O desenvolvimento tecnológico permite que diferentes dispositivos eletrônicos sejam capazes de executar cada vez mais um número maior de tarefas. Dentre estes dispositivos estão os dispositivos móveis, que pela utilização de uma bateria, agregam mobilidade e comodidade na execução de diferentes serviços, otimizando o tempo do usuário. Desta forma, o funcionamento do dispositivo está ligado diretamente ao tempo de vida da bateria, nesse contexto é importante o estudo acerca do desempenho e do comportamento da bateria frente a diferentes cenários de descarga. A predição do tempo de vida de baterias pode ser realizada através da modelagem matemática, que permite realizar a simulação de um processo de descarga real através de modelos matemáticos. Estes modelos são classificados em categorias: os modelos eletroquímicos, os modelos elétricos, os modelos analíticos, os modelos estocásticos, os modelos via teoria de identificação de sistemas e os modelos híbridos. Este trabalho é realizado utilizando a categoria de modelos híbridos. Estes modelos são constituídos através da união de pelo menos dois modelos pertencentes a categorias diferentes, conseguindo agregar as vantagens dos modelos utilizados nesta união. Neste sentido, o objetivo deste trabalho é realizar a modelagem matemática do tempo de vida de baterias utilizando os modelos híbridos encontrados na literatura técnica, realizando uma análise comparativa entre o nível de acurácia dos mesmos. São usados perfis de descarga constantes e os dados experimentais são obtidos de uma plataforma de testes, considerando baterias de Lítio Íon Polímero. Nos dados experimentais é realizado um tratamento estatístico, a fim de identificar a presença de valores outliers e médias experimentais diferentes estatisiticamente. As simulações computacionais são realizadas no software MatLab e as validações dos modelos híbridos ocorre através da comparação dos resultados das simulações com os dados obtidos da plataforma de testes. Após as validações, constatou-se que todos os modelos híbridos utilizados neste trabalho são acurados, apresentando erro médio inferior a 5%, independente da presença de valores outliers. Por fim, comparando os valores dos erros, é concluído que o modelo híbrido proposto por Zhang é o modelo mais acurado, seguido pelo modelo híbrido de Kim e de Gomes. Também foi possível observar que os menores erros foram encontrados na presença de valores outliers. / 99 f.

As condições dos grãos durante o período de colheita não são propícias ao armazenamento dos mesmos, pois estes apresentam índices elevados de umidade e impurezas, que podem ocasionar perdas significativas caso não sejam realizados os procedimentos de limpeza e secagem dos mesmos antes de armazená-los. Dentre as medidas preventivas contra a perda de grãos póscolheita, a principal é a secagem, que consiste em retirar o excesso de água presente nos grãos sem alterar suas propriedades físicas, químicas e biológicas. Este trabalho tem como objetivo modelar matemática e computacionalmente o escoamento de grãos em um secador de calhas com fluxo misto, utilizando-se para isso o método dos elementos discretos (MED), a fim de investigar os efeitos que as propriedades físicas e morfológicas dos grãos exercem sobre seu escoamento. A fim de validar os parâmetros inseridos no modelo, inicialmente foram realizados experimentos e estes foram replicados com a utilização do método dos elementos discretos em simulações computacionais 3D e quasi-2D (com espessuras de 4 a 7 partículas na dimensão reduzida). Posteriormente, os resultados das simulações foram confrontados com resultados de experimentais. Os resultados indicam que o método dos elementos discretos foi capaz de simular corretamente o escoamento de grãos nos aparatos experimentais, tanto para simulações 3D, quanto para simulações quasi-2D, apresentando uma pequena divergência entre os dados experimentais e os dados das simulações, contudo, pode-se observar que entre os ambientes 3D e quasi-2D com espessura de 7 partículas os resultados são praticamente idênticos. A partir desta constatação, um ambiente de simulação quasi-2D com espessura de 7 partículas, replicando a geometria interna de um secador de fluxo misto foi desenvolvido, utilizando fronteiras periódicas em todos os eixos. Os resultados apresentam concordância com os dados apresentados na literatura por autores que realizaram experimentos de escoamento de grãos em geometrias de secadores de fluxo misto. Além disso, pode-se constatar que o fluxo de grãos apresenta escoamento consideravelmente mais lento nas regiões abaixo das calhas de entrada e saída de ar. Desta forma, pode-se concluir que a utilização de simulações quasi-2D com esta espessura podem ser utilizadas para simular experimentos com acurácia similar à obtida em simulações 3D. / 90 f.

