Em diversas instituições universitárias existem centenas ou milhares de computadores que costumam ser subutilizados. Esses computadores não apresentam toda sua capacidade processamento aproveitada, ficando em grande parte do tempo em estado ocioso ou até mesmo desligados. Frequentemente, grupos de pesquisas dessas mesmas instituições possuem aplicações que necessitam de um grande poder de processamento. A fim de suprir essa necessidade esses grupos acabam tendo de investir na aquisição de computadores de grande porte ou clusters de computadores. Muitas dessas aplicações são do tipo Bag-of-Tasks, isto é, são praticamente independentes, não havendo necessidade de comunicação entre as tarefas. Desta forma, poderiam ser executadas perfeitamente em um ambiente de grade, que pode ser construído a partir de recursos ociosos já existentes nessas instituições. Dentro deste enfoque, decidiu-se pela construção de uma grade institucional na Universidade de Caxias do Sul (UCS). Essa grade foi utilizada para a realização de simulações computacionais de materiais (clatratos de carbono e sacarose). Diversas fases hipotéticas do carbono tiveram suas propriedades calculadas por meio de simulações computacionais, em distintas aproximações. No entanto, em geral não há na literatura simulações computacionais de boa qualidade dos espectros vibracionais (Raman e de absorção no infravermelho) destas fases de carbono, o que torna essencialmente impossível sua identificação em amostras reais. A disponibilidade de melhores recursos de hardware/software e novos funcionais de troca e correlação (e a eventual inclusão de interações do tipo van der Waals), bem como a possibilidade do cálculo do espectro vibracional, constituem elementos que poderão contribuir significativamente para estabelecer uma ponte entre os resultados das simulações computacionais e resultados experimentais obtidos com amostras reais. O cálculo ab initio sistemático das propriedades físicas de diferentes fases reais e hipotéticas do carbono, poderá inclusive guiar a realização de experimentos visando a síntese das fases mais promissoras do ponto de vista de suas propriedades. Foram estudados neste trabalho os clatratos C46 e Li8C46 e a sacarose. Os clatratos são materiais com propriedades físicas de grande potencial para a realização de aplicações tecnológicas. Esses clatratos de carbono, até este trabalho, não tiveram suas rotas de síntese estabelecidas. Neste trabalho foi feita a otimização da estrutura e o cálculo do espectro vibracional dos clatratos C46 e Li8C46. A previsão dos espectros de Raman e infravermelho pode auxiliar na descoberta desses materiais. No estudo das propriedades vibracionais do clatrato Li8C46 foi observada a necessidade da revisão de resultados encontrados na literatura. Para a sacarose foram comparados os resultados de simulação computacional realizados neste trabalho com resultados experimentais já disponíveis sobre o efeito de altas pressões (até 14 GPa) sobre os modos vibracionais deste composto. Foi observado um aumento nas frequências com o aumento da pressão, para os modos associados a vibrações CH, CO e CC, conforme o esperado. Por outro lado, a banda associada ao OH não-ligado da sacarose deslocou-se para frequências mais baixas, indicando a formação de uma ligação de hidrogênio induzida por pressão. O comportamento geral do espectro de infravermelho sob pressão foi completamente reversível com a diminuição da pressão, revelando a estabilidade da sacarose até 14 GPa, em condições quase hidrostáticas. / In many universities there are hundreds or thousands of computers whose computational power is not fully utilized. These computers use to stay idle or even turned off most of the time. Often, the research groups of these institutions deal with applications that require lots of processing power. With the intent of solving this need, these groups end up buying high performance computers or computer clusters. Many of these applications are Bag-of- Tasks applications, that is, they are almost independent and have no need to communicate with each other. This makes it possible for the applications to run without problems in a computational grid. Such environment can be built using the available resources at those institutions. Within this approach it was decided to build/develop an institutional computer grid in the Universidade de Caxias do Sul (UCS). This grid has been used to run computer simulations of materials(carbon