A presente dissertação contempla o desenvolvimento e validação de um aplicativo para efetuar simulações de hadronterapia. Este aplicativo foi empregado no estudo das reações nucleares de fragmentação que ocorrem para as energias e partículas envolvidas no tratamento. Estas reações representam a chave para o planejamento, tratamento, e pós-análise de precisão. Inicialmente é realizada uma revisão a respeito do tratamento de tumores profundos utilizando prótons e íons. Os aspectos físicos, biológicos e técnicos da utilização de feixes energéticos destas partículas são discutidos. A situação atual do tratamento e perspectivas são mencionadas. Faz-se também referências às di culdades do planejamento devido a ausência de ferramentas precisas para uma estimativa el da deposição de energia. A sequência do texto contém uma breve revisão dos códigos de Monte Carlo que podem ser adotados para a simulação do tratamento. Uma ferramenta que empregue o método de Monte Carlo é uma viável solução para levar em conta todos os efeitos físicos provocados pelas interações das partículas do feixe com os tecidos biológicos. Neste mesmo contexto, são discutidos os processos físicos relevantes que precisam ser considerados nas simulações de hadronterapia. O código de Monte Carlo Geant4 é, então, apresentado. São descritos os recursos que são utilizados para as simulações do tratamento. Este toolkit foi empregado para o desenvolvimento de um aplicativo, sendo este o primeiro item de originalidade do presente trabalho. O aplicativo desenvolvido é discutido e suas capacidades e funcionalidades são relatadas. Posteriormente, são apresentadas simulações utilizando o aplicativo supracitado. Os resultados são confrontados com dados experimentais e as limitações dos modelos físicos disponíveis são analisadas. O aplicativo demonstra, pela avaliação dos resultados, que: consiste em uma possível ferramenta para as estimativas precisas necessárias para a hadronterapia; é versátil, podendo ser empregado para um amplo intervalo de energias e para diferentes partículas do feixe; as funcionalidades podem ser facilmente estendidas para se moldar à proposta da aplicação devido ao paradigma da orientação a objetos; o problema de tempo computacional para o emprego do método de Monte Carlo no planejamento de tratamento pôde ser contornado com a implementação de processamento paralelo. Além disso, as análises demonstram que os modelos físicos necessitam modi cações na faixa de energia da hadronterapia para realizar uma melhor descrição do processo de fragmentação nuclear. Os resultados originais da dissertação abrem caminho para tornar as simulações em hadronterapia um instrumento de precisão no combate contra tumores situados em localizações que não permitem procedimentos invasivos. / The present master thesis comprises the development and validation of an application to perform a simulation of hadrontherapy. This application was employed in the study of nuclear fragmentation reactions that occur in the energy range and with particles involved in cancer treatment. These reactions are the key to acquire high precision in the planning, treatment and post-analysis of the treatment. A review is initially performed with regard to the treatment of deep seated tumors with beams of protons and ions. The physical, biological and technical aspects of the utilization of energetic beams using these particles are discussed. The current situation of the treatment and perspectives are indicated. In addition, reference is made to the di culties in planning due to the lack of precise tools for an accurate estimative of the energy deposition. The sequence of the text contains a brief review of the Monte Carlo codes that may be used for simulation of the treatment. A tool which would employ the Monte Carlo method shall be a reliable way to determine all the physical e ects caused by the interaction of the particles from the beam with the biological tissues. In this context, relevant physical processes which may be considered in the hadrontherapy simulation are discussed. The Monte Carlo code Geant4 is presented. The resources used for simulation of treatment are described. The toolkit is applied for the development of an application and that is novelty of the present work. The developed application is described and its capabilities and functionalities are listed. At a later moment simulations are presented by utilizing the application. The results are compared to experimental data and the limitations of the available physics models are analyzed. Evaluation of the results indicates that the application represents a useful tool for precise estimations that are needed for the hadrontherapy; further it is versatile and it can be used for a wide range of energies and di erent particles from the beam; moreover the functionalities can be easily extended in order to mold the terms of the application due to the object-oriented paradigm; last the issue regarding computation time for the use of the Monte Carlo method at treatment planning is solved with the implementation of parallel processing. Besides, the analyses indicate that the physics models need to be modi ed in the energy range suited for hadrontherapy, in order to achieve a better description of the process of nuclear fragmentation. These novel results shown in the present thesis open a pathway to make simulation in hadrontherapy a precise instrument to ght tumors located in deep seated areas where an invasive procedure is not be possible.

