[pt] O presente estudo tem como objetivo investigar o processo de cimentação de poços de petróleo, na presença de zonas de perda de filtrado. Um aparato experimental foi projetado, construido e operado com o objetivo de simular a cimentação de um poço de petróleo. Com diâmetros característicos dos poços reais, esse simulador permite que o processo de cura da coluna de cimento seja monitorado com condições controladas. O aparato consiste em uma coluna anular concêntrica com 8m de comprimento. A zona de perda de filtrado é modelada por uma parede semi-permeável, e todo poço é equipado com sensores de pressão e temperatura. Isso possibilita a investigação dos mecanismos de cura da pasta de cimento, bem como o impacto da perda de filtrado na evolução do perfil de pressão. Para tentar prever esse comportamento, um modelo numérico 2D de Elementos Finitos foi proposto e implementado em Python, utilizando bibliotecas pré-compiladas de código aberto denominadas FEniCs. As equações de conservação de massa e momento são resolvidas para obter os campos de velocidade e pressão. A mistura da pasta de cimento é considerada um fluido incompressível e composta de duas espécies químicas: a fase aquósa(ou filtrado) e o cimento dissolvido. O transporte de massa é modelado usando a equação de advecção-difusão, e a pasta é modelada como um fluido viscoplástico que sofre redução volumétrica com a cura. Finalmente, os resultados das simulações foram confrontados com os dados experimentais obtidos, e uma boa concordância foi observada. Uma investigação adicional foi realizada no modelo numérico, através de uma análise de sensibilidade individual dos parâmetros de entrada e seu respectivo impacto na queda de pressão. Para o regime de taxas de cisalhamento avaliados, os resultados indicaram uma forte dependência entre a evolução do perfil de pressão e o tempo de cura, a magnitude da vazão de filtrado e o patamar newtoniano da viscosidade. / [en] This thesis aims to investigate the cementing process of an oil well in presence of a filtrate loss zone. An experimental setup was designed, built and operated to simulate an annular well field-like geometry where cement would cure under controlled conditions. This well simulator consisted of an 8m concentric annular column with a section of semi-permeable external wall, equipped with pressure and temperature sensors. It allows the investigation of the cementing cure mechanisms, as well as the impact of the fluid loss zone in the pressure drop behavior. In order to predict this behavior on real oil wells, a 2D transient numerical model is proposed. A finite element model was implemented in Python with the aid of an open source library named FEniCs. Mass and momentum conservation equations are solved to obtain the pressure and velocity fields, and the cement mixture is considered an incompressible single-phase mixture composed of two chemical species: the filtrate and the dissolved cement. Mass transport is modeled with an advection-diffusion equation and dissolved cement species is modeled as a viscoplastic fluid with shrinkage. Finally, the simulation results were confronted with the experimental data, and a good agreement was observed. Further investigation of numerical model parameters was performed, and a sensitivity analysis evaluated individual influence of those parameters in the pressure drop. The results indicate that pressure profile evolution has a strong dependency on thickening time, fluid loss flow rate magnitude and the Newtonian viscosity plateau for the evaluated shear rate regimen.