clathrate and sucrose). Various hypotetical carbon structures had their properties calculated by means of computer simulations using different approaches. However, there are no good quality simulation in literature for vibrational spectra (Raman and infrared absorbance) the computer simulations for those carbon structures, which makes their identification essentially impossible in real samples. The availability of better hardware/software resources and the new exchange-correlation functionals (and the possible inclusion of van der Waals interactions), as well as the possibility of calculating the vibrational spectra, constitute elements that may contribute significantly to establish a bridge between the results of computer simulations and the experimental results obtained from real samples. The systematic ab initio calculation of the physical properties from different real and hypotetic carbon stages may guide the execution of experiments for the synthesis of the most promissing stages from the point of view of its properties. The carbon clathrates C46 and Li8C46, along with sacarose, were subjected to study in this work. The clathrates are materials with physical properties of great potential for technologial applications. Those carbon clathrates, until this work, did not have their synthesis routes established. In the present work the structure optimization and the calculation of the C46 and Li8C46 clathrates vibrational spectrums was done. The prediction from the Raman spectrums and infrared can help in the discovery of these materials. In the study of the vibrational properties of Li8C46 clathrate, it has been observed the need to review the results found in literature. For sucrose the results of computational simulation found on this work were compared to the experimental results already available for the effect of high pressure (up to 14 GPa) on the vibrational modes. It has been observed an increase in the frequency with increasing pressure for the bands assigned to the modes CH, CO and CC, as expected. On the other hand, the band associated to the non-bonded OH from the sucrose has shifted to lower frequencies, indication the formation of a hydrogen pressured induced bond. The general behaviour of the infrared spectra under pressure was completly reversible upon pressure release, revealing the stability of sucrose up to 14 GPa, in nearly hydrostatic conditions.

Neste trabalho será apresentado um estudo de caso sobre o cálculo da distorção harmônica gerada por um parque eólico através da sua modelagem nos domínios do tempo e da frequência. Será analisada a propagação das frequências harmônicas na rede básica e a influência da modelagem das linhas de transmissão nos resultados de distorção harmônica. Para este estudo serão utilizados os programas EMTP (ElectroMagnetic Transient Program) e HarmZs para as simulações no domínio do tempo e da frequência, respectivamente. Os parques eólicos simulados utilizam geradores do tipo multipolar síncrono, e para a sua conexão à rede elétrica um conversor de frequência. Os resultados obtidos com o programa EMTP serão comparados para validação com os dados obtidos através da simulação no domínio da frequência utilizando o programa de simulação HarmZ. Já a análise da propagação das frequências harmônicas será simulada somente no domínio do tempo. Assim, através dos resultados obtidos será possível comparar os programas de simulação, determinar os níveis de distorção harmônica em diversos pontos do sistema elétrico e a influência dos modelos utilizados. / This work will present a case study on the calculation of the harmonic distortion generated by a wind farm. Time and frequency domain simulations will be performed. Harmonic propagation will be analyzed. Furthermore, the influence of transmission lines and underground cables models will be verified when there are several frequencies present in the system. Softwares EMTP (ElectroMagnetic Transient Program) and HarmZs will be used for the simulations in the time and frequency domain, respectively. The simulated wind farm use multipolar synchronous generators and their connection to the grid is made through a frequency converter. The results obtained with EMTP will be compared for validation with the results obtained with HarmZs. Thus, by the obtained results it will be possible to compare simulation programs and to determine the levels of harmonic distortion at several points of the electrical system.