Este trabalho tem por objetivo analisar a aplicação do Método Reaction Diffusion Manifold (REDIM) na simulação de chamas axisimétricas, difusivas e laminares. Modelos detalhados de cinética química são usualmente computacionalmente proibitivos para a simulação de fluxos reativos complexos e, portanto, modelos reduzidos são necessários. Ferramentas automáticas de redução de modelos normalmente exploram a estrutura multi-escalar natural dos sistemas de combustão. A nova técnica REDIM aplica o conceito de variedades invariantes para tratar, também, a influência dos processos de transporte no modelo reduzido. Assim, ela supera um problema fundamental na redução de modelos em negligenciar o acoplamento do transporte molecular com o processo termodinâmico. Para o estudo, considera-se como caso teste uma chama de metano/ar (65%CH4 + 35%N2), difusiva, laminar, axisimétrica, a pressão atmosférica para validar a metodologia aqui apresentada. Primeiramente, REDIM uni e bidimensionais são computadas e tabuladas em tabelas lookup. Então, o sistema completo de equações governantes é projetado na REDIM e implementado no código Gascoigne através de uma nova biblioteca addon para tratar as tabelas REDIM. O sistema projetado de equações governantes é discretizado pelo Método de Elementos Finitos (MEF) e resolvido por uma iteração GMRES precondicionada por um método multigrid geométrico. Refinamento de malha local, malha adaptativa e paralelismo foram aplicados para garantir eficiência e precisão. Os resultados numéricos obtidos usando a técnica REDIM mostram boa concordância com os dados de simulação numérica detalhada e dados experimentais reportados na literatura. / The goal of this work is to analyze the use of automatically reduced chemistry by the Reaction-Diffusion-Manifold (REDIM) method in simulating axisymmetric laminar coflow diffusion flames. Detailed chemical kinetic models are usually computationally prohibitive for simulating complex reacting flows and, therefore, reduced models are required. Automatic reduction models approaches usually exploit the natural multiscale structure of combustion systems. The novel REDIM approach applies the concept of invariant manifolds to treat also the influence of the transport processes on the reduced model, which overcomes a fundamental problem of model reduction in neglecting the coupling of molecular transport with thermochemical processes. We have considered a previously well studied atmospheric pressure nitrogen-diluted methane/air flame as a test case to validate the methodology presented here. First, one-dimensional and two-dimensional REDIMs were computed and tabulated in lookup tables. Then, the full set of governing equations are projected on the REDIM and implemented in the object-oriented C++ Gascoigne code with a new add-on library to deal with the REDIM-tables. The projected set of governing equations has been discretized by the Finite Element Method (FEM) and solved by a GMRES iteration preconditioned by a geometric multigrid method. Local grid refinement, adaptive mesh and parallelization are applied to ensure efficiency and precision. The numerical results obtained using the REDIM approach have shown very good agreement with detailed numerical simulations and experimental data.

