Submitted by Automa??o e Estat?stica (sst@bczm.ufrn.br) on 2016-07-22T15:37:57Z No. of bitstreams: 1 JessicaMariaDamiaoDeArrudaCamara_DISSERT.pdf: 3084907 bytes, checksum: 6c6164997e236d68dae0f0438a11ca0a (MD5) / Approved for entry into archive by Arlan Eloi Leite Silva (eloihistoriador@yahoo.com.br) on 2016-07-27T23:02:11Z (GMT) No. of bitstreams: 1 JessicaMariaDamiaoDeArrudaCamara_DISSERT.pdf: 3084907 bytes, checksum: 6c6164997e236d68dae0f0438a11ca0a (MD5) / Made available in DSpace on 2016-07-27T23:02:11Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JessicaMariaDamiaoDeArrudaCamara_DISSERT.pdf: 3084907 bytes, checksum: 6c6164997e236d68dae0f0438a11ca0a (MD5) Previous issue date: 2016-01-29 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Cient?fico e Tecnol?gico (CNPq) / A explora??o de petr?leo ? uma das mais importantes atividades industriais da sociedade moderna e apesar de seus derivados apresentarem in?meras aplica??es em rela??o aos processos industriais, existem muitos subprodutos indesej?veis durante esse processo, um deles ? a ?gua separada do petr?leo, denominada ?gua de produ??o, que ? constitu?da por poluentes de dif?cil degrada??o. Al?m disso, o elevado volume de ?gua gerado torna seu tratamento um grande problema para as ind?strias petrol?feras. Dentre os principais contaminantes desses efluentes est?o o fenol e seus derivados, subst?ncias de dif?cil degrada??o natural que devido ao poder t?xico, devem ser removidos por um processo de tratamento antes de sua disposi??o final. Com o intuito de viabilizar a remo??o de fenol em ?guas residuais da ind?stria petrol?fera foi desenvolvido um sistema de extra??o por flocula??o i?nica com tensoativo. A flocula??o i?nica baseia-se na rea??o de tensoativo carboxilado com c?lcio originando um tensoativo insol?vel, que sob agita??o agrega-se formando flocos capazes de atrair a mat?ria org?nica atrav?s da adsor??o. No presente trabalho, utilizou-se sab?o base como tensoativo na flocula??o i?nica e avaliou-se a efici?ncia do processo pela influ?ncia dos seguintes par?metros: concentra??o de tensoativo, fenol, c?lcio e eletr?litos, velocidade de agita??o, tempo de repouso, temperatura e pH. A flocula??o do tensoativo se deu no pr?prio efluente (concentra??o inicial de fenol = 100 ppm,) e a efici?ncia de remo??o alcan?ou 65% de remo??o, utilizando concentra??es de tensoativo e c?lcio de 1300 e 975 ppm, respectivamente em T = 35 ?C, pH = 9,7, velocidade de agita??o = 100 rpm e tempo de contato de 5 minutos. A perman?ncia dos flocos em meio aquoso promove a dessor??o do fenol da superf?cie do floco para a solu??o, atingindo 90% de dessor??o em um tempo de 150 minutos, e o estudo da cin?tica de dessor??o mostrou que o modelo de Lagergren de pseudo-primeira ordem foi adequado para descrever a dessor??o do fenol. Estes resultados mostram que o processo avaliado pode configurar uma nova alternativa para o tratamento no que se refere a remo??o de fenol de efluentes aquosos da ind?stria de petr?leo. / The monoaromatic compounds are toxic substances present in petroleum derivades and used broadly in the chemical and petrochemical industries. Those compounds are continuously released into the environment, contaminating the soil and water sources, leading to the possible unfeasibility of those hydrous resources due to their highly carcinogenic and mutagenic potentiality, since even in low concentrations, the BTEX may cause serious health issues. Therefore, it is extremely important to develop and search for new methodologies that assist and enable the treatment of BTEX-contaminated matrix. The bioremediation consists on the utilization of microbial groups capable of degrading hydrocarbons, promoting mineralization, or in other words, the permanent destruction of residues, eliminating the risks of future contaminations. This work investigated the biodegradation kinetics of water-soluble monoaromatic compounds (benzene, toluene and ethylbenzene), based on the evaluation of its consummation by the Pseudomonas aeruginosa bacteria, for concentrations varying from 40 to 200 mg/L. To do so, the performances of Monod kinetic model for microbial growth were evaluated and the material balance equations for a batch operation were discretized and numerically solved by the fourth order Runge-Kutta method. The kinetic parameters obtained using the method of least squares as statistical criteria were coherent when compared to those obtained from the literature. They also showed that, the microorganism has greater affinity for ethylbenzene. That way, it was possible to observe that Monod model can predict the experimental data for the individual biodegradation of the BTEX substrates and it can be applied to the optimization of the biodegradation processes of toxic compounds for different types of bioreactors and for different operational conditions.