Esta dissertação busca identificar aspectos carentes de melhorias na modelagem de pedestres. A modelagem do comportamento de pedestres se inicia pelo entendimento de seu processo decisório, entendendo como ele se desloca, realiza escolha de rotas, interage com outros pedestres, veículos, obstáculos, etc. Os modelos de simulação de pedestres estão hoje aptos a representar de forma bastante realista o deslocamento dos mesmos, entretanto, a simulação conjunta com veículos apresenta ainda alguns aspectos fracos devido as grandes diferenças de abordagem na modelagem dos dois modos. A representação da travessia de pedestres nos modelos de simulação tradicionais apresenta limitações que podem impactar nos resultados gerados pelos simuladores. Este trabalho enumera diversos comportamentos de pedestres decorrentes da interação com veículos, no momento da travessia, que geralmente não estão presentes nos simuladores. Uma vez identificados estes comportamentos, uma pesquisa foi realizada com usuários do sistema viário, com idades entre 22 e 60 anos, para avaliar o quanto estes comportamentos são frequentes e importantes na estimativa de tempos de viagem dos pedestres. O comportamento indicado pelos entrevistados como mais impactante nos tempos de viagem foi o de “busca por brecha em caminhada”, onde o pedestre percorre trechos na lateral da via, enquanto observa possíveis brechas na corrente de tráfego para realizar sua travessia. O referido comportamento foi então modelado e agregado a um modelo de simulação de pedestres. Os resultados mostraram que a inclusão do novo comportamento provoca redução significativa dos tempos médios de viagem dos pedestres e que a simulação pode ser mais condizente com o comportamento real de pedestres em diversos ambientes urbanos. Para representar o comportamento de um pedestre em um ambiente urbano, é preciso também estudar como ele escolhe suas rotas. No processo de escolha de rotas, o pedestre é influenciado por diversos fatores, como hábitos pessoais, o número de cruzamentos, níveis de poluição e de ruído, segurança, abrigo de condições climáticas ruins, e estimulação do ambiente. Para representar o comportamento de escolha de rota dos pedestres, foi desenvolvido um modelo que considera a interação entre pedestres como uma impedância alterando a rota do pedestre. O estudo foi inspirado por equações de forças de atrito, considerando que pedestres tendem a evitar passar próximo de outros pedestres com elevada velocidade relativa. Para escolher uma rota o pedestre realiza uma ponderação entre a impedância e a distância a ser percorrida. O modelo foi capaz de reproduzir comportamentos emergentes da interação entre os agentes, permitindo concluir que as equações de forças de atrito adotadas nesta modelagem podem ser uma abordagem válida na representação da escolha de rotas de pedestres, podendo também ser uma forma indireta de avaliação de atrasos. / This dissertation aims to identify aspects in need of improvement in modeling pedestrians. The modeling of pedestrian behavior begins by understanding their decision making process, understanding how people move, make route choice, interact with other pedestrians, vehicles, obstacles, etc. Simulation models of pedestrians are able to represent the way they move quite realistically, however, the combined simulation of pedestrians and vehicles still presenting some poor aspects due to the wide differences in the modeling approach of the two modes. The pedestrian road crossing representation in the traditional simulation models has limitations that may impact on the results generated by the simulators. This dissertation lists several behaviors arising from the interaction of pedestrians with vehicles at road crossing situations, which are generally not present in the simulators. Having identified these behaviors, a survey was conducted with pedestrians, aged between 22 and 60 years old, to evaluate how these behaviors are frequent and important to estimate travel times. The behavior indicated by the interviewees as more impactful in the travel times was the “search for a gap while walking”, describing the pedestrian that walks laterally to the road, in the sidewalk, at the same time that is trying to cross the road, looking for gaps in the traffic stream. Such behavior was modeled and then aggregated at a simulation model of pedestrians. Results showed that the inclusion of the new behavior causes significant reduction in average travel time for pedestrians and that the simulation can be more consistent with the actual behavior of pedestrians in different urban environments. To represent a pedestrian behavior in an urban environment, it is also necessary to study how he chooses their route. At the route choice process, the pedestrian is influenced by several factors, such as personal habits, the number of road crossings, levels of pollution and noise, safety, shelter from bad weather, and other stimulation of the environment. In order to represent the pedestrians route choice behavior was devised a model that considers the interaction between pedestrians as an impedance to alter pedestrians route. The study is inspired by friction forces equations, considering that pedestrians avoid passing near other pedestrians with high relative velocity. To choose a route a pedestrian consider a balance between the impedance and the path length. The model is able to reproduces emergent behavior between agents, allowing the assumption that friction equations adopted in this modeling may provide a suitable approach to route choice behavior and can also be used as an indirect measure of pedestrians delay.