Nesse trabalho temos como objetivo simular diversos estágios da ameba Dictyostelium discoideum durante o seu ciclo de vida social. Tal organismo apresenta um ciclo de vida típico no qual se comporta como uma ameba Eucarionte, alimentando-se de bactérias e dividindo-se por mitose. É quando as fontes de nutrientes no ambiente se tornam escarças que tem início o ciclo de vida social no qual as amebas começam a emitir um sinal químico que guiará as mesmas com objetivo de formar agregados com aproximadamente 50 mil amebas. Dentro de tal agregado as amebas se diferenciam e formam um ser pluricelular na forma de uma lesma que tem como objetivo transportar as amebas para uma região com maior probabilidade de sobrevivência. Para simular tal organismo iremos mesclar dois modelos diferentes para reproduzir a sinalização química entre as amebas e o seu movimento. O modelo utilizado para descrever a sinalização química do composto Adenosina Monofosfato cíclico 3'5' foi desenvolvido de acordo com a análise dos processos bioquímicos envolvidos e os parâmetros foram obtidos experimentalmente. A movimentação das amebas é implementada através de um modelo de animóides com velocidade fixa onde o ângulo de movimento varia de acordo com regras simples que já provaram ser eficientes na simulação desde grupos de animais a processos de segregação celular. Nessa tese mostraremos como o método utilizado para resolver o modelo de sinalização química não é somente mais eficiente numericamente, como também é capaz de apresentar diversas das propriedades da ameba vistas nos experimentos até o momento da agregação, entre elas: sincronização; adaptação; formação de espirais; padrões de reação difusão. Ao implementarmos o movimento das amebas verificamos outras propriedades como: caminhos preferenciais de deslocamento até o centro do agregado (streaming); formação de mound e movimento coletivo circular. Nesse trabalho além de conseguirmos unir diversas propriedades em um único modelo, também conseguimos demonstrar que a origem do movimento helicoidal coletivo das amebas dentro da lesma pode ser proveniente de simples propriedades físicas ao contrário de algumas vertentes que afirmam ser proveniente da quimiotaxia em um sistema com ondas de sinal químico helicoidal. / In this work we aim to simulate different stages of the amoeba Dictyostelium discoideum through its social cycle. This organism has a typical life cycle in which it behaves like an Eukaryotic amoeba, feeding on bacteria and reproducing through mitosis. It is when the sources of nutrients in the environment become scarce that the social cycle begins. In this cycle the amoebae start to emit a chemical signal that will guide them to form aggregates with approximately 50 thousand amoebae. Within such aggregate the amoebae differentiate themselves to create a multicellular being in the form of a slug, which aims to transport the amoebae to a region with a higher probability of survival. In order to simulate such organism we have merged two different models to reproduce the chemical signaling among amoebae and their movement. The model chosen to describe the chemical signaling of the compound cyclic Adenosine Monophosphate 3'5' has ben developed according to the biochemical processes and the parameters obtained experimentally. The amoebae movement is implemented through a boids model with fixed speed where the angle of movement varies according to simple rules that have proven effective in other simulations of animal groups and cellular segregation. In this thesis we show how the method used to solve the model chemical signaling is not only numerically more efficient, but also capable of reproducing several properties of the amoeba seen in experiments until the aggregation stage, including: synchroniiation, adaptation, spiral formation and reaction-diffusion patterns. Upon implementation of amoeba movement we verified other properties such as streaming, mound formation and collective rotational movement. In this thesis we in addition to uniting several properties in a single model, were also able to demonstrate that the origin of the helicoidal movement within the slug can come from simple physical properties, in contrast to some studies which claim the origin to be from chemotaxis in a system with scroll waves of chemical signaling.