[pt] A avaliação e a caracterização da cor constituem fatores críticos do processo de controle de qualidade de produtos, que também devem atender exigências dos clientes e consumidores finais. A cor de um objeto depende fortemente das características da iluminação. Nesse contexto, a presente pesquisa analisou e comparou os diferentes métodos especificados em normas internacionais, que qualificam o desempenho dos simuladores de luz do dia utilizados em avaliações visuais (cabines de luz) e instrumentais (espectrofotômetros). Para alcançar tais objetivos, foram verificadas as condições de medição estabelecidas pela CIE (intervalo de medição e largura de banda espectral) e elaborados e validados procedimentos de medição de diferentes fontes luminosas. Com base nestes procedimentos, foram realizadas medições de simuladores de luz do dia para adquirir as suas distribuições espectrais de potência, as quais foram utilizadas para avaliá-los e para comparar os métodos especificados em normas. Como principais resultados da pesquisa destacam-se: (i) a constatação de que, de fato, as recomendações da CIE para medição de fontes luminosas devem ser incorporadas ao processo de medição; (ii) o aumento da confiabilidade metrológica através da validação dos procedimentos espectroradiométricos com base em análises de repetitividade das medições; e (iii) a comparação realizada entre os diferentes métodos de avaliação de simuladores de luz do dia, o que permitiu documentar para os casos estudados a presença ou a falta de correlação entre os mesmos. O trabalho contribuiu também ao introduzir uma sistemática normalizada de rotinas para se expressar a incerteza associada à medição espectroradiométrica. / [en] The evaluation and the characterization of the colour constitute critical factors of the process of quality control of products, that also must take care of requirements imposed by customers and final consumers. The colour of an object depends greatly on the characteristics of the illumination. In this context, this research is aimed at discussing the different international standards that characterize the performance of the daylight simulators used in instrumental (spectrophotometers) and visual (light booths) evaluations and also at analysing the differences between the various methods specified in these standards. To reach these objectives the measurement conditions established by the CIE (interval and spectral band-width) were verified and elaborated and validated procedures for the measurement of different luminous sources. Based on these procedures, measurements of daylight simulators were carried out to acquire their spectral power distributions. The measurement results were then used to analyze the evaluations methods specified in standards. The following main results have been accomplished: (i) the CIE recommendations for the measurement of luminous sources must, in fact, be incorporated into the measurement process; (ii) the increase in the metrological reliability through the validation of the spectroradiometric procedures based on the analyses of the repeatability of the measurements; and (iii) the comparison established among the different evaluation methods of daylight simulators, leading to the distinction between the presence or the lack of correlation present in the different methods investigated. The work also contributed by the introduction of standard routines to express the uncertainty associated with spectroradiometric measurements.

A modelagem computacional tem se tornado uma poderosa ferramenta utilizada mundialmente em pesquisas sobre sistemas de comunicação móvel. Em tais sistemas, a modelagem do canal é fator indispensável, pois as características de mobilidade e propagação presentes nesse tipo de sistema são responsáveis por distorções ocorridas sobre o sinal transmitido. O presente trabalho reúne os principais modelos matemáticos e computacionais de canal de comunicação móvel. Realiza-se uma abordagem histórica sobre o assunto, apresentado a natureza do problema do desvanecimento e a forma como foi modelado inicialmente. Por outro lado, apresentam-se modelos recentes, considerados eficazes do ponto de vista matemático e eficientes do ponto de vista computacional. O trabalho traz como contribuição a proposta de um novo modelo de canal com desvanecimento. Os modelos apresentados foram analisados do ponto de vista matemático por meio de suas propriedades estatísticas. Do ponto de vista numérico e computacional a análise se deu por meio de simulações. A principal conclusão obtida mostra que dois modelos com filtragem no domínio da freqüência, sendo um deles o novo modelo proposto, são os mais indicados para simular formas de onda que representem um canal com desvanecimento Rayleigh. Este trabalho tem a pretensão de ser útil para pesquisadores atuantes na área de modelagem e simulação de sistemas atuais de comunicação móvel. / Computational modelling is a powerful and widely used tool for research in mobile communication systems. In such systems, the communication channel modelling is an indispensable factor, because its mobility and propagation characteristics can cause distortion over the transmitted waveform. This work contains the main mathematical and computing communication channel models. A historical cover is provided, which presents the nature of the problem and the initial modelling of the fading phenomenon. On the other hand, recent models are presented, which are mathematically effective and computationally efficient. One contribution of this work is the proposal of a new fading channel computational model, which was suitably tested and validated. The presented models were mathematically analyzed through its statistical properties. From numerical and computational point of view, the models were analyzed through several simulations. The main conclusion, from analytical and simulated results, shows that two models using frequency filtering are the best choice for the generation of multiple uncorrelated Rayleigh fading waveforms, where one of them is the new proposed model. This work can help mobile communications researchers to suitably model the communication channel in a computer simulation.