Este trabalho apresenta um método numérico para a solução de escoamentos bi e tridimensionais de fluidos (quase) incompressíveis em torno de geometrias arredondadas. O escoamento bidimensional é analisado em torno da geometria de um cilindro (seção de um cilindro), para as equações de Euler e Navier-Stokes, e em torno da geometria aproximada de um tubarão para as equações de Euler. O escoamento tridimensional é analisado em torno de uma esfera e de um elipsóide. O método de integração empregado baseia-se no esquema explícito de Runge-Kutta de três estágios para as equações da quantidade de movimento e no de Relaxações Sucessivas para a pressão. Adota-se o esquema em diferenças finitas visando aproximações de segunda ordem no tempo e no espaço no sistema de coordenadas generalizadas. Testes numéricos são realizados para as diferentes geometrias aplicando as equações de Navier-Stokes e Euler e os resultados obtidos comparam adequadamente com dados analíticos, experimentais e/ou numéricos encontrados na literatura. / This work presents a numerical method for the solution of (almost) incompressible bi and tridimensional fl.ows for round geometries. Bidimensional fl.ows over a circular cylinder, using Euler and Navier-Stokes equations, and also for a shark approximated geometry, using Euler equations, are analyzed. Extension to tridimensional flows around a sphere and an elliptical geometry is realized. The integration method is based on the three-stage Runge-Kutta explicit scheme for momentum equations and successive under relaxation for pressure. Second order finite difference approximations for time as well as space terms in boundary fitted coordinates are employed. Numerical tests are carried out for different geometries for Euler and Navier-Stokes equations and the results showed to compare properly with analytical, numerical or experimental data found in the literature.

Neste trabalho faz-se uma análise de fluxos unidimensionais usando as equações de Burgers e de Euler. Para esta última, é obtida a solução exata e uma aproximação desta via método numérico. A obtenção da solução exata é baseada na combinação de ondas simples (uma onda de choque, uma descontinuidade de contato e uma onda de expansão) e na validade das relações de salto para as equações de Euler. Os resultados assim obtidos são utilizados para verificar (certificar) os resultados numéricos. As equações de Euler são integradas no tempo através de um esquema simplificado de Runge-Kutta; considera-se também a adição explícita de termos dissipativos ao esquema de discretização espacial. Sã.o apresentadas comparações entre as soluções exata e numérica, além de comparações da solução numérica para diferentes valores dos coeficientes de dissipação. Analisa-se também as regiões de estabilidade de métodos de Runge-Kutta para uma equação modelo, cujas propriedades são semelhantes às das equações de Burgers e de Euler. Por fim , propõe-se o estudo da convergência de um esquema semelhante ao de Runge-Kutta; faz-se uma estimativa de erro a posteriori em espaços de Banach de dimensão infinita. Além disto, são calculadas algumas estimativas a priori para a equação de Burgers que são usadas, juntamente com idéias da teoria de "shadowing" para estabelecer estimativas relativas à validade de simulações numéricas para a equação de Burgers. Além disto, são mostrados alguns estudos computacionais relevantes sobre a separação espectral, os quais poderiam ser entendidos como uma forma de estimativas a posteriori. / In this work we analyze unidimensional flows using Burgers and Euler equations. We show how to obtain both an exact and an approximate solution to the Euler equations. The exact solution is obtained by simple waves interaction (a shock wave, a contact discontinuity and an expansion fan). It is based on the jump relations for the Euler equations. \Ve use the exact solution thus obtained as a mean of comparison to the approximate (numerical) solution. A simplified Runge-Kutta method is used to integrate the Euler equations in time. Dissipation terms are added to the spatial discretized equations. vVe study the effect of these terms by plotting the exact versus the approximate solution considering different dissipation coefficients. We choose a model equation, which has similar properties to the Burgers and Euler equations, in order to study the stability regions of the Runge-Kutta scheme. Finally, we propose a convergence analysis of a Runge-Kutta-like scheme and make a posteriori error estimates in infinite dimensional Banach spaces. Furthermore, we perform some a priori estimates for the Burgers' equation and use them together with ideas of the Shadowing Theory in order to establish estimates concerning the validity of numerical simulations for Burgers' equation. As well we show a few relevant computer studies on the spectral separation which could be regarded as a form of a posteriori estimates.