O presente trabalho abordou a simulação numérica de problemas relacionados a um tópico de grande importância na área médica: o comportamento de tecidos ósseos. Foram utilizadas ferramentas computacionais, fundamentos de Mecânica dos Sólidos e teorias baseadas em estudos e experimentos, para simular o comportamento desses tecidos vivos. Aqui se desenvolveu uma metodologia para criar modelos computacionais de ossos fazendo uso de leituras tomográficas, designando as propriedades em função do valor das densidades. A metodologia foi aplicada juntamente com algoritmos genéticos e o método dos elementos finitos para obter a melhor posição de implantes ortodônticos, visando uma homogeneização da tensão no osso na região de colocação do implante. Também foi possível fazer uma comparação entre modelos utilizados na literatura e o desenvolvido aqui. Em particular, foi demonstrado que o uso de materiais isotrópicos homogêneos e materiais com propriedades variáveis de acordo com a densidade levam a resultados diferentes para a otimização da orientação do implante. Foi criado um modelo computacional de remodelamento ósseo com isotropia transversal, com base no modelo de crescimento ósseo isotrópico de Stanford e utilizando as relações constitutivas dos tecidos ósseos. Foi realizada uma comparação entre os modelos isotrópico e isotrópico transversal na simulação do processo de remodelamento ósseo, sendo possível destacar as principais diferenças entre eles. A seguir foi realizada a aplicação do remodelamento ósseo para a otimização de próteses femorais. Foram construídos modelos computacionais integrando o método dos elementos finitos, um modelo matemático do comportamento adaptativo do material ósseo e o método dos algoritmos genéticos, visando a minimização da perda de massa óssea após a inserção de próteses em um osso hospedeiro. Foram realizadas três otimizações para combinações diferentes de parâmetros de projeto de uma prótese femoral. Na primeira, foi realizada a otimização da geometria e do módulo de Young da prótese. Na segunda, foi otimizado apenas o módulo de Young da prótese. Na terceira, foi proposto um modelo de prótese bimaterial, no qual os módulos de Young e a posição da divisão entre os materiais são os parâmetros de projeto escolhidos. A partir dos resultados obtidos, foi possível fazer comentários e sugestões sobre o material utilizado para construção de próteses femorais, bem como sobre a aplicabilidade da metodologia empregada na simulação de problemas de biomecânica. / The present work is addressed to the numerical simulation of problems related to an important topic in the medical area, namely, bone tissues. Computational methods, solid mechanics and theoretical/experimental studies were used to simulate the behavior of live bone tissues. A methodology was developed to create computational models using tomography data, assigning the mechanical properties from the corresponding densities map. The methodology was applied with genetic algorithms and the finite element method to predict the optimal position of orthodontic implants, aiming the homogenization stress in the bone. It was possible to compare some models found in literature and the one developed here. In particular, it was showed that homogeneous isotropic materials and materials with variable density result in different predictions in the optimization of the implant orientation. A computational scheme for bone remodeling was developed using three material behavior laws: transversally isotropic, isotropic Stanford model and classical constitutive relations for bone tissues. A comparison between the isotropic model and the transversally isotropic in the simulation of the bone remodeling was carried out, and the main differences between them were highlighted. Then the proposed bone remodeling scheme was applied to optimize femoral prosthesis. The computational models integrated the finite element method, a mathematical model to describe the behavior of adaptive bone material, and the genetic algorithm. The optimization aimed reduction of bone absorption after the insertion of a prosthesis in a bone host. Three cases of cemented femoral prosthesis were optimized. In the first case, the Young Modulus and geometry of the prosthesis were selected as design variable. In the second case, only the Young Modulus was used as design variable. In the third case, a bi-material prosthesis was proposed was proposed and optimized. Conclusions about the applicability of the proposed formulation for the simulation of biomechanics problems are drawn.

Este trabalho apresenta uma abordagem numérica da fratura baseada no Método dos Elementos Finitos na qual são considerados materiais frágeis como objeto de estudo. As simulações realizadas são possíveis através de um algoritmo computacional que consiste na implementação de molas entre as faces dos elementos finitos. Esta composição constitui o método denominado Interfaces Coesivas. As molas fornecem o efeito de coesão e é representado por leis constitutivas do tipo bi-linear. Sua descrição é apresentada, bem como sua implementação na análise. Tanto o modo I como o modo II de ruptura são considerados. Com o objetivo de verificar o presente modelo com outros resultados e soluções, são analisados exemplos numéricos e experimentais extraídos da literatura. Tais exemplos tratam da nucleação, propagação e eventuais paradas de trincas em peças estruturais submetidas aos mais diversos carregamentos e condições de contorno. É ainda discutido como os parâmetros de fratura do material interferem no processo de ruptura. Uma tentativa é feita de determinar estes parâmetros, em especial no caso de concreto.