A modelagem computacional tem se tornado uma poderosa ferramenta utilizada mundialmente em pesquisas sobre sistemas de comunicação móvel. Em tais sistemas, a modelagem do canal é fator indispensável, pois as características de mobilidade e propagação presentes nesse tipo de sistema são responsáveis por distorções ocorridas sobre o sinal transmitido. O presente trabalho reúne os principais modelos matemáticos e computacionais de canal de comunicação móvel. Realiza-se uma abordagem histórica sobre o assunto, apresentado a natureza do problema do desvanecimento e a forma como foi modelado inicialmente. Por outro lado, apresentam-se modelos recentes, considerados eficazes do ponto de vista matemático e eficientes do ponto de vista computacional. O trabalho traz como contribuição a proposta de um novo modelo de canal com desvanecimento. Os modelos apresentados foram analisados do ponto de vista matemático por meio de suas propriedades estatísticas. Do ponto de vista numérico e computacional a análise se deu por meio de simulações. A principal conclusão obtida mostra que dois modelos com filtragem no domínio da freqüência, sendo um deles o novo modelo proposto, são os mais indicados para simular formas de onda que representem um canal com desvanecimento Rayleigh. Este trabalho tem a pretensão de ser útil para pesquisadores atuantes na área de modelagem e simulação de sistemas atuais de comunicação móvel. / Computational modelling is a powerful and widely used tool for research in mobile communication systems. In such systems, the communication channel modelling is an indispensable factor, because its mobility and propagation characteristics can cause distortion over the transmitted waveform. This work contains the main mathematical and computing communication channel models. A historical cover is provided, which presents the nature of the problem and the initial modelling of the fading phenomenon. On the other hand, recent models are presented, which are mathematically effective and computationally efficient. One contribution of this work is the proposal of a new fading channel computational model, which was suitably tested and validated. The presented models were mathematically analyzed through its statistical properties. From numerical and computational point of view, the models were analyzed through several simulations. The main conclusion, from analytical and simulated results, shows that two models using frequency filtering are the best choice for the generation of multiple uncorrelated Rayleigh fading waveforms, where one of them is the new proposed model. This work can help mobile communications researchers to suitably model the communication channel in a computer simulation.

Cardiac procedures are the most common within the interventional radiology (IR) and they can provide high medical and occupational exposures, since, in most cases these procedures are time consuming and complexes. Although the use of X-rays is justified in this case, it is important to make an assessment of radiation doses and associated risk to patients and medical staff. The aim of this study was to build a computational model of exposure composed of an adult patient, a cardiologist and a nurse, in a typical cardiac scenario in IR and, then, estimate absorbed doses in organs and tissues, and through this dosimetric quantity, determine equivalent doses, the effective dose and cancer risk associated with exposure. The estimated dosimetric quantities were normalized by the kerma-area product (KAP). In this study, the results are presented in conversion coefficient (CC) for radiation dose and cancer risk. The radiographic parameters used in the Monte Carlo simulations were: peak voltages between 60 and 120 kVp, inherent filtration of 3.5 mm Al and a field area 10 cm x 10 cm. Eight beam projections were used: antero-posterior (AP), postero-anterior (PA), right anterior oblique (RAO90o), left anterior oblique (LAO90o), cranial (CRAN30o), caudal (CAUD30o), left anterior oblique and right anterior oblique (LAO45o and RAO45o). The radiation transport code used was MCNPX 2.7.0, in which was incorporated three anthropomorphic phantoms were incorporated with a source of X-rays emitting photons