Tese de mestrado. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 1998

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Doutor, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Prof. Doutor Sebastião José Cabral Feyo de Azevedo

O presente trabalho tem por finalidade determinar numericamente o campo de escoamento potencial bidimensional num perfil aerodinâmico para diferentes ângulos de ataque visando a posterior avaliação das características aerodinâmicas de aerofólios para sua aplicação no projeto de pás de turbinas eólicas. O modelo empregado baseia-se na teoria de escoamento passante (Through-flow theory), sendo utilizadas as equações que definem o escoamento numa superfície de corrente entre pás (blade to blade). Na solução numérica é aplicado um método implícito de diferenças finitas determinando-se os valores da função corrente de todo o domínio. Num procedimento iterativo a solução do problema converge para valores satisfatórios. A distribuição de velocidades no domínio é obtido por diferenciação numérica da função corrente. Posteriormente. a distribuição de pressão ao longo da corda do aerofólio é obtida e comparada com dados experimentais da referência consultada. Os resultados obtidos apresentam uma boa concordância com os dados experimentais até próximo do ângulo de ataque critico do perfil (Estol). Divergências da distribuição de pressão são detectadas na região da borda de ataque quando comparadas com os resultados experimentais, sendo isso atribuído à baixa densidade da malha. O modelo potencial não é adequado para ângulos que excedem o ângulo de ataque critico (Estol), já que o campo de escoamento próximo da superfície é afetado adversamente pela viscosidade.

Os modelos computacionais SATURN e DRACULA avaliam o tráfego através de diferentes fundamentações teóricas. O SATURN é um modelo macroscópico de alocação de tráfego que incorpora uma estrutura mesoscópica de simulação de interseções. O DRACULA é um modelo microscópico de simulação de tráfego: reproduz a progressão dos veículos através da rede, representando cada entidade individualmente. Ambos os modelos foram desenvolvidos no ITS – Institute for Transport Studies – da Universidade de Leeds, e permitem a troca de informações, podendo ser aplicados em conjunto. O presente trabalho de pesquisa compara as estruturas de simulação do SATURN e do DRACULA. O estudo confronta as fundamentações teóricas dos modelos, relacionando-as com a aplicação prática. São avaliados os dados de entrada, os parâmetros de saída, e os processos particulares de estimação de parâmetros de cada modelo. Através de análises de sensibilidade, avalia-se o impacto da variação de dados de entrada nos parâmetros de saída. Em um estudo de caso, avalia-se a aplicação conjunta dos modelos, ao replicarem o mesmo cenário. O estudo identifica divergências e afinidades na conceituação e no tratamento de parâmetros de entrada e saída tais como dados de descrição de rede e demanda, atrasos, velocidades, tempos de viagem, e capacidade viária. Por fim, o estudo propõe recomendações sobre a implementação prática dos modelos, especialmente quando utilizados em conjunto.

Este trabalho avalia o potencial de simuladores de tráfego na estimativa das emissões veiculares. Os simuladores de tráfego em conjunto com modelos de emissões são utilizados para execução de inventários de emissões. Os inventários de emissões são importantes para a avaliação da eficácia das políticas de transporte que visem redução das emissões veiculares. Erros nesta avaliação podem levar à adoção de políticas ineficientes. Por esta razão, é fundamental a compreensão da lógica destes modelos para a correta análise dos resultados gerados. Através de testes de sensibilidade avaliou-se o impacto da variação de três aspectos intrínsecos aos modelos de simulação na quantificação das emissões veiculares: (i) os parâmetros de entrada utilizados para calibração; (ii) a lógica dos modelos de progressão longitudinal; e (iii) o modelo de emissões incorporado ao simulador. Em um estudo de caso, avaliou-se o impacto de uma melhoria de fluxo de tráfego na geração das emissões com o uso de simuladores de tráfego frente às abordagens tradicionais. O trabalho demonstra que a definição dos parâmetros relativos à aceleração, bem como a modelagem adequada da progressão longitudinal dos veículos, possuem papel preponderante na correta quantificação das emissões. Em segundo plano, o grau de sofisticação do modelo de emissões incorporado também exerce influência na magnitude dos resultados. Por fim, o estudo de caso demonstrou a vantagem do uso de micro-simuladores na quantificação das emissões de projetos de melhorias de fluxo de tráfego frente aos métodos tradicionais, ainda que pese a maior dificuldade na calibração de modelos microscópicos.