Seguindo as ideias de s. smale, estudamos a eficiencia probabilistica de algoritmos numericos para equacoes diferenciais ordinarias. especial atencao e dada a dois exemplos classicos: os algoritmos de runge-kutta de dois e de quatro estagios, sendo a sua eficiencia estimada em termos de medidas gaussianas. em ambos os casos, sao obtidas estimativas detalhadas que levam a uma expressao para a media do erro global. / Following the ideas of S. Smale, we study the probabilistic efficiency of numerical algorithms in ordinary differential equations. Special attention is directed to two classical examples: the algorithms of Runge-Kutta of two and four stages with their efficiency estimated in terms of gaussian measures. In both these cases detailed estimates are given. leading to an expression for the mean global error.

Este trabalho apresenta um método numérico para a solução de escoamentos bi e tridimensionais de fluidos (quase) incompressíveis em torno de geometrias arredondadas. O escoamento bidimensional é analisado em torno da geometria de um cilindro (seção de um cilindro), para as equações de Euler e Navier-Stokes, e em torno da geometria aproximada de um tubarão para as equações de Euler. O escoamento tridimensional é analisado em torno de uma esfera e de um elipsóide. O método de integração empregado baseia-se no esquema explícito de Runge-Kutta de três estágios para as equações da quantidade de movimento e no de Relaxações Sucessivas para a pressão. Adota-se o esquema em diferenças finitas visando aproximações de segunda ordem no tempo e no espaço no sistema de coordenadas generalizadas. Testes numéricos são realizados para as diferentes geometrias aplicando as equações de Navier-Stokes e Euler e os resultados obtidos comparam adequadamente com dados analíticos, experimentais e/ou numéricos encontrados na literatura. / This work presents a numerical method for the solution of (almost) incompressible bi and tridimensional fl.ows for round geometries. Bidimensional fl.ows over a circular cylinder, using Euler and Navier-Stokes equations, and also for a shark approximated geometry, using Euler equations, are analyzed. Extension to tridimensional flows around a sphere and an elliptical geometry is realized. The integration method is based on the three-stage Runge-Kutta explicit scheme for momentum equations and successive under relaxation for pressure. Second order finite difference approximations for time as well as space terms in boundary fitted coordinates are employed. Numerical tests are carried out for different geometries for Euler and Navier-Stokes equations and the results showed to compare properly with analytical, numerical or experimental data found in the literature.

Neste trabalho faz-se uma análise de fluxos unidimensionais usando as equações de Burgers e de Euler. Para esta última, é obtida a solução exata e uma aproximação desta via método numérico. A obtenção da solução exata é baseada na combinação de ondas simples (uma onda de choque, uma descontinuidade de contato e uma onda de expansão) e na validade das relações de salto para as equações de Euler. Os resultados assim obtidos são utilizados para verificar (certificar) os resultados numéricos. As equações de Euler são integradas no tempo através de um esquema simplificado de Runge-Kutta; considera-se também a adição explícita de termos dissipativos ao esquema de discretização espacial. Sã.o apresentadas comparações entre as soluções exata e numérica, além de comparações da solução numérica para diferentes valores dos coeficientes de dissipação. Analisa-se também as regiões de estabilidade de métodos de Runge-Kutta para uma equação modelo, cujas propriedades são semelhantes às das equações de Burgers e de Euler. Por fim , propõe-se o estudo da convergência de um esquema semelhante ao de Runge-Kutta; faz-se uma estimativa de erro a posteriori em espaços de Banach de dimensão infinita. Além disto, são calculadas algumas estimativas a priori para a equação de Burgers que são usadas, juntamente com idéias da teoria de "shadowing" para estabelecer estimativas relativas à validade de simulações numéricas para a equação de Burgers. Além disto, são mostrados alguns estudos computacionais relevantes sobre a separação espectral, os quais poderiam ser entendidos como uma forma de estimativas a posteriori. / In this work we analyze unidimensional flows using Burgers and Euler equations. We show how to obtain both an exact and an approximate solution to the Euler equations. The exact solution is obtained by simple waves interaction (a shock wave, a contact discontinuity and an expansion fan). It is based on the jump relations for the Euler equations. \Ve use the exact solution thus obtained as a mean of comparison to the approximate (numerical) solution. A simplified Runge-Kutta method is used to integrate the Euler equations in time. Dissipation terms are added to the spatial discretized equations. vVe study the effect of these terms by plotting the exact versus the approximate solution considering different dissipation coefficients. We choose a model equation, which has similar properties to the Burgers and Euler equations, in order to study the stability regions of the Runge-Kutta scheme. Finally, we propose a convergence analysis of a Runge-Kutta-like scheme and make a posteriori error estimates in infinite dimensional Banach spaces. Furthermore, we perform some a priori estimates for the Burgers' equation and use them together with ideas of the Shadowing Theory in order to establish estimates concerning the validity of numerical simulations for Burgers' equation. As well we show a few relevant computer studies on the spectral separation which could be regarded as a form of a posteriori estimates.