isotropically in the patient´s chest region and all common objects inside the room in IR. The anthropomorphic phantoms used to represent the cardiologist and the patient were the MASH and the nurse was simulated by the FASH phantom. Energy spectra were generated using the SRS 78 program. Two irradiation scenarios named I and II were created. In I, the operating table had no lead curtain and suspended shields of lead glass and, in II, these protection devices were considered. The average effective dose of CCs for the eight projections used in cardiac procedures angiography and coronary angioplasty was: patient 2,5E-01 mSv/Gy.cm2; cardiologist 2,0E-01(I) and 4,7E-02 ÊSv/Gy.cm2 (II) and nurse 2,4E-02 (I) and 1,8E-02 ÊSv/Gy.cm2 (II).The effective risk of cancer in 10-4/Gy.cm 2 was: 1.2 for the patient, 2,6 E-03 (I) and 4.9 E-04 (II) for the cardiologist and 5.2 E-04 (I) and 4.0 E-04 (II) for the nurse. The results presented in this study are consistent with the experimental values obtained in the literature. Thus, we believe that results improve or extend the existing data and will be a useful reference tool for professionals of radiation protection, the scientific community and especially for the physicians themselves who are exposed routinely. / Os procedimentos cardiacos sao os mais frequentes dentro da radiologia intervencionista (RI) e podem proporcionar elevadas exposicoes medicas e ocupacionais, uma vez que, na maioria dos casos, os procedimentos sao demorados e complexos. Embora o uso de raios X nestes casos seja justificado, e importante fazer uma avaliacao das doses dessa radiacao e dos riscos associados tanto em pacientes quanto nos profissionais envolvidos. O objetivo deste estudo foi criar um modelo computacional de exposicao composto por um paciente adulto, um medico cardiologista e uma enfermeira, em um cenario tipico cardiaco em RI e, posteriormente, estimar as doses absorvidas nos orgaos e tecidos e, por meio desta grandeza, determinar as doses equivalentes, a dose efetiva e os riscos de cancer associados a exposicao. As grandezas estimadas foram normalizadas pelo produto kerma-area (PKA). Os resultados obtidos estao apresentados no formato de coeficiente de conversao (CCs) de dose de radiacao e de risco de cancer. Os parametros radiograficos utilizados nas simulacoes Monte Carlo foram: tensoes de pico entre 60 - 120 kVp, filtracao inerente de 3,5 mm Al, area do campo 10 cm x 10 cm. Foram utilizadas oito projecoes de feixe: antero-posterior (AP), postero-anterior (PA), obliquo anterior direito (RAO90o), obliquo anterior esquerdo (LAO90o), cranial (CRAN30o), caudal (CAUD30o), obliquo anterior esquerdo e obliquo anterior direito (LAO45o e RAO45o). O codigo de transporte de radiacao utilizado foi o MCNPX-2.7.0, no qual foram incorporados os tres simuladores antropomorficos, uma fonte de raios X emitindo fotons isotropicamente na regiao do torax do paciente e todos os objetos comuns no interior da sala de RI. O simulador antropomorfico utilizado para representar o cardiologista e o paciente foi o MASH e para simular a enfermeira foi utilizado a FASH. Os espectros de energia foram gerados utilizando o programa SRS 78. Foram criados dois cenarios de irradiacao denominados de I e II. Em I, a mesa cirurgica nao possuia cortina de chumbo e nem tinha protetores suspensos de vidro plumbifero e, em II, estes dispositivos de protecao foram considerados. As medias dos CCs de dose efetiva para as oito projecoes usadas em procedimentos cardiacos de angiografia e angioplastia coronaria foi: paciente 2,5E-01 mSv/Gy.cm2; cardiologista 2,0-E01(I) e 4,7E-02 ÊSv/Gy.cm2 (II) e enfermeira 2,4E-02 (I) e 1,8E-02 ÊSv/Gy.cm2 (II). O risco efetivo de cancer em 10-4/Gy.cm2 foi de 1,2 para o paciente, 2,6E-03 (I) e 4,9E-04 (II) para o cardiologista e 5,2E-04 (I) e 4,0E-04 (II) para a enfermeira. Os resultados apresentados neste estudo sao consistentes com os valores experimentais descritos na literatura. Tais resultados ampliam o conhecimento ja existente sobre doses em radiologia intervencionista e propiciam uma ferramenta util de consulta para os profissionais de radioprotecao, para a comunidade cientifica e, sobretudo, para os proprios medicos que se expoem rotineiramente.

