toda a cavidade. Os resultados mostram que é possível encontrar um arranjo de fontes de luz preestabelecendo-se duas condições de potência. / In the development of environmental illumination projects, one of the main goals to be achieved is the visual comfort, which is usually done by known methodologies, like the Lumens Method and the Point by Point Method. Since the visible light is contained in the spectrum of thermal radiation, the luminous flux can be related to the thermal radiation flux. The determination of the position and power of the light sources required by the design surface gains an higher importance whenever a behavior is specified, should it be in terms of uniformity or in therms of radiant flux. In this work, we describe a method that allows the establishment of different flux values in two distinct regions of the design surface, which are referred by the names main region and secondary region. Through the spatial arrangement of the light sources, the method sets a more intense flux in the main region and a less intense one in the secondary region. The mathematical model of thermal radiation, known as Radiosity Method, is applied to the illumination design, along with the characteristics of the human vision and the behavior of light sources. In this model, a rectangular three-dimensional cavity is considered. It has gray surfaces and exhibits the conditions of a cold wall, in which the emissivity power of the walls is null. The light sources are represented by a mesh unit in the ceiling. The system of equations is solved by inversemethodology, using the Generalized Extremal Optimization (GEO) algorithm. This algoritm is classified as being a stochastic optimization method of global search to solve systems that are initially considered ill-conditioned. By solving this system, the position and power of light sources can be determined, and this is done in such a way that the flux radiation in the main region is twice more intense then the one in the secondary region. The target function of the whole process is to minimize the difference between the desired flux and the incident flux radiation values for each one of the two design surface regions. We further explore the problem symmetry, solving the equation system for only a quarter of the cavity. This way, if the methodology is applied with nine light sources into a quarter of the region, the entire cavity will behave as if it has 36 light sources. Our results show that, given two prescribed conditions of power, it is possible to find an arrangement of light sources.

Este trabalho apresenta um estudo experimental do efeito da razão de bloqueio em um canal aerodinâmico no Número de Strouhal e o fenômeno da biestabilidade. É estudado o escoamento turbulento sobre um cilindro e também sobre dois cilindros dispostos lado a lado, onde fez-se uso de cilindros de vários diâmetros a fim de variar a razão de bloqueio no canal. Dois tipos de espaçamento entre os tubos são estudados. A técnica experimental consiste na medição de flutuações de velocidades em um canal aerodinâmico utilizando a técnica de anemometria de fio quente. Os dados obtidos da medição no canal aerodinâmico são tratados com o uso de ferramentas estatísticas, espectrais e de ondaletas. Para um cilindro, os resultados confirmam o aumento do número de Strouhal com o aumento da razão de bloqueio, na faixa do número de Reynolds utilizada. Razões de bloqueio mais baixas podem acarretar diminuição do número de Strouhal, também em função do número de Reynolds. Os resultados confirmam a existência do fenômeno da biestabilidade no escoamento sobre dois cilindros dispostos lado a lado, assim como a influência da razão de bloqueio sobre o fenômeno, sendo mais predominante em um dos espaçamentos estudados. Para razões de bloqueio altas, o fenômeno da biestabilidade pode não ocorrer ou pouco ocorre. Para razões de bloqueio mais baixas podemos ter também a não ocorrência do fenômeno em função das dimensões dos tubos serem mais reduzidas, fazendo com que a captação do fenômeno também seja reduzida. / This paper presents an experimental study of the effect of blockage ratio in a aerodynamic channel on Strouhal number and the bistability phenomenon. It studied the turbulent flow around a single cylinder and also on two cylinders arranged side-by-side, where use has been made of cylinders of various diameters to vary the blockage ratio of the channel. Two types of pitch to diameter ratio are studied. The experimental technique consists of measuring velocity fluctuations in aerodynamic channel using the technique of hot-wire anemometry. The data obtained from measuring the aerodynamic channel are treated with the use of statistical tools, spectral and wavelet analysis. For a single cylinder, the results confirm the increase of the Strouhal number with increasing blockage ratio in the range of Reynolds number used. Lower blockage ratio can cause a decrease of the Strouhal number, also a function of Reynolds number. The results confirm the existence of the bistability phenomenon in the flow on two cylinders arranged side-by-side, as well as the influence of blockage ratio on the phenomenon, being more predominant in one of the row spacings. For higher blockage ratios, the bistability phenomenon may not occur or occurs shortly. For lower blockage ratio, due to the smaller dimensions of the tubes the phenomenon may not occur on the capture of the phenomenon is also reduced with the present experimental technique.