Seguindo as ideias de s. smale, estudamos a eficiencia probabilistica de algoritmos numericos para equacoes diferenciais ordinarias. especial atencao e dada a dois exemplos classicos: os algoritmos de runge-kutta de dois e de quatro estagios, sendo a sua eficiencia estimada em termos de medidas gaussianas. em ambos os casos, sao obtidas estimativas detalhadas que levam a uma expressao para a media do erro global. / Following the ideas of S. Smale, we study the probabilistic efficiency of numerical algorithms in ordinary differential equations. Special attention is directed to two classical examples: the algorithms of Runge-Kutta of two and four stages with their efficiency estimated in terms of gaussian measures. In both these cases detailed estimates are given. leading to an expression for the mean global error.

As aplicações da mecânica vibratória vêm crescendo significativamente na análise de sistemas de suspensões e estruturas de veículos, dentre outras. Desta forma, o presente trabalho desenvolve técnicas para a simulação e o controle de uma suspensão de automóvel utilizando modelos dinâmicos com um, dois e três graus de liberdade. Na obtenção das equações do movimento para o sistema massa-mola-amortecedor, o modelo matemático utilizado tem como base a equação de Lagrange e a segunda lei de Newton, com condições iniciais apropriadas. A solução numérica destas equações é obtida através do método de Runge-Kutta de 4ª ordem, utilizando o software MATLAB. Para controlar as vibrações do sistema utilizou-se três métodos diferentes de controle: clássico, LQR e alocação de pólos. O sistema assim obtido satisfaz as condições de estabilidade e de desempenho e é factível para aplicações práticas, pois os resultados obtidos comparam adequadamente com dados analíticos, numéricos ou experimentais encontrados na literatura, indicando que técnicas de controle como o clássico podem ser simples e eficientes.

