<p> Bohmian mechanics is an alternative formulation of quantum mechanics that incorporates the familiar and intuitive picture of particles moving along trajectories and yet predicts the same results as the more widely accepted Copenhagen interpretation.</p> <p> In recent years there has been renewed interest in this Bohmian view, in part for the novel approach that it suggests to certain problems, such as decay processes, both from a theoretical and computational stand point. In this thesis we focus on using the concepts introduced by the Bohmian framework as a practical computational tool.</p> <p> I evaluate a number of implementations of the Bohmian method, get a sense of their strengths and weaknesses and attempt to overcome some stability issues that arise. For problems in one-dimension (lD), accurate solutions of the time-dependent Schrodinger equation produce a wave function from which Bohmian trajectories can be computed by integrating along flux lines. For direct integration of the quantum Hamilton-Jacobi equations, the main problems that arise are related to evauating the quantum potential (QP), especially in regions of low probability density. Sufficient accuracy is required to avoid unphysical trajectory crossings. A number of interpolation schemes were investigated, and smoothed splines with special treatment of edge effects gave the best results.</p> <p> For problems in 2D the alternating direction implicit (ADI) method was employed to produce the wave function. Ways of dealing with unphysical reflections from the boundaries of a finite size domain were studied.</p> <p> The use of cellular automata, especially the lattice-Boltzmann method (LBM) were also considered. Here Bohm trajectories would be propagated by following a small set of rules. The main problem identified is that, unless a scheme can be found in which the quantum potential is self-generating from an equation of continuity, the overhead of computing the QP at each time step, is prohibitive.</p> / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)

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).

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).

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).

Apesar da complexidade envolvendo a compreensão dos processos hidrossedimentológicos, o conhecimento da quantidade de sedimentos transportados pelos rios é importante para o planejamento e aproveitamento dos recursos hídricos e não deve ser ignorado. Além disso, a quantidade de dados obtidos em monitoramentos é significativa, e o entendimento dessas variáveis requer obrigatoriamente análises estatísticas. Com base na dificuldade em relacionar hidrossedimentologia com estatística, buscou-se com esse trabalho desenvolver uma ferramenta computacional gratuita e de código aberto em Visual Basic for Applications (VBA) integrando métodos de cálculos hidrossedimentológicos e estatísticos. Ela permite que o usuário calcule descarga sólida em suspensão, descarga sólida total, e realize testes estatísticos como, teste Kolmogorov-Smirnov de normalidade dos dados, testes paramétricos F de Fisher-Snedecor e T de Student, além do teste não-paramétrico Wilcoxon. A ferramenta computacional (NH Sediment and Statistic) foi aplicada em dados obtidos em medições de características hidráulicas, da concentração de sedimentos em suspensão, turbidez e temperatura do reservatório da Pequena Central Hidrelétrica de Mogi-Guaçu (SP). Desse modo, a ferramenta utilizada para o suporte às análises hidrossedimentológicas alcançou resultados equivalentes a outros softwares para cada um dos módulos desenvolvidos, se mostrando confiável e de fácil aplicação. Destaca-se, por fim, que a ferramenta pode ser aplicada em outras áreas de estudo permitindo planejamento e gerenciamento completo de recursos hídricos, assim como outras áreas do conhecimento. / Despite the complexity that involves the understanding of hydrosedimentological processes, the knowledge of the amount of sediment transported by rivers is fundamental for the planning and utilization of water resources. The amount of data obtained from the monitoring is significant, and the understanding of such variables requires statistical analyses. This paper addresses the development of a free and open-source computational tool in Visual Basic for Applications (VBA) that integrates methods of hydrosedimentological and statistical calculations and relates hydrosedimentology to statistics. Users can calculate solid suspended discharge and total solid discharge and perform important statistical tests, such as Kolmogorov- Smirnov normality test, Fisher-Snedecor and Student T parametric tests, and Wilcoxon non- parametric test. The computational tool (NH Sediment and Statistic) was applied to data obtained from measurements of hydraulic characteristics, suspended sediment concentration, turbidity and reservoir temperature of the Mogi-Guaçu Small Hydroelectric Power Plant. It supports hydrosedimentological analyses and yielded results equivalent to those of other software for each module developed. It also proved reliable and of easy application and provides a friendly interface. It can be applied to other areas of study for a complete planning and management of water resources, as well as other areas of knowledge.