O uso de aplicações é importante para dar suporte aos processos de negócios das empresas. No entanto, a maior parte destas aplicações não foram projetadas para trabalhar de forma colaborativa. Uma solução de integração orquestra um grupo de aplicações, permitindo a reutilização de dados e funcionalidades presentes nas mesmas. O desempenho de uma solução de integração depende da configuração correta do número de threads no motor de execução fornecido pelas plataformas de integração. Essa configuração tem impacto direto no desempenho das soluções de integração e é normalmente realizada a partir do conhecimento empírico dos engenheiros de software. Este número correto de threads pode ser encontrado por meio de modelos de simulação. Este trabalho apresenta uma metodologia e uma ferramenta para auxiliar na geração de modelos de simulação, com o objetivo de encontrar o número correto de threads para executar uma solução de integração e assim contribuir com a melhoria do desempenho das soluções. Também foram realizados diversos experimentos com um caso de estudo, para avaliar e validar o modelo de simulação gerado. / 83 f.

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.

Sistemas de localização e rastreamento de objetos e pessoas a partir da utilização de sistema de posicionamento global (GPS) estão disponíveis nas mais diversas áreas e aplicações. Em muitos casos estes sistemas sofrem diversos problemas em relação, principalmente, a falhas nas informações relacionadas a precisão e periodicidade das coordenadas transmitidas. As coordenadas GPS coletadas de um dispositivo, por exemplo de um carro, deveriam ser sempre localizadas em uma via. No entanto, em decorrência de problemas de comunicação ou de falta de precisão da informação reportada, muitas vezes as posições observadas são deslocadas da sua posição real. Uma das formas de contornar este problema é aplicar modelos matemáticos que permitem realizar o reposicionamento de rotas. Estes algoritmos recebem o nome de Map Matching, o objetivo deste trabalho e realizar o estudo, aplicação e desenvolvimento de técnicas de Map Matching aplicados ao problema de reposicionamento de coordenadas GPS em sistemas de localização e apresentação da rota em um mapa. Os modelos avaliados foram o modelo Ponto-a-Ponto, Ponto-a-Curva, Ponto-a-Curva Greenfeld, sendo ainda proposto uma extensão do modelo Ponto-a-Curva denominado Ponto-a-Curva Modificado. Todos os modelos foram implementados na ferramenta de simulação especialmente desenvolvida para este trabalho e foram realizadas uma série de simulações computacionais. Os resultados foram analisados a partir da definição de critérios específicos necessários para dar conta de um problema de posicionamento de veículos em uma via terrestre. / 128 f.

As aeronaves do tipo multirrotor têm sido crescentemente investigadas, particularmente o quadrirrotor. Estudos acerca dos VANTs (Veículos Aéreos Não Tripulados) apresentam o quadrirrotor como plataforma padrão, devido aos seus benefícios, tais como: baixo custo de construção, estabilidade de voo, percepção tridimensional e mobilidade, quando comparadas a outros tipos de aeronaves. Logo, caracteriza-se como um desafio na área de controle. Este fato faz com que haja a necessidade da aquisição do modelo matemático do conjunto de propulsão eletromecânico que compõe estas aeronaves. A fim de encontrar um modelo que melhor possa descrever os aspectos referentes ao sistema, utilizam-se de características específicas dos parâmetros do sistema, obtidas por meio de métodos de estimação de parâmetros, baseados nos mínimos quadrados e associados às técnicas de modelagem caixa preta. Nesse contexto, se propõem a obtenção do modelo matemático ARIMAX (AutoRegressive Integrated Moving Average Exogenous inputs) e ARMAX (AutoRegressive Moving Average with Exogenous inputs), a fim de comparar a performance entre os mesmos para cada estimador, utilizando como um dos critérios o menor número de iterações numéricas, pois caracteriza convergência rápida. A determinação dos parâmetros característicos dar-se-á por meio da utilização dos estimadores de Gauss-Newton e de Levenberg-Marquardt. A diretriz metodológica consiste na realização das etapas da Identificação de Sistemas. As simulações computacionais são realizadas no software MatLab, de acordo com a estrutura dos algoritmos de cada estimador proposto, e, as validações dos modelos e de seus parâmetros, se dão por comparação entre os dados do sistema real, obtidos a partir da planta didática (plataforma de testes), análises residuais e entre a performance dos modelos matemáticos. Constata-se que o modelo ARIMAX, através do método de Gauss-Newton, revela-se como o que melhor descreve o comportamento não linear do propulsor eletromecânico. O resultado desta investigação é uma contribuição à comunidade científica que busca modelar matematicamente os VANTs do tipo multirrotor. / 107 f.