A simulação, como ferramenta de suporte à tomada de decisão, tem sido utilizada nas mais variadas áreas do conhecimento e especialmente no projeto e dimensionamento de plantas de produção. Em geral, os simuladores para sistemas de produção consideram variáveis relativas à quantidade, tipo e disposição física de máquinas, quantidades dos estoques intermediários, e aos tempos de produção sem, no entanto, considerar os tempos reais do trabalho do ser humano envolvido no processo, apesar de a mão de obra humana ser largamente empregada nestes sistemas, afetando diretamente a sua produtividade. Uma das possíveis razões disto é a complexidade dos fatores que influenciam na produtividade do ser humano, que varia em função de fatores ambientais, fisiológicos, psicológicos ou sociais. Normalmente, os sistemas de simulação da produção representam o trabalhador humano da mesma forma como representam uma máquina, uma ferramenta ou um equipamento, cuja previsibilidade é bem maior. Esta dissertação avalia a questão humana em um simulador bastante utilizado comercialmente, e evidenciou que os fatores ergonômicos são capazes de alterar significativamente os resultados de uma simulação, justificando o desenvolvimento de rotinas computacionais capazes de representar o elemento humano e suas interações com o sistema, de forma mais fidedigna.

O presente trabalho descreve os resultados da pesquisa que tem por objetivo a determinação de parâmetros térmicos de um corpo sólido: o valor médio da emissividade total e o coeficiente médio de transferência de calor por convecção. Foi desenvolvido o modelo matemático do processo de resfriamento de um corpo forjado. Foram examinados os métodos da determinação dos parâmetros mencionados, que estão descritos na literatura, e também foram analisadas as possibilidades de aproveitá-los no processo de forjamento. No meio de métodos analisados, o método do Instituto IBF (Institut für Bildsame Formgebung, IBF, RWTH, Aachen, Alemanha), foi considerado o mais apropriado tendo a metodologia deste trabalho seguindo a mesma sistemática. Aproveitando a metodologia do IBF para a determinação dos parâmetros térmicos mencionados e o modelo matemático do resfriamento de um corpo forjado, foi desenvolvida uma nova técnica para determinar o valor médio da emissividade total e o coeficiente médio de transferência de calor por convecção de um corpo sólido. Os materiais analisados foram o aço ABNT 1045 e a liga de alumínio AA 6061. Foram feitas as comparações dos resultados obtidos pela técnica desenvolvida com o método do IBF.

Esta dissertação apresenta uma abordagem para inserção e aplicação da técnica de Simulação Computacional como ferramenta de apoio a análise de decisão no setor hospitalar. Um grupo de onze hospitais foi contemplado diretamente no estudo. O processo de inserção da ferramenta foi implementado em quatro macro etapas. As duas primeiras etapas envolveram a totalidade do grupo de hospitais e objetivaram a divulgação da ferramenta; foram elas: (i) Pesquisa para diagnosticar o conhecimento e interesse do grupo na técnica, e (ii) realização de seminários para divulgação da técnica. As duas macro etapas finais caracterizam um estudo de caso, tendo sido desenvolvidas em um hospital; foram elas: (iii) Estudo-Piloto com desenvolvimento de um modelo computacional utilizando um software dedicado, no qual o grupo do hospital foi treinado, e (iv) utilização do modelo na definição das características de um novo serviço de atendimento. Durante todo o processo onze hospitais participaram da pesquisa realizada, aproximadamente cem pessoas assistiram a pelo menos um dos seminários e um hospital desenvolveu um estudo aplicado de simulação. Neste estudo a simulação foi utilizada para analisar alternativas para uma situação específica no hospital e um novo serviço alternativo foi criado a partir da análise realizada e do modelo desenvolvido. O resultado decorrente da simulação foi implementado na prática. Pode-se constatar neste trabalho o grande interesse dos hospitais em técnicas que auxiliem a tomada de decisão. / This dissertation presents an approach for the insertion of the simulation technique as supporting tool for decision making in hospitals. Eleven Hospitals were included in the study. A The first two steps aimed at introducing the use of simulation techniques to the group of hospitals; they consisted of (i) a survey on the group’s knowledge and motivation for using simulation techniques, and (ii) seminars to promote their utilization. The last two steps were part of a case study developed in one hospital and consisted of (iii) modeling of the hospital’s front desk services using a simulation computer package, and (iv) using the simulation results to re-design those services. Among the insertion process, eleven hospitals learned the simulation concepts. Aproximately a hundred people attended at least one seminar about Simulation Techniques and one hospitals had developed its first simulation project. In this project Simulation was used to analize alternatives for a situation and a new service was created. The simulation results were implemented in practice.