Esta tese apresentada uma proposta de desenvolvimento de uma ferramenta computacional para metrologia com microtomografia computadorizada que possa ser implantada em sistemas de microtomógrafos convencionais. O estudo concentra-se nas diferentes técnicas de detecção de borda utilizadas em processamento de imagens digitais.Para compreender a viabilidade do desenvolvimento da ferramenta optou-se por utilizar o Matlab 2010a. A ferramenta computacional proposta é capaz de medir objetos circulares e retangulares. As medidas podem ser horizontais ou circulares, podendo ser realizada várias medidas de uma mesma imagem, uma medida de várias imagens ou várias medidas de várias imagens. As técnicas processamento de imagens digitais implementadas são a limiarização global com escolha do threshold manualmente baseado no histograma da imagem ou automaticamente pelo método de Otsu, os filtros de passa-alta no domínio do espaço Sobel, Prewitt, Roberts, LoG e Canny e medida entre os picos mais externos da 1 e 2 derivada da imagem. Os resultados foram validados através de comparação com os resultados de teste realizados pelo Laboratório de Ensaios Mecânicos e Metrologia (LEMec) do Intstituto Politécnico do Rio de Janeiro (IPRJ), Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ), Nova Friburdo- RJ e pelo Serviço Nacional da Indústria Nova Friburgo (SENAI/NF). Os resultados obtidos pela ferramenta computacional foram equivalentes aos obtidos com os instrumentos de medição utilizados, demonstrando à viabilidade de utilização da ferramenta computacional a metrologia. / This thesis presents a proposal to develop a computational tool for metrology using computed microtomography (microCT) systems that can be implemented in conventional microCT systems.This study focuses on the different techniques used for edge detection in image processing.To test the feasibility of developing the tool we chose to use the Matlab 2010a. The proposed computational tool is capable of measuring circular and rectangular objects.The measures can be horizontal or circular and can be performed several measurements of the same image, a measure of multiple images or more measures of multiple images.The techniques implemented of processing digital images are global thresholding with choice of threshold manually based on the image histogram or automatically by the Otsu method, the high-pass filter in the space domain Sobel, Prewitt, Roberts, LoG and Canny and the distance between the outermost "peaks" of the 1st and 2nd derivative image.The results were validated by comparison with test results performed by the Mechanical Testing Laboratory and Metrology (LEMec) Polytechnic Intstituto of Rio de Janeiro (IPRJ), State University of Rio de Janeiro (UERJ), Nova Friburdo- RJ and the National Industry Service - Nova Friburgo (SENAI / NF).The results obtained by computational tool were equivalent to those obtained with the measuring instruments used, demonstrating the feasibility of using of computational tool for metrology.

Squeeze Film Dampers (SFD) provide viscous damping in rotor bearing systems to reduce lateral vibration amplitudes and to isolate mechanical components. Aircraft engine shafts, often supported on roller bearings, operate at high rotational speeds and are susceptible to large amplitude shaft whirl due to rotor imbalance. SFDs aid to reduce such large whirl amplitudes while also eliminating rotor instabilities. he current work quantifies experimentally the forced performance of two parallel squeeze SFDs separated by a central groove. Force coefficients are identified in a specialized SFD test rig constructed to undergo similar operating and loading conditions as in jet engines. Of interest is to quantify the effect of a central feed groove on the forced performance of SFDs and to validate predictions from a computational tool. The test rig comprises of an elastically supported bearing structure and one of two journals. Tests are conducted on two open ends SFDs, both with diameter D and nominal radial clearance c; each damper with two parallel film land lengths L= 1/5 D and 2L, separated by a feed groove of width L and depth 3/4 L. ISO VG 2 grade lubricant oil flows into the central groove via 3 orifices, 120 degrees apart, and then through the film lands to finally exit to ambient. In operation, a static loader pulls the bearing to various static off center positions with respect to the stationary journal, and electromagnetic shakers (2,200 N) excite the test system with single frequency loads over a frequency range to generate rectilinear, circular and elliptical orbits with specified motion amplitudes. A frequency domain method identifies the SFD mechanical parameters, viz., stiffness, damping, and added mass coefficients. The long damper generates 7 times more direct damping and 2 times more added mass compared to the short length damper. The damping coefficients are sensitive to the static eccentricity (up to 50 percent c) while showing lesser dependency on the amplitude of whirl motion (up to 20 percent c). On the other hand, added mass coefficients are nearly constant with static eccentricity and decrease with higher amplitudes of motion. The magnitudes of identified cross-coupled coefficients are insignificant for all imposed operating conditions for either damper. Large dynamic pressures recorded in the central groove demonstrate the groove does not isolate the film lands by merely acting as a source of lubricant, but contributes to the generation of large added mass coefficients. The recorded dynamic pressures in the film lands and central groove do not evidence lubricant vapor or gas cavitation for the tested static eccentricities and amplitudes of motion. The direct damping coefficients for both dampers are independent of excitation frequency over the frequency range of the tests. Predictions derived from a novel SFD computational tool that includes flow interactions in the central groove and oil supply orifices agree well with the experimental force coefficients for both dampers. The current work advances the state of the art in SFDs for jet engines.