A presente pesquisa buscou resolver o problema de planejamento de operações submarinas através das perspectivas de programação de tarefas e dimensionamento de frota. O problema consistiu em estabelecer a melhor sequência de tarefas a serem atendidas por embarcações levando em consideração sua compatibilidade, regras de sequenciamento e o tamanho da frota. O problema é uma extensão do modelo clássico de roteirização com janelas de tempo com o objetivo de minimizar os custos associados à roteirização e as perdas econômicas associadas às interrupções de produção. A resolução do trabalho concentrou-se no curto e longo prazo, utilizando como principal método de solução a heurística Simulated Anneling por meio de um algoritmo de simulação-otimização. / This research aimed at solving the problem of planning underwater operations that involves job scheduling and fleet sizing decisions. The problem consisted in establish the best sequence of tasks to be atended by vessels taking into account compatibility constraints, sequencing rules and the size of the fleet. The problem is an extension of the classical vehicle routing problem with time windows. The objective is to minimize the routing costs and the economic losses associated with production losses. The solution procedure focused on short and long-term decisions based on the heuristic Simulated Anneling through a simulation-optimization algorithm.

Este trabalho objetivou a ampliação dos conhecimentos sobre a dinâmica de chamas de difusão turbulenta. A abordagem escolhida foi o método numérico da simulação de grandes escalas turbulentas (LES) acoplado ao modelo de combustão do tipo folha de chama ou \"Flamesheet\". A modelagem dos efeitos de dissipação das pequenas escalas turbulentas, foi realizada pelo modelo de Smagorinsky (1963). Foi feita a verificação e validação do código implementado pelo método das soluções manufaturadas, descrito por Roache (2002), e pelas soluções de engenharia do tipo tampa móvel em cavidade laminar, escoamento de Poiseuille e jato laminar. Neste trabalho foi estudada a chama de difusão turbulenta do tipo D, padronizada pelo \"SANDIA National Laboratories\". Foi verificado que, quando estudado o jato isotérmico, este obedece ao critério de jato auto-sustentável, definido por Hussein et al. (1994). Já os resultados obtidos para o jato reativo, quando comparados aos dados experimentais obtidos por Masri et al. (1996) e Barlow e Frank (1998), apresentaram boa concordância para os campos de velocidades e razoável correspondência para os campos de fração de mistura e temperatura, indicando que maiores estudos são necessários. / The mean goal of this work was to better understand the dynamics of turbulent diffusion flames. The turbulent flow was resolved appling the methodology of Large Eddy Simulation, coupled with the Flamesheet model for reactive systems. The effects of the turbulent subgrid dissipation were accounted with the Smagorinsky (1963) subgrid model. The numerical code verification and validation were accomplished with the manufactured solutions method, described by Roache (2002), and with the method of engineering solutions of the type of moveable wall in laminar cavity flow, Poiseuille flow and laminar jet flow. In this work was studied the turbulent flame of the type D flow, standardized by the SANDIA National Laboratories. It was verified that, when the isotermal jet flow was studied, the criterium of a self-sustained jet, defined by Hussein et al. (1994), was achieved. The results for the reactive flow, when compared against experimental data obtained by Masri et al. (1996) e Barlow e Frank (1998), presented resonable agreement for the velocity field and satisfactory correspondence for mixture fraction and temperature fields, indicating that further studies are necessary.