La résolution numérique du système d'équations pleinement compressibles en vue de son utilisation pour des applications en Prévision Numérique du Temps (PNT) soulève de nombreuses questions. L'une d'elles porte sur le choix des schémas de discrétisation temporelle à mettre en oeuvre afin de résoudre ce système de la manière la plus efficace possible, pour permettre la continuelle amélioration qualitative des prévisions. Jusqu'alors, les schémas de discrétisation temporelle basés sur des techniques semi-implicites (SI) étaient les plus couramment employés PNT, compte tenu de leur robustesse et de leur grande propriété de stabilité. Mais avec l'émergence des machines massivement parallèles à mémoire distribuée, l'efficacité de ces techniques est actuellement remise en question, car leur confortable plage de stabilité est obtenue au prix de l'inversion d'un problème elliptique tri-dimensionnel très gourmand en communications. Ce travail thèse vise à explorer d'autres méthodes de discrétisation temporelle, en remplacemant des méthodes SI, s'appuyant sur des approches de type Horizontalement Explicite et Verticalement Implicite (HEVI). D'une part, ces approches s'affranchissent de la contrainte numérique imposée sur le pas de temps par la propagation verticales des ondes rapides supportées par le système, grâce au traitement implicite des processus verticaux. D'autre part, elles exploitent le paradigme de programmation voulant que chaque colonne verticale du modèle numérique soit traitée par un unique processeur. Ainsi, le traitement implicite de cette direction n'engendre aucunes communications entre les processeurs. Cependant, bien que ces ap- proches HEVI apparaissent comme une solution attractive, rien ne garanti que leurs efficacités puissent être aussi compétitives que celles des sché- mas SI. Pour ce faire, ces schémas HEVI doivent permettre l'utilisation de pas de temps raisonnables pour une application en PNT. L'objectif de ce travail de thèse est d'élaborer un schéma de discrétisation temporelle HEVI le plus efficace possible pour une utilisation en PNT, c'est à dire, un schéma qui autorise le plus long pas de temps possible. Dans cette optique, deux voies ont été explorées : la première, issue des méthodes à pas de temps fractionné, a permis de revisiter et d'améliorer un schéma de discrétisation temporelle déjà proposé mais dont l'examen n'a jamais été approfondi dans la littérature ; il s'agit du schéma d'avance temporelle saute-moutons trapézo\"idal. Il a été mis en évidence que l'ajout d'un simple filtre temporel d'usage commun en PNT, améliore grandement la stabilité de ce schéma, lui permettant ainsi à moindre coût de rivaliser en terme de stabilité avec le schéma Runge-Kutta explicite d'ordre 3. La seconde voie, plus récente, c'est avérée la plus prometteuse. Elle repose sur l'utilisation des méthodes Runge-Kutta Implicite-Explicite (RK-IMEX) HEVI. Au cours l'étude, il a été tout d'abord mis en évidence certains problèmes de stabi- lité des schémas initialement suggérés dans la littérature en présence des processus d'advection. Puis, une nouvelle classe de schéma RK-IMEX HEVI s'appuyant sur un traitement temporel spécifique des termes d'ajustement horizontaux a été proposé / The use non-hydrostatic fully compressible modelling system in the perspective of Numerical Weather Prediction (NWP) raises many challenging questions, among which the choice time discretization scheme. It is commonly acknowledge that the ideal time marching algorithms to integrate the fully compressible system should both overcome the stability constraint imposed on time-step by the fast propagating waves supported by the system, and be scalable enough for efficiently computing on massively parallel computer machine. The assumed poor scalability property of Semi-implicit (SI) time schemes, currently favoured in NWP, is quite a drawback as they require global communications to solve a full three-dimensional elliptic problem. Because it is considered as the best compromise between stability, accuracy and scalability the properties of various classes of Horizontally Explicit Vertically Implicit (HEVI) schemes have been deeply explore in this work in a view of solving the fully system in mass-based coordinate. This class of time discretization approach eliminates all the problems linked to the implicit treatment of horizontal high-frequency forcings by coupling multi-step or multi-stage explicit methods for the horizontal propagation of fast waves to an implicit scheme for the treatment of vertically prop- agating elastic disturbances. The limitation in time-steps compared to SI schemes would be compensated by a much more economical algorithm per time-step. However, it is not firmly established that the efficiency of such a HEVI schemes could compete with one of the semi-implicit schemes. The main objective of this Phd thesis work is to elaborate an efficient HEVI time scheme allowing usable time-step for NWP applications. For this purpose, the so-called explicit time-splitting technique and the recently suggested Runge-Kutta IMEX (RK-IMEX) schemes have been explored un- der HEVI approach. Firstly, the superiority in term of stability of the RK-IMEX methods in respect with the time-splitting approach has been con- firmed. However, in presence of advection processes some unstable numerical behaviour of these schemes has been pointed out. To circumvent this problem a new class of RK-IMEX HEVI schemes has been proposed. This new class of HEVI time schemes reveals to be very attractive since they provide both good stability and accuracy properties. Secondly, in a side aspect of the HEVI approach, the stability impact of the temporal treatment of the terrain following coordinate non-linear metric terms has been demonstrated. Numerical analyses on simplified framework indicate that there might be a benefit to deal with these specific terms in the implicit part of the HEVI schemes. All the theoretical studies have been confirmed by nu- merical testing through the use of a Cartesian vertical plane fully compressible model cast in a mass-based coordinate.

In this thesis, we compute approximate solutions to initial value problems of first-order linear ODEs using five explicit Runge-Kutta methods, namely the forward Euler method, Heun's method, RK4, RK5, and RK8. This thesis aims to compare the accuracy, stability, and efficiency properties of the five explicit Runge-Kutta methods. For accuracy, we carry out a convergence study to verify the convergence rate of the five explicit Runge-Kutta methods for solving a first-order linear ODE. For stability, we analyze the stability of the five explicit Runge-Kutta methods for solving a linear test equation. For efficiency, we carry out an efficiency study to compare the efficiency of the five explicit Runge-Kutta methods for solving a system of first-order linear ODEs, which is the main focus of this thesis. This system of first-order linear ODEs is a semi-discretization of a two-dimensional wave equation.