Aulas experimentais são indispensáveis para o adequado aprendizado de conteúdos de Física. Nos últimos anos, surgiram diversos softwares de simulação de experimentos de Física. A partir da utilização de softwares, busca-se verificar se o aluno consegue visualizar em atividades virtuais as situações que são reais. A proposta é trabalhar com atividades que possibilitem mostrar que é possível aprender circuitos elétricos utilizando softwares de simulação. Todas as atividades desenvolvidas são parte do produto didático e estão organizadas em um CD-ROM. Como referencial teórico, adota-se a Teoria dos Campos Conceituais, de Gerard Vergnaud. Para esse autor, o sujeito se apropria do conhecimento, que pode ser pensado e organizado em campos conceituais, ao longo de muito tempo, por meio de experiência, maturidade e aprendizagem. O projeto foi aplicado a alunos da disciplina de Física e Eletricidade, no Curso de Sistemas de Internet, do Instituto Federal Sul-rio-grandense, campus Pelotas, RS. Foram escolhidos os softwares Modellus e PhET (Physics Education Technology), os dois considerados softwares gratuitos. Em um primeiro momento, foram trabalhados circuitos elétricos a partir desses softwares. Na sequência, as atividades foram repetidas em um painel construído especialmente para esse fim com o objetivo de analisar o desempenho dos alunos em circuitos reais. A partir dos dados colhidos durante o trabalho, foi possível obter evidências de que houve uma aprendizagem significativa sugerindo que, de fato, as situações (VERGNAUD, 1990) é que dão sentido aos conceitos. / Experimental classes are essential for the proper learning of physics content. In recent years emerged various software simulation experiments in physics. From the use of software try to verify if the student can view activities in virtual situations that are real. The proposal is to work with activities that enable show that it is possible to learn electric circuits using simulation software. All activities are part of the educational product and are organized on a CD-ROM. The theoretical approach we have adopted the Conceptual Fields Theory Gerard Vergnaud. For this author, the subject appropriates the knowledge, which can be thought of as organized in semantic fields over a long time, through experience, maturity and learning. The design was applied to students of Physics and Electronics, Travel in Internet Systems South of Rio Grande Federal Institute campus Pelotas, Brazil. Modellus the software and PhET (Physics Education Technology) were chosen, both considered free software. At first electrical circuits from these softwares were worked. Following the activities were repeated in a panel specially built for this purpose in order to analyze the performance of students in real circuits. From the data collected during the study it was possible to obtain evidence that there was a significant learning suggesting that, in fact, situations (VERGNAUD, 1990) is to give meaning to the concepts.

Neste trabalho é feita uma simulação energética de um prédio de escritórios em Porto Alegre, utilizando um equipamento de ar condicionado de vazão de refrigerante variável (VRF) presente no exemplo do programa simulador (EnergyPlus). Com a carga térmica média (13.600 W) das cargas térmicas resultantes em cada zona térmica, se obteve um equipamento de ar condicionado comercial (unidade interna) com potência (14.000 W) que suprisse a carga térmica média. Através das tabelas do fabricante e do ajuste de curvas são encontradas as equações de desempenho do equipamento comercial e são traçados as curvas características. A seguir é feita uma nova simulação no prédio de escritórios, utilizando o equipamento comercial e comparando resultados com a simulação do equipamento de ar condicionado do exemplo como referência. São comparados os valores de consumo energético da edificação, cargas térmicas das serpentinas de expansão direta de resfriamento e de aquecimento e horas em que a temperatura da zona fica fora do ajuste do termostato no ano. A simulação demonstra que o equipamento VRF comercial (68.297,38 kWh) consome menos energia que o VRF do modelo do EnergyPlus (71.901,99 kWh). / In this dissertation is made an energy simulation of an office building in Porto Alegre, using a variable refrigerant flow air-conditioning (VRF) in this example model of the simulator program (EnergyPlus). With the average thermal load (13.600 W) of thermal loads resulting in each thermal zone, it got a commercial air conditioning unit (Internal unit) VRF with power (14.000 W) that provided the thermal loads of each zone. Through the tables of the manufacturer and the fitting curves are found performance equations of commercial device and their characteristics curves are plotted. The following is made a new office building simulation, using the commercial device and comparing the simulation results with the air conditioning of the example model as a reference. For the comparison are used the values of energy consumption building, the direct expansion cooling coil heat load, the direct expansion heating coil and the annual hours when the temperature zone was outside of set point the thermostat. The simulation shows that the VRF commercial equipment consumes less energy (68.297,38 kWh) than the VRF equipment of EnergyPlus model (71.901,99 kWh).