[pt] Companhias de petróleo investindo no desenvolvimento de campos de hidrocarboneto dependem de estudos de reservatórios para realizarem previsões de produção e quantificarem os riscos associados à economicidade dos projetos. Neste sentido, a área de modelagem de reservatórios é de suma importância, sendo responsável por prever o desempenho futuro do reservatório sob diversas condições operacionais. Considerando que a solução dos sistemas de equações construídos a cada passo de tempo de uma simulação, durante o ciclo de linearização, é a parte que apresenta a maior demanda computacional, esta dissertação foca na análise de diferentes técnicas de solvers numéricos que podem ser aplicadas a simuladores, para mensurar seus desempenhos. Os solvers numéricos mais adequados para a solução de grandes sistemas de equações, tais como os encontrados em simulações de reservatórios, são os denominados solvers iterativos, que gradativamente aproximam a solução de um dado problema por meio da combinação de um método iterativo e um precondicionador. Os métodos iterativos avaliados nesta pesquisa foram o Gradiente Biconjugado Estabilizado (BiCGSTAB), Mínimos Resíduos Generalizado (GMRES) e Minimização Ortogonal (ORTHOMIN). Além disso, três técnicas de precondicionamento foram implementadas para auxiliar os métodos iterativos, sendo estas a Decomposição LU Incompleta (ILU), Fatoração Aninhada (NF) e Pressão Residual Restrita (CPR). A combinação destes diferentes métodos iterativos e precondicionadores permite a avaliação de diversas configurações distintas de solvers, em termos de seus desempenhos em um simulador. Os testes numéricos conduzidos neste trabalho utilizaram um novo simulador de reservatórios que está sendo desenvolvido pela Pontifícia Universidade Católica (PUC-Rio) em conjunto com a Petrobras. O objetivo dos testes foi analisar a robustez e eficiência de cada um dos solvers quanto à sua capacidade de resolver as equações de escoamento multifásico no meio poroso, visando assim auxiliar na seleção do solver mais adequado para o simulador. / [en] Petroleum companies investing in the development of hydrocarbon fields rely upon a variety of reservoir studies to perform production forecasts and quantify the risks associated with the economics of their projects. Integral to these studies is the discipline of reservoir modeling, responsible for predicting future reservoir performance under various operational conditions. Considering that the most time-demanding aspect of reservoir simulations is the solution of the systems of equations that arise within the linearization cycles at each time-step, this research focuses on analyzing different numerical solver techniques to be applied to a simulator, in order to assess their performance. The numerical solvers most suited for the solution of very large systems of equations, such as those encountered in reservoir simulations, are the so-called iterative solvers, which gradually approach the solution to a problem by combining an iterative strategy with a preconditioning method. The iterative methods examined in this research were the Stabilized Biconjugate Gradient (BiCGSTAB), the Generalized Minimum Residual (GMRES), and the Orthogonal Minimization (ORTHOMIN) methods. Furthermore, three preconditioning techniques were implemented to aid the iterative methods, namely the Incomplete LU Factorization (ILU), the Nested Factorization (NF), and the Constrained Pressure Residual (CPR) methods. The combination of these different iterative methods and preconditioners enables the appraisal of several distinct solver configurations, in terms of their performance in a simulator. The numerical tests conducted in this work made use of a new reservoir simulator currently under development at Pontifical Catholic University of Rio de Janeiro (PUC-Rio), as part of a joint project with Petrobras. The objective of these tests was to assess the robustness and efficiency of each solver in the solution of the multiphase flow equations in porous media, and support the selection of the solver most suited for the simulator.