A simulação computacional de processos é uma ferramenta valiosa em diversas etapas da operação de uma planta química, tais como o projeto, a análise operacional, o estudo da estratégia de controle e a otimização, entre outras. Um programa simulador requer, freqüentemente, o cálculo das propriedades termofísicas que fazem parte das equações correspondentes aos balanços de massa, energia e quantidade de movimento. Algumas dessas quantidades, típicas de operações baseadas no equilíbrio de fases (tais como a destilação fracionada e a separação flash), são as fugacidades e entalpias das fases líquida e vapor em equilíbrio. Contudo, o uso de modelos e correlações cada vez mais sofisticadas para representar acuradamente as propriedades termofísicas dos sistemas reais fez com que grande parte do tempo gasto numa simulação de processos seja devida à avaliação destas propriedades. Muitas estratégias têm sido propostas na literaturas a fim de se reduzir a carga computacional envolvida na simulação, estática e dinâmica, dos problemas de Engenharia Química. Esta diminuição do tempo de processamento pode muitas vezes ser determinante na aplicação ou não da simulação de processos na prática industrial, como, por exemplo, no controle automático. Esta dissertação aborda uma das alternativas para a redução do tempo computacional gasto na simulação de processos: a aproximação das funções que descrevem as propriedades termofísicas através de funções mais simples, porém de fácil avaliação. Estas funções, a fim de se garantir uma aproximação adequada, devem ser corrigidas ou atualizadas de alguma forma, visto que se tratam de modelos estritamente válidos em uma pequena região do espaço das variáveis, sendo, por isto, chamados de modelos locais. Partindo-se do estado atual desta técnica, é proposta nesta dissertação uma nova metodologia para se efetuar esta aproximação, através da representação global da propriedade mediante múltiplas funções simples, constituindo, desse modo, uma rede de modelos locais. Algumas possibilidades para a geração efetiva destas redes são também discutidas, e o resultado da metodologia é testado em alguns problemas típicos de separação por equilíbrio de fases.

Em planejamento de lavra, freqüentemente as campanhas de sondagem são complementadas por falta de segurança nas estimativas. Na maioria dos casos, essas sondagens adicionais são locadas sem o uso de qualquer procedimento matemático que indique os locais mais carentes de informação. Essa dissertação propõe uma metodologia fundamentada em simulação estocástica para tratar esse problema. Com a utilização desse método, é possível que seja considerada a variabilidade entre as informações, além da configuração espacial apresentada. Essa metodologia permite gerar várias estimativas equiprováveis do atributo em questão, reproduzindo o histograma e o variograma das informações originais. A variabilidade apresentada pelos conjuntos de n valores equiprováveis, em cada bloco discretizado da jazida, é medida por meio do cálculo de índices de incerteza. Esses índices são calculados após o processo de simulação estocástica por meio da compilação das n estimativas realizadas para cada bloco. Os índices de incerteza considerados nessa dissertação são: (i) variância condicional; (ii) coeficiente de variação condicional e (iii) intervalo entre quartis. A partir da classificação desses índices de incerteza, são identificados os setores que apresentam as maiores variabilidades em suas estimativas. Com essa classificação é possível a confecção de mapas de incerteza que auxiliam na visualização dos setores/blocos mais variáveis da jazida Nesses setores, são adicionadas informações oriundas da escolha aleatória de um dos n valores equiprováveis disponíveis para cada bloco simulado. Por meio dos índices de incerteza e de acordo com a metodologia, são propostas informações adicionais na área considerada, que contribuem na diminuição das incertezas globais e locais. Essa metodologia usa técnicas extremamente robustas, com embasamento teórico muito consistente, atacando diretamente os setores/blocos que apresentam as maiores flutuabilidades nas estimativas. Um estudo de caso em uma jazida de carvão verifica a aplicabilidade do método. Esse estudo, considera a variabilidade nas estimativas de espessura de uma camada carvão.