Simulador de processos é uma ferramenta valiosa, pois possibilita desde a validação de projetos e sua operabilidade prática até aumentos de produção e redução de custos. Devido a estes e outros fatores, o interesse industrial em técnicas e pacotes computacionais para a modelagem, simulação e otimização de processos tem crescido muito nos últimos anos. Juntamente com este interesse cresce a qualidade das ferramentas disponíveis no mercado para tal, mas estas ainda não satisfazem totalmente as expectativas de seus usuários. Este trabalho consiste no projeto de um novo simulador genérico para processos dinâmicos que satisfaça os usuários de forma mais completa do que os disponíveis atualmente no mercado. Para tanto, foram reunidas e, quando necessário, desenvolvidas novas técnicas relativas à descrição, análise e solução de problemas dinâmicos. Uma nova linguagem de modelagem orientada a objetos e um sistema de tradução da representação nesta linguagem para sistemas de equações foram propostos. Métodos de análise dos sistemas de equações provenientes da modelagem foram desenvolvidos com o intuito de auxiliar o usuário na detecção de erros de modelagem. Algoritmos para solução de sistemas dinâmicos e estacionários foram reunidos e uma arquitetura interna foi proposta. Por fim, o sistema como um todo foi testado através de sua aplicação em problemas típicos e outros que não podem ser resolvidos diretamente com os pacotes computacionais disponíveis no mercado. O teste com os problemas práticos provou que a estrutura proposta é adequada e apresenta uma série de vantagens quando comparada com softwares largamente utilizados na simulação de processos.

A elaboração de um projeto de obra de edificação é fruto da interação entre profissionais de diversas disciplinas desenvolvendo, simultaneamente, suas opções e decisões com relação ao mesmo. É necessário considerar a qualidade do processo de elaboração do projeto dependente de uma efetiva comunicação entre os membros da equipe. A indústria da construção civil está sendo beneficiada pelos recursos oferecidos pela tecnologia da informação como, por exemplo, os sistemas colaborativos (extranets de projeto). Estes sistemas corroboram na integração e comunicação entre os membros de um projeto. O objetivo da presente pesquisa foi a apresentação do desenvolvimento de modelo validado de ferramenta computacional projetada para complementar um sistema colaborativo pré-existente. Esta ferramenta foi denominada Sistema de Programação e Controle do Processo de Projeto (SIPROCON/PP). A finalidade do SIPROCON/PP é auxiliar no processo de tomada de decisão dos coordenadores através do monitoramento do cronograma e do fluxo do intercâmbio de informações das atividades geradoras de informações neste processo. O processo de desenvolvimento da ferramenta foi delineado em harmonia com a organização da pesquisa. Neste sentido, é assinalado o uso da prototipação e da simulação como estratégias de pesquisa, utilizados respectivamente na construção e validação do modelo da ferramenta. Ante a necessidade do experimento, foi criada uma atividade lúdica através da qual foi reproduzido o intercâmbio de informações de um processo de projeto denominada Sistemática de Simulação do Processo de Projeto (SS/PP) para validação do modelo da ferramenta. Logo, por meio do uso das simulações foram obtidos os dados correspondentes a validação da modelagem e aplicação do SIPROCON/PP e, ao mesmo tempo, necessários à conclusão da pesquisa. Diante disso, a partir da análise dos dados coletados é apontada a melhoria na qualidade do processo de elaboração do projeto considerando a formação de uma equipe equilibrada de projeto. Isso, fruto do conhecimento mais acurado do coordenador sobre o desempenho de cada projetista.

A popularização das tecnologias de acesso à Internet por “banda larga” suportam a crescente proliferação de aplicações do tipo “par-a-par” (peer-to-peer), onde o usuário doméstico, tipicamente consumidor de informação, passa também a atuar como provedor. De forma simultânea, há uma popularização crescente dos jogos em rede, especialmente dos “jogos maciçamente multijogador” (MMG ou massively multiplayer game) onde milhares de jogadores interagem, em tempo real, em mundos virtuais de estado persistente. Os MMGs disponíveis atualmente, como EverQuest e Ultima Online, são implementados como sistemas centralizados, que realizam toda a simulação do jogo no “lado servidor”. Este modelo propicia controle de acesso ao jogo pelo servidor, além de ser muito resistente a jogadores trapaceiros. Porém, a abordagem cliente-servidor não é suficientemente escalável, especialmente para pequenas empresas ou projetos de pesquisa que não podem pagar os altos custos de processamento e comunicação dos servidores de MMGs centralizados. Este trabalho propõe o FreeMMG, um modelo híbrido, cliente-servidor e par-a-par, de suporte a jogos maciçamente multijogador de estratégia em tempo real (MMORTS ou massively multiplayer online real-time strategy). O servidor FreeMMG é escalável pois delega a maior parte da tarefa de simulação do jogo para uma rede par-apar, formada pelos clientes. É demonstrado que o FreeMMG é resistente a certos tipos de trapaças, pois cada segmento da simulação distribuída é replicado em vários clientes. Como protótipo do modelo, foi implementado o jogo FreeMMGWizards, que foi utilizado para gerar testes de escalabilidade com até 300 clientes simulados e conectados simultaneamente no mesmo servidor Os resultados de escalabilidade obtidos são promissores, pois mostram que o tráfego gerado em uma rede FreeMMG, entre servidor e clientes, é significativamente menor se comparado com uma alternativa puramente cliente-servidor, especialmente se for considerado o suporte a jogos maciçamente multijogador de estratégia em tempo real.