Esta tese teve como objetivo principal identificar e avaliar alternativas de projetos sustentáveis de tratamento de esgoto. Para tanto, seguiu-se as seguintes etapas: i) revisão sistemática para levantar a literatura sobre métodos de tratamento de esgoto entre os anos 2002 e 2012; ii) levantamento da legislação federal e do estado do Rio Grande do Sul quanto aos parâmetros a serem atendidos em projetos de esgotamento , e da opinião da equipe técnica (responsável pelo tratamento de esgoto em concessionárias municipais e estaduais) sobre os requisitos legais e as prioridades no planejamento de ações de melhoria no controle; iii) levantamento da percepção ambiental dos moradores do município de São Marcos/RS e das soluções para os problemas de esgotamento sanitário da cidade. Eles propuseram quatro soluções para os problemas; iv) proposta de uma ferramenta computacional para auxiliar na seleção de alternativas sustentáveis (social, ambiental e economicamente) de tratamento de esgoto. Esta ferramenta foi desenvolvida para facilitar a tomada de decisão quanto ao melhor projeto, tendo em vista que são inúmeros os parâmetros (de cunho técnico, de legislação, ambientais, sociais - inclusive as expectativas dos moradores- e econômicos) a serem considerados em um projeto sustentável; v) teste da ferramenta, considerando as quatro alternativas de sistemas propostas pelos moradores de São Marcos/RS. A ferramenta foi considerada útil pelos técnicos da prefeitura apesar de terem proposto a exclusão de vários critérios (sociais e ambientais) já que eles (os técnicos) consideram os fatores econômicos os mais importantes. Não há razão para reduzir os 45 critérios da ferramenta, pois espera-se que ela seja um instrumento não só de tomada de decisão, mas também de conscientização para que os projetos sejam mais sustentáveis. Ela pode e deve ser testada em outros municípios de pequeno, médio e grande porte a título de validação. / This thesis has as main objective the identification and evaluation of sewage treatment projects. It comprises the following: I) systematic literature review from 2002 to 2012, on articles discussing methods of sewage treatment; II) evaluation of the opinion of the technical staff (responsible for wastewater treatment in municipal and state utilities) about the parameters required by federal and state legislation and the priorities for an action and control plan; III) appraisal on the environmental perception of the residents of the municipality of Sao Marcos and their proposals for solving the dewatering problems; IV) proposal of a computational tool, auxiliary on the development of sustainable sewage treatment projects. A tool is necessary for handling the various variables (technical, economic, social and environmental) to be considered in order to achieve sustainability; V) testing of the tool, considering the four alternatives proposed by Sao Marcos residents. Technicians found the tool useful, although many criteria (social and environmental) were not necessary, since economics is the most important criteria. There is no reason to eliminate any of the 45 criteria, since the expectation is to use the tool as a means for introducing sustainability concepts in sewage treatment projects. The tool should be validated in other municipalities (small, medium and large).