Esta tese apresentada uma proposta de desenvolvimento de uma ferramenta computacional para metrologia com microtomografia computadorizada que possa ser implantada em sistemas de microtomógrafos convencionais. O estudo concentra-se nas diferentes técnicas de detecção de borda utilizadas em processamento de imagens digitais.Para compreender a viabilidade do desenvolvimento da ferramenta optou-se por utilizar o Matlab 2010a. A ferramenta computacional proposta é capaz de medir objetos circulares e retangulares. As medidas podem ser horizontais ou circulares, podendo ser realizada várias medidas de uma mesma imagem, uma medida de várias imagens ou várias medidas de várias imagens. As técnicas processamento de imagens digitais implementadas são a limiarização global com escolha do threshold manualmente baseado no histograma da imagem ou automaticamente pelo método de Otsu, os filtros de passa-alta no domínio do espaço Sobel, Prewitt, Roberts, LoG e Canny e medida entre os picos mais externos da 1 e 2 derivada da imagem. Os resultados foram validados através de comparação com os resultados de teste realizados pelo Laboratório de Ensaios Mecânicos e Metrologia (LEMec) do Intstituto Politécnico do Rio de Janeiro (IPRJ), Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ), Nova Friburdo- RJ e pelo Serviço Nacional da Indústria Nova Friburgo (SENAI/NF). Os resultados obtidos pela ferramenta computacional foram equivalentes aos obtidos com os instrumentos de medição utilizados, demonstrando à viabilidade de utilização da ferramenta computacional a metrologia. / This thesis presents a proposal to develop a computational tool for metrology using computed microtomography (microCT) systems that can be implemented in conventional microCT systems.This study focuses on the different techniques used for edge detection in image processing.To test the feasibility of developing the tool we chose to use the Matlab 2010a. The proposed computational tool is capable of measuring circular and rectangular objects.The measures can be horizontal or circular and can be performed several measurements of the same image, a measure of multiple images or more measures of multiple images.The techniques implemented of processing digital images are global thresholding with choice of threshold manually based on the image histogram or automatically by the Otsu method, the high-pass filter in the space domain Sobel, Prewitt, Roberts, LoG and Canny and the distance between the outermost "peaks" of the 1st and 2nd derivative image.The results were validated by comparison with test results performed by the Mechanical Testing Laboratory and Metrology (LEMec) Polytechnic Intstituto of Rio de Janeiro (IPRJ), State University of Rio de Janeiro (UERJ), Nova Friburdo- RJ and the National Industry Service - Nova Friburgo (SENAI / NF).The results obtained by computational tool were equivalent to those obtained with the measuring instruments used, demonstrating the feasibility of using of computational tool for metrology.

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / FAPEMIG - Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / Os usos múltiplos dos recursos hídricos geram conflitos de ordem quantitativa e qualitativa em escala de bacia hidrográfica, impulsionando o surgimento de ferramentas computacionais, com os mais diferentes níveis de complexidades, no auxílio à gestão e planejamento das águas superficiais. Este trabalho apresenta uma ferramenta de uso livre para a avaliação da qualidade da água em ambiente lótico, denominada QUALI-TOOL, utilizando-se de linguagem de programação Visual Basic com interface gráfica no Excel. A ferramenta permite a simulação dos parâmetros arbitrários (sólidos suspensos, compostos tóxicos, entre outros), oxigênio dissolvido, demanda bioquímica de oxigênio, fósforo total, nitrogênio orgânico, amônia, nitrato, Escherichia Coli e metais pesados. Para o emprego de toda a potencialidade da ferramenta, utilizou-se como área de estudo uma bacia hipotética, cujo trecho de aproximadamente 62,5 km do rio principal recebe tributários, lançamentos pontuais e difusos de cargas poluentes e demandas consuntivas pontuais. O QUALI-TOOL revelou-se uma ferramenta útil para a comunidade acadêmica e profissional quanto ao planejamento e gestão de recursos hídricos em escala local e de bacia hidrográfica. O manual do usuário foi organizado com uma sequência de tópicos que ajuda no entendimento do usuário principiante. O manual traz também a resolução de um exemplo prático de autodepuração em um trecho de rio, cuja metodologia do sistema abrange toda a potencialidade da ferramenta. De uma forma geral, a ferramenta computacional QUALI-TOOL pode ser utilizada para fins acadêmico e técnico no planejamento e gestão de recursos hídricos em escala local e de bacia hidrográfica. / The uses of water resources generate conflicts of quantitative and qualitative nature in basin scale, it impelling the development of computational tools with the most different levels of complexity, which assist the management and planning in water surface. This paper presents an free tool for evaluation of water quality in lotic environment, called QUALI-TOOL, using a Visual Basic programming language with graphical interface in Excel. The tool allows the simulation of arbitrary parameters (suspended solids, toxic compounds and others), dissolved oxygen, oxygen biochemistry, organic nitrogen, ammonia, nitrate, Escherichia-coli and heavy metals. For the usage of the tool's full potential, a hypothetical basin was used as