A rapidez da passagem do estágio da bancada para a produção industrial, a rentabilidade econômica do projeto e o custo de investimento da implantação do projeto proposto são medidas da eficiência no desenvolvimento de processos químicos. Com o projeto de experimentos obtém-se uma redução de custo na etapa da experimentação, pela redução no número de experimentos, além de permitir um projeto de um produto com custo e qualidade otimizados. Neste trabalho, o projeto experimental ótimo é aplicado a dados experimentais da reação de interesterificação química da estearina de palma com óleo de linhaça. A gordura obtida pela reação de interesterificação é uma gordura isenta de gorduras trans e possui características nutricionais interessantes devido ao óleo de linhaça, que é a maior fonte do ácido graxo alfa-linolênico, um ácido graxo da família ômega-3. Os dados experimentais são utilizados para desenvolver modelos matemáticos aos quais é aplicada a otimização. Com isto, são previstos pontos ótimos, que são testados. Novos experimentos são realizados na vizinhança dos pontos ótimos. São aplicados os critérios de projeto experimental ótimo D-ótimo e G-ótimo para propor novas condições para a realização de experimentos. Uma vez obtidos estes pontos eles são adicionados aos modelos iniciais para a obtenção de novos parâmetros e é aplicada uma nova etapa de otimização. Nesta metodologia, a cada etapa são desenvolvidos e otimizados modelos matemáticos a partir dos dados experimentais, feita a verificação do ponto ótimo pela realização de experimentos e se esta não é confirmada, são aplicados os critérios de projeto experimental ótimo para a geração de novos pontos que trazem a melhor informação para ser adicionada aos modelos matemáticos. Este procedimento é repetido até a validação do ótimo. Neste trabalho são feitas duas iterações da metodologia onde pode ser observado a melhora de resultados obtidos a cada iteração. / The speed at which a process goes from laboratory to industrial scale, the economic rentability of the final project and the investment cost of the proposed project are measures of the efficiency in the development of chemical processes. With the experimental design a reduction of cost in the stage of the experimentation is obtained, by the reduction in the number of experiments, leading to the project of a product with optimum cost and quality. In this work, the application of optimal experimental design to data of the chemical interesterification reaction of palm stearin with linseed oil is presented. The fat produced by the interesterification reaction is free of trans fatty acid and has intreresting nutricionals characteristics due the linseed oil, which is the most important source of alpha-linolenic fatty acid, a omega-3 family fatty acid. The experimental data are used in order to develop mathematical models to which optimization is applied. New experiments, in the vicinity of the predicted optima, are performed and experimental optimal design, D-optimal and G-optimal, is applied in order to generate new conditions for experiments. Once these points are obtained, they are added to the initial models in order to obtain new parameters to which a new stage of optimization is applied. In this methodology, at each stage, mathematical models are developed and optimized from the experimental data and the optima are verified experimentally, and if they are not confirmed, the criteria of optimal experimental design is applied for the generation of new points that bring the best information to be added to the mathematical models. This procedure is repeated until the validation of the optimum. In this work two iterations of the methodology are implemented and the improvement of the results can be observed at each iteration.

Orientador: Helenice de Oliveira Florentino Silva / Resumo: A escassez de combustíveis fósseis e a demanda por fontes alternativas de energia renovável e limpa são impulsionadores para o desenvolvimento de biocombustíveis, tais como o biohidrogênio. Este gás é conhecido por seu alto valor calorífico, extrema leveza e baixa densidade, além de, ao ser queimado, produzir apenas vapor d'água e calor. Dentre os modos de produção, destaca-se a fermentação escura, a qual gera biohidrogênio e subprodutos através do tratamento microbiológico de resíduos agroindustriais. O objetivo deste trabalho foi modelar matematicamente este bioprocesso, estudar suas propriedades à luz da teoria de estabilidade, além de propor um modelo de otimização que determine uma combinação das concentrações de substrato e bactérias, tais que maximizem o rendimento da produção de biohidrogênio. Foram propostas duas heurísticas para a resolução do modelo, Algoritmo de Busca em Vizinhança Variável e Algoritmo Memético. Os resultados das simulações numéricas mostraram que o modelo obtido corrobora com a dinâmica bioquímica e microbiológica do bioprocesso. / Abstract: The lack of fossil fuels and the demand of alternative, renewable and clean energy sources promote development in biofuels, as biohydrogen. It is known by its high heat, extreme lightness and low density and also when it burns, the products are only steam and energy. Among the productions ways, we highlight dark fermentation, which generates biohydrogen and subproducts through organic waste microbiological treatment. The aim of this work was to mathematical model this bioprocess, to study its properties via stability analysis, besides to propose a optmization model to determine a combination of substract and bacteria concentrations, in order to maximize biohydrogen production yield. To solve the mathematical model have been proposed two heuristics: Variable Neighboor Search Algorithm and Memetic Algorithm. Numeric simulations showed that the mathematical model corroborates with the bioprocess microbial and biochemical dynamics. / Mestre