A miniaturização dos transistores do tipo MOS traz consigo um aumento na variabilidade de seus parâmetros elétricos, originaria do processo de fabricação e de efeitos com dependência temporal, como ruídos e degradação (envelhecimento ou aging). Este aumento de variabilidade no nível de dispositivo se converte aos níveis de circuito e sistema como uma perda de confiabilidade ou de desempenho. Neste trabalho são apresentados métodos de simulação de efeitos causados por armadilhas de cargas (charge traps), como o NBTI e o RTS. Tomando como base simuladores elétricos comerciais, foi desenvolvida uma ferramenta capaz de simular a atividade das armadilhas durante uma simulação transiente. Para tanto, foi criado um componente em Verilog-A e um software de controle escrito em Perl. Dessa forma é possível analisar o impacto de traps (armadilhas) no comportamento do circuito considerando variações ambientais como tensões de operação, bem como analisar efeitos de ruído como o RTS e de aging como NBTI. Foram então desenvolvidos estudos de caso em um inversor, em um caminho crítico com cinco níveis lógicos e em uma memória SRAM de 32 bits, onde foi feita uma análise da relação do NBTI com o histórico do sinal de estresse no circuito. Em um segundo momento foi desenvolvido um método de análise do impacto de NBTI em circuitos digitais no nível de sistema, através de simulações de SSTA. Para tal estudo foi caracterizada a biblioteca NCSU FreePDK 45nm da Nangate, considerando o tempo como um corner, e então realizando-se uma simulação de SSTA em três caminhos críticos de diferentes complexidades. A fim de estudar a acuidade obtida nas simulações realizadas no nível do sistema, também foram realizadas simulações com o simulador elétrico desenvolvido e comparados os resultados. Observou-se um aumento na acuidade das simulações no nível do sistema quando complexidade do circuito estudado aumenta. Tal comportamento é explicado através do teorema do limite central. / The downscaling of MOS transistors leads to an increase of the variability of its electrical parameters generated both by fabrication process and by time dependent effects, such as noise and ageing. This increase of the variability at the device level turns into the circuit and systems level as a loss in the reliability or performance. This thesis presents the development of simulation methods for effects caused by traps, such as NBTI and RTS. Combining commercial electrical simulators, an enhanced Verilog-A transistor model and a control software developed in Perl, a simulation tool was created. The tool properly accounts for the activity of traps during transient electrical simulations. This way it is possible to evaluate the impact of traps in the behavior of circuits taking into account environmental variations, like supply voltage fluctuations, and evaluate noise effects like RTS and aging effects like NBTI. Case studies were carried out, considering an inverter, a five stages logic path and a SRAM, where the workload dependency on NBTI was evaluated. The impact of NBTI on combinational circuits on a system level is then evaluated through SSTA simulations. In order to perform this analysis, the Nangate NCSU FreePDK 45nm library was characterized and the circuit's age was considered as a time corner. SSTA simulations were performed in three paths of different complexities and then its results were compared with the results obtained with the electrical simulator developed showing an increase of accuracy of the SSTA method as a function of the circuit's complexity. This behavior is explained by the Central Limit Theorem.