A validação de projetos de sistemas eletrônicos pode ser feita de diversas maneiras, como tem sido mostrado pelas pesquisas em síntese automática e verificação formal. Porém, a simulação ainda é o método mais utilizado. O projeto de um sistema digital típico pode ser desenvolvido em diversos níveis de abstração, como os níveis algorítmico, lógico ou analógico. Assim, a simulação também deve ser executada em todos esses níveis. A simulação apresenta, contudo, o inconveniente de não conseguir conciliar uma alta acuracidade de resultados com um baixo tempo de simulação. Quanto mais detalhada é a descrição do circuito, maior é o tempo necessário para simulá-lo. O inverso também é verdadeiro, ou seja, quanto menor for a acuracidade exigida, menor será o tempo dispendido. A simulação multinível tenta conciliar eficiêencia e acuracidade na simulação de circuitos digitais, propondo que partes do circuito sejam descritas em diferentes níveis de abstração. Com isso, somente as partes mais críticas do sistema são descritas em detalhes e a velocidade da simulação aumenta. Contudo, essa abordagem não é suficiente para oferecer um grande aumento na velocidade de simulação de grandes circuitos. Assim, surge como alternativa a aplicação de técnicas de processamento distribuído à simulação multinível. Os aspectos que envolvem a combinação dessas duas técnicas são abordados nesse trabalho. Como plataforma para os estudos realizados, optou-se por usar duas ferramentas desenvolvidas nessa Universidade: os simuladores do Sistema AMPLO e o Sistema Operacional HetNOS. São estudadas técnicas de sincronização em sistemas distribuídos, fundamentais para o desenvolvimento dos simuladores e, finalmente, são propostas alternativas para a distribuição dos simuladores. É realizada, ainda, uma análise comparativa entre as versões propostas.

Este trabalho apresenta um modelamento computacional dos diversos componentes de um ciclo de Rankine regenerativo em operação transiente, utilizando as leis fundamentais de balanço de massa e energia, além de algumas equações constitutivas. O cálculo das propriedades termodinâmicas foi realizado através de rotinas desenvolvidas no Grupo de Estudos Térmicos e Energéticos (GESTE) da UFRGS. Os componentes com comportamento inercial são o condensador e o tanque de água de alimentação. Os demais respondem instantaneamente. O método de solução das equações algébricas é seqüencial e o avanço no tempo é totalmente implícito. Primeiramente o sistema é colocado em regime permanente, a partir do qual é introduzida uma mudança de carga na turbina em um determinado intervalo de tempo. Algumas variáveis prescritas foram obtidas a partir de dados reais de uma usina termelétrica. A partir desse modelamento foi possível investigar o comportamento dinâmico do condensador e do tanque de alimentação e de que maneira estes efeitos eram percebidos pelos demais componentes. Os resultados obtidos demonstram que ambos possuem um comportamento dinâmico, sendo que o condensador apresenta uma constante de tempo menor que o tanque de alimentação. O condensador, por rejeitar o calor necessário, acaba por perceber rapidamente as oscilações introduzidas no ciclo Além disto é apresentado um método para determinação de coeficientes globais de troca térmica em condensadores e regeneradores. Os resultados obtidos neste trabalho foram utilizados na modelagem desses componentes durante a construção de um simulador em regime permanente da UTE Presidente Médici - Fase B. Também foi realizada uma pesquisa sobre os diversos programas simuladores de plantas de potência, assim como uma discussão das vantagens introduzidas por simuladores dinâmicos e em regime permanente nas decisões de engenharia.