Neste trabalho, é estudado o controle da transmissão do som numa placa retangular e fina. Para tanto, é encontrada a resposta dinâmica da placa, excitada por forças harmônicas pontuais e piezomomentos, obtida usando uma base não-clássica e uma análise modal. A radiação sonora emitida pela vibração da placa é encontrada. A potência sonora radiada pode ser calculada aplicando controle ativo diretamente na estrutura, na forma de uma entrada vibratória, uma vez conhecida a resposta na superfície da placa, obtendo-se uma signicativa redução analitica. Os piezocerâmicos, modelados como quatro momentos pontuais, são unidos a superfície da placa como atuadores. A potência sonora transmitida antes e depois do controle é comparada, usando diferentes número de atuadores. Uma estratégia clássica de controle linear quadrático (LQR) e empregada no contexto de um procedimento de otimização da posição dos atuadores do sistema.

No presente trabalho, é apresentado um modelo numérico para análise tridimensional de túneis escavados em maciços rochosos reforçados por tirantes aderidos ao longo de todo o seu comprimento. O método numérico utilizado é o método dos elementos finitos. A abordagem usada na modelagem da interação maciço/tirante é o método de homogeneização de meios periódicos. Essa abordagem substitui o meio compósito constituído de rocha e tirantes por um meio homogeneizado equivalente, dispensando a tarefa de discretizar cada tirante separadamente. O comportamento do maciço é considerado elastoplástico perfeito, caracterizado pelo critério de Drucker-Prager, com regra de fluxo associada. O revestimento é considerado elástico, enquanto os tirantes são tratados como inclusões lineares em tração/compressão com lei de comportamento elastoplástica. Com esse modelo foi implementado um código, tridimensional, que simula o processo de escavação pelo método da ativação/desativação de elementos. Esse código é capaz de levar em conta diferentes situações de profundidade, geometria e estado inicial de tensões. Com a finalidade de avaliar o desempenho da abordagem de homogeneização, foi implementado um segundo código, que modela a interação maciço/tirante por meio do método incorporado. Esse método, muito usado em análises de concreto armado, tem em comum com o método de homogeneização a capacidade de lidar com diferentes configurações de reforços utilizando a mesma malha base. Ao final, os dois códigos são utilizados em modelagens de um caso real, o túnel experimental Kielder (Inglaterra), para o qual se dispõe de dados medidos in situ. A comparação destes dados com os resultados das duas modelagens mostra uma aproximação muito boa. / A numerical model for three-dimensional analysis of tunnels excavated in reinforced rock mass by fully grouted bolts is presented in this work. The numeric method utilized is the finite element method and the approach used in the modeling of the interaction mass/bolt is the homogenization of periodic media method. This approach replaces the composite medium formed by rock and bolts by a homogenized equivalent medium eliminating the task of discretizing each bolt separately. The rockmass behavior is considered elastoplastic perfect caracterized by the Drucker-Prager criterion with associated flow rule. The lining is elastic, while the bolts are treated as linear inclusions in tension / compression with elastoplastic behavior law. A three-dimensional code was implemented with this model that simulates the excavation process by means of the activation-deactivation method. This code is able to consider different situations of depth, geometry and initial state of stress. In order to evaluate the performance of the homogenization approach, a second code was implemented to model the interaction rockmass/bolts by means of the embedded method. This method, widely used in analysis of reinforced concrete, has in common with the approach of the homogenization the capacity to deal with different configurations of reinforcements with the same base mesh. Finally, the two codes are used to model a real case, the Kielder experimental tunnel (England), for which in situ measured data are available. The comparison of these data with the results of the two modeling shows a very good approximation.