A microestrutura típica dos aços inoxidáveis duplex (AID) e superduplex (AISD) proporciona uma excelente combinação de resistência à corrosão e propriedades mecânicas. Como resultado, os AID e AISD possuem aplicações na indústria do óleo e gás, papel e celulose, química, petroquímica e geração de energia. Neste trabalho, foi realizado um estudo com o objetivo de analisar a influência de diferentes frações volumétricas das fases ferrita (d) e austenita (g) nas propriedades mecânicas do aço UNS-S32760. Inicialmente foi realizado um estudo termodinâmico-computacional, a fim de acompanhar a evolução das fases em termos de quantidade e composição química no intervalo de temperaturas compreendido entre 1050°C e 1150°C. Após as simulações termodinâmicas, foi realizada a caracterização mecânica e metalúrgica do aço em estudo. Assim, tendo por base as simulações termodinâmicas e objetivando-se analisar a evolução das fases ferrita e austenita, foram realizados tratamentos isotérmicos em diferentes tempos e temperaturas. Para tanto, fez-se uso (i) do software de simulação termodinâmica FactSage v. 6.4, (ii) técnicas metalográficas e DRX e, (iii) de uma máquina de ensaios universal. Os resultados mostraram que as frações volumétricas das fases ferrita e austenita são função do tempo e temperatura empregados e indicaram, também, forte correlação entre a morfologia e distribuição das fases e as propriedades mecânicas do aço inoxidável superduplex UNS-S32760. / The typical microstructure of duplex (DSS) and superduplex (SDSS) stainless steels provides an excellent combination of corrosion resistance and mechanical properties. As a result, DSS and SDSS have applications in the oil and gas industry, pulp and paper, chemical, petrochemical and power generation. In this work, a study was conducted in order to analyze the influence of different volume fractions of ferrite and austenite phases on the mechanical properties of UNS-S32760 steel. Initially a computational thermodynamic study was conducted in order to follow the phase evolution in terms of amount and chemical composition in the temperature range between 1050°C and 1150°C. After the thermodynamic simulation, the mechanical and metallurgical characterization of the steel under study were carried out. Thus, based on the thermodynamic simulations and aiming to study the development of ferrite and austenite phases, isothermal treatments were performed at several time span and temperature. Consequently, (i) the thermodynamic simulation software FactSage v. 6.4, (ii) metallographic techniques and XRD and, (iii) a universal testing machine were use. The results showed that the volume fraction of ferrite and austenite phases are a function of the time and temperature and also indicated a strong correlation between morphology and phase distribution and the mechanical properties of superduplex stainless steel UNS-S32760.

O presente trabalho trata da modelagem da condução de calor transiente com geração de calor em meios heterogêneos, e tem o objetivo de desenvolver um modelo multiescala adequado a esse fenômeno. Já existem modelos multiescala na literatura relacionados ao problema proposto, e que são válidos para os seguintes casos: (a) o elemento de volume representativo tem tamanho desprezível quando comparado ao comprimento característico macroscópico (e como consequência, a microescala tem inércia térmica desprezível); ou (b) a geração de calor é homogênea na microescala. Por outro lado, o modelo proposto nesta tese, o qual é desenvolvido utilizando uma descrição variacional do problema, pode ser aplicado a elementos de volume representativos finitos e em condições em que a geração de calor é heterogênea na microescala. A discretização temporal (diferenças finitas) e as discretizações espaciais na microescala e na macroescala (método dos elementos finitos) são apresentadas em detalhes, juntamente com os algoritmos necessários para implementar a solução do problema. Nesta tese são apresentados casos numéricos simples, procurando verificar não só o modelo teórico multiescala desenvolvido, mas também a implementação feita. Para tanto, são analisados, por exemplo, (a) casos em que considera-se a microescala um material homogêneo, tornando possível a comparação da solução multiescala com a solução convencional (uma única escala) pelo método dos elementos finitos, e (b) um caso em um material heterogêneo para o qual a solução completa, isto é, modelando diretamente os constituintes no corpo macroscópico, é obtida, tornando possível a comparação com a solução multiescala. A solução na microescala para vários casos analisados nesta tese sofre grande influência da inércia térmica da microescala. Para demonstrar o potencial de aplicação do modelo multiescala, simula-se a cura de um elastômero carregado com negro de fumo. Embora a simulação demonstre que a inércia térmica não precise ser considerada para esse caso em particular, a aplicação da presente metodologia torna possível modelar a cura do elastômero diretamente sobre a microescala, uma abordagem até então não utilizada no contexto de métodos multiescala. Essa metodologia abre a possibilidade para futuros aperfeiçoamentos da modelagem do estado de cura. / This