Submitted by Caroline Periotto (carol@ufscar.br) on 2016-09-21T20:12:40Z No. of bitstreams: 1 TeseFFF.pdf: 5653411 bytes, checksum: 875bb8d2ed23313c792c9c246e285a85 (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-09-23T18:31:05Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseFFF.pdf: 5653411 bytes, checksum: 875bb8d2ed23313c792c9c246e285a85 (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-09-23T18:31:11Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseFFF.pdf: 5653411 bytes, checksum: 875bb8d2ed23313c792c9c246e285a85 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-09-23T18:31:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TeseFFF.pdf: 5653411 bytes, checksum: 875bb8d2ed23313c792c9c246e285a85 (MD5) Previous issue date: 2016-03-18 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Lignocellulosic ethanol, also called second generation ethanol, is a promising alternative for decreasing fossil fuel dependency globally. Nevertheless, its production process still needs further improvements in order to achieve industrial feasibility. Despite the massive experimental effort in this area, threshold values to be pursued in order to attain an economically feasible process are still missing. In this context, this study focused on constructing a methodology for economic evaluation of early-stage developing processes, such as second generation ethanol, aiming to show the R&D area directions to be followed for a successful industrial implementation of the process. The systematic procedure integrates bioprocess systems engineering (PSE) and economic engineering tools to perform a “retro” tecno-economic analysis. This analysis is able to identify the main process variables that influence the economic feasibility of the process and their target values. Initially, the methodology was tested on a case study involving the production of succinic acid from sucrose by fermentation. The methodology was able to eliminate one of the variables initially considered (sucrose conversion), due to its low influence on the process feasibility. Additionally, target values were obtained for the succinic acid concentration in the fermenter as a function of the selectivity and the specific productivity (the process variables chosen). Finally, the integrated production of ethanol from sugarcane juice and bagasse (first and second generation ethanol, respectively) was assessed. The three variables with the highest effect on the economic feasibility of the process were: the biocatalyst yield, the sucrose conversion and the solid mass fraction, both in the hydrolysis reactor. The reactor productivity, on the other hand, had little impact on the process feasibility. Besides, the experimental results already achieved the values needed for this variable. In general, the methodology was able to yield important information about both case studies required improvements for achieving economic feasibility. Although used in biochemical processes, the methodology is general, applying to all types of chemical processes. / A produção de etanol lignocelulósico, o chamado etanol de segunda geração, é uma alternativa promissora para diminuir a dependência energética global dos combustíveis fósseis. Entretanto, um desenvolvimento maior de seu processo de produção ainda é necessário para sua efetiva implementação industrial. Apesar do grande esforço experimental na área, ainda não existem informações claras sobre os valores limites a serem alcançados nas diversas etapas de processo para que esse se torne economicamente viável. Nesse contexto, o objetivo deste trabalho foi construir uma metodologia para avaliação econômica de processos em estágio inicial de desenvolvimento, como é o caso do etanol de segunda geração, indicando à área de P&D direções a serem seguidas para sua viável implementação industrial. Tal procedimento sistemático integra ferramentas de engenharia de bioprocessos e sistemas e engenharia econômica para realizar uma análise tecno-econômica “reversa”, que permite obter as variáveis que mais influenciam a viabilidade do processo, bem como seus valores limites para que tal viabilidade seja alcançada. Inicialmente, a metodologia proposta foi testada em um estudo de caso envolvendo o processo de produção de ácido succínico a partir da sacarose por rota fermentativa. Nesse processo, a metodologia conseguiu eliminar uma das variáveis inicialmente consideradas (a conversão da sacarose), devido a sua baixa influência. Além disso, foram obtidos valores mínimos para a concentração de ácido succínico no fermentador em função da seletividade e da produtividade específica (as variáveis de processo escolhidas). Em seguida, considerou-se a produção integrada de etanol a partir do caldo e do bagaço de cana-de-açúcar, etanol de primeira e segunda geração, respectivamente. As três variáveis com maior impacto na viabilidade econômica do processo foram: o rendimento do biocatalisador, a conversão da celulose no reator de hidrólise e a fração de sólidos nesse reator. A produtividade do reator, por outro lado apresentou baixo impacto na viabilidade, além de os resultados experimentais já estarem no patamar necessário para essa variável. De modo geral, a metodologia foi aplicada com sucesso aos estudos de caso escolhidos, produzindo dados importantes quanto às melhorias necessárias para que os processos alcancem a viabilidade econômica. Apesar de ter sido aplicada a bioprocessos, a metodologia é geral, sendo adequada ao estudo econômico de qualquer processo químico.