Os processos de conversão de energia tendem a considerar cada vez mais restrições econômicas e ambientais, tornando-se necessário o entendimento da interação entre combustão e turbulência. Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de soluções analíticas para a fração de mistura de uma chama difusiva, sob forma de um jato turbulento axissimétrico. Foi desenvolvida, também, uma metodologia analíticonumérica para a determinação das frações mássicas dos componentes, considerando uma reação de combustão de dois passos. Os resultados foram comparados com dados experimentais encontrados na literatura para uma chama de hidrogênio H2=N2 (50/50% em volume). De modo geral, os resultados obtidos foram satisfatórios frente aos dados experimentais, sendo a principal limitação o fato das expressões analíticas obtidas não serem capazes de representar o jato próximo à saída do bocal, sendo válidas a partir de, aproximadamente, x=d > 10, onde x é a coordenada ao longo do comprimento do jato. A principal vantagem do método empregado neste trabalho é a diminuição da complexidade do sistema de equações a ser resolvido numericamente. / The energy conversion processes tend to consider even more economical and environmental constraints, making it necessary to understand the interaction between combustion and turbulence. This study aims at the development of analytical solutions for the mixture fraction of a diffusive flame in the form of an axisymmetric turbulent jet. It was also considered an analytical-numerical approach for the determination of the mass fractions of the compounds, for a two-step reaction. The results were compared with data found in literature for a hydrogen flame H2=N2 (50/50 % by volume). Overall, the results were satisfactory when compared with the experimental data, however the principal limitation was the fact that the analytical expressions were not able to represent the jet near the nozzle exit, being the solution valid from, approximately, x=d > 10, where x is the coordinate along the jet length. The main advantage of the method employed in this work is the decrease in the complexity of the equations system to be solved numerically.

O estudo de parâmetros cinéticos para a queima de carvão se dá através de utilização de equipamentos laboratoriais como o forno de queda livre (DTF). O presente trabalho trata do desenvolvimento e análise de um modelo numérico unidimensional de um DTF. A modelagem é realizada a partir de dados da literatura, e as equações discretizadas que caracterizam os fenômenos do escoamento, da transferência de calor e da combustão do carvão foram programadas na linguagem FORTRAN 90. Os resultados são comparados com um modelo de referência e com dados experimentais, e apresentaram boa concordância. Um estudo de sensibilidade é realizado para entender o comportamento da queima de carvão frente a mudanças de alguns parâmetros de operação do DTF. A análise de sensibilidade mostrou a versatilidade do modelo e, consequentemente, do experimento. A partir da variação da concentração de O2, da temperatura de operação e das vazões de entrada pode-se obter uma gama de resultados. O uso do modelo aqui apresentado concomitante com resultados experimentais resulta em um estudo aprofundado dos parâmetros cinéticos de combustão de carvão. / The study of kinetic parameters for coal combustion occurs through use of laboratory equipment such as drop tube furnace (DTF). The present work shows the development and analysis of a one-dimensional numerical model of a DTF. The modeling is developed from literature works, and the discrete equations that characterize the flow, heat transfer and coal combustion are programmed in FORTRAN 90 language. The results are compared with a reference model and experimental data, and showed good agreement. A sensitivity study is performed to understand the behavior of coal combustion due to changes of some working parameters of the DTF. The sensitivity analysis showed the versatility of the model and thereby the experiment. From the variation of the O2 concentration, operating temperature and input flow rates a range of results can be obtained. Using the model presented here together with experimental results leads to a detailed study of the kinetic parameters of coal combustion.

Na área de simulação de processos, existe uma visível tendência da migração das ferramentas seqüenciais modulares, que hoje são as mais amplamente utilizadas, para as baseadas em equações. Uma das principais vantagens do paradigma baseado em equações ou simultâneo é que este se mostra eficiente na solução de problemas de simulação, otimização, estimação de parâmetros e reconciliação de dados, todos baseados em um mesmo conjunto de modelos, evitando retrabalho de modelagem. Porém, a tecnologia simultânea também apresenta algumas deficiências, onde destacam-se os problemas de robustez tanto na modelagem quanto na obtenção de resultados numéricos. Este trabalho tem como objetivo reunir e desenvolver técnicas que permitam reduzir estas deficiências. Para tanto, as técnicas conhecidas para depuração de sistemas de equações que representam problemas estacionários e dinâmicos foram estudadas em detalhe. Pôde-se observar que para o caso estático os métodos disponíveis para depuração de modelos, já se apresentam em um nível bem desenvolvido. Já para o caso dinâmico, onde há uma maior complexidade, as técnicas conhecidas encontram-se em um nível de desenvolvimento muito menor. Neste ponto encontram-se as principais contribuições deste trabalho. / In the field of process simulation the movement from the sequential modular tools, which are currently the most widely used, to the equation based approach is clear. One of the key advantages of the equation based or simulatneous approach is that using a single model one can solve simulation, optimization, parameter estimation, and optimization problems. This fact avoids modeling rework for each application. However, the simultaneous technology has problems regarding modeling and solving robustness. This work aims to group and develop methods capable of minimize these deficiencies. In order to achieve this goal, available debugging approaches for both steady-state and dynamic system of equations were studied in detail. For the steady-state case well stablished debugging techniques are known. For dynamic models, where the complexity is higher, the analysis and debugging methods are much less mature. This was the source for the major contributions of this work.

No presente trabalho são apresentadas soluções analíticas das equações de difusão de nêutrons bidimensionais com dois grupos de energia, a saber, nêutrons rápidos e térmicos em uma placa com propriedades homogêneas. Alem disso, são resolvidos detalhadamente os problemas onde a placa homogênea é substituída por duas e quatro regiões, tornando-os não-homogêneos. A partir da aplicação da transformada de Laplace e da Técnica da Transformada Integral Generalizada (GITT), respectivamente, é resolvida em uma forma analítica o problema de autovalor resultante para o fluxo de nêutrons. No problema heterogêneo são usados filtros para homogenizar as condições de contorno não-homogêneas. Esta é a condição para a aplicação da GITT. Os três problemas mencionados acima são resolvidos aplicando primeiramente a GITT, o qual reduz a dimensão da equação de difusão, seguida da aplicação da transformada de Laplace, o qual reduz a ordem da equação. Deste procedimento, resulta um sistema de equações algébricas dependente das constantes de integração. 0 sistema é resolvido usando a técnica da eliminação de Gauss. Os fluxos transformados pela GITT são recuperados invertendo-se analiticamente a transformada de Laplace usando a expansão de Heaviside, os quais ainda dependem das constantes de integração. A partir da aplicação das condições de contorno e de interface (para os problemas não-homogêneos) obtém-se um sistema de equações algébricas homogêneas, de onde é determinado o fator de multiplicação efetivo Keff pelo método da bissecção. As constantes de integração são determinadas fazendo use da potencia prescrita da placa. Assim, os fluxos de nêutrons transformados pela GITT ficam determinados e os fluxos de nêutrons rápidos e térmicos são recuperados através da formula da inversa da GITT, usando a expansão do potencial. Resultados são comparados com a solução do método de diferenças finitas. / In the present work we present analytical solutions of the bi-dimensional neutron diffusion equation with two energy groups, i.e. fast and thermal neutrons in a sheet with homogeneous properties. Further we solve the detailed problem where the homogeneous sheet is substituted by two and four regions, rendering the problem a non-homogeneous one. Upon application of the Laplace transform and Generalized Integral Transform Tecnique (GITT), respectively, we solve in an analytical fashion the resulting eigenvalue problem for the neutron flux. In the heterogeneous problem, we use filter functions in order to homogenize the non-homogeneous boundary conditions. This is a condition for the application of GITT. We solve the three problems mentioned above applying first GITT, which reduces the dimension of the diffusion equation followed by the Laplace transform, which reduces the order of the equation. This procedure yields a non-homogeneous algebraic system depending on integration constants. The system is solved using the elimination technique by Gauss. The transformed fluxes by GITT are recovered upon inverting analytically the Laplace transform using Heaviside's expansion which depend still on the integration constants. Upon application of the boundary and interface conditions (for the non-homogeneous problem) one obtains a system of homogeneous algebraic equations, where we determine the effective multiplication factor keff by the bisection method. The integration constants are determined making use of the predefined power of the sheet. Thus the neutron fluxes transformed by GITT are determined and the fast and thermal neutron flux are recovered by the inverse formula of GITT, using the potential expansion. Results are compared to the solution by the finite difference method.