work deals with the modeling of transient heat conduction with heat generation in heterogeneous media, and its objective is to develop a proper multiscale model for this phenomenon. There already exist multiscale models in the literature related to this proposed problem, and which are valid for the following cases: (a) the representative volume element has a negligible size when compared to the characteristic macroscopic size (and, as a consequence, the microscale has a negligible thermal inertia); or (b) the heat generation is homogeneous at the microscale. On the other hand, the model proposed in this thesis, which is developed using a variational description of the problem, can be applied to finite representative volume elements and in conditions in which the heat generation is heterogeneous at the microscale. The time discretization (finite difference) and the space discretizations at both the microscale and the macroscale (finite element method) are presented in details, together with the algorithms needed for implementing the solution of the problem. In this thesis, simple numerical cases are presented, aiming to verify not only the theoretical multiscale model developed, but also its implementation. For this, it is analyzed, for instance, (a) cases in which the microscale is taken as a homogeneous material, making it possible the comparison of the multiscale solution with the conventional solution (one single scale) by the finite element method, and (b) a case in a heterogeneous material for which the full solution, that is, modeling all constituents directly on the macroscale, is obtained, making it possible the comparison with the multiscale solution. The solution at the microscale for several cases analyzed in this thesis suffers a large influence of the microscale thermal inertia. To demonstrate the application potential of the multiscale model, the cure of a carbon black loaded elastomer is simulated. Although the simulation shows that the thermal inertia does not have to be considered for this case in particular, the application of the present methodology makes it possible to model the cure of the elastomer directly at the microscale, an approach not used in multiscale methods context until now. This methodology opens the possibility for future improvements of the state of cure modeling.

Apresenta-se na tese proposta uma contribuição ao método aplicado no projeto de plantas de biogás composto de seis passos. Inicia-se com o levantamento de dados do local de instalação da planta de biogás, o planejamento, dimensionamento da planta de biogás e a escolha de tecnologias. Por fim segue a modelagem mecânica computacional em CAD e por último a simulação dos tanques biorreatores com programas computacionais. A metodologia desenvolvida foi testada no projeto de uma planta de biogás para biodigestão de silagem de milho (35000 m3 ao ano) no município de São Francisco de Paula-RS. O biorreator foi dimensionado com volume de 2100 m3 e um volume de biogás gerado foi estimado em 18219 m3 por dia. As simulações mecânicas computacionais foram executadas para a escolha da espessura das chapas a serem utilizadas nos tanques biorreatores. Foram dimensionados os biorreatores da planta e simulados em três materiais metálicos distintos, o aço duplex AISI 318, o aço austenítico AISI 316L e o aço carbono laminado ASTM A36. A melhor chapa verificada para o caso foi a do aço AISI 318 utilizando-se chapas de 1,5 a 3,0 mm de espessura. A diminuição da espessura reduz em 29% em massa o material empregado na fabricação dos tanques biorreatores em comparação com o uso de espessuras de chapas 3 mm em todo o tanque. Já para o aço AISI 316 L e ASTM A-36 diminui-se em 34% em massa do material a ser empregado na fabricação dos tanques biorreatores caso sejam utilizadas diferentes espessuras. / This thesis presents a contribution to the method for the biogas plant project and consists of six steps. Start with the location of data collection biogas plant installation, planning, biogas plant design and the choice of technologies. Finally follows the computational mechanical modeling in CAD and simulation of bioreactor tanks with computer programs. The methodology was tested in a design of a biogas plant for digestion of corn silage (35,000 m3 per year) in São Francisco de Paula-RS. The bioreactor was sized with a volume of 2100 m3 for a volume of 18,219 m3 of biogas per day. The mechanical computer simulations were performed to select the thickness of the sheets to be used in the bioreactor tank. The bioreactor plant and were scaled simulated in three different metallic materials, the duplex steel AISI 318, AISI 316L austenitic steel and rolled carbon steel ASTM A36. The plate most suitable for the manufacturing was the AISI 318 steel with thickness of 1.5 to 3.0 mm. With the simulation we obtained a decrease of plate thickness. This generated a mass reduction of 29% of the material used in manufacturing the tank bioreactors compared to using a 3 mm plate thickness throughout the tank. For steel AISI 316L and ASTM A-36 we subtract 34% by weight of the material to be used in manufacturing the tank bioreactors where different thicknesses are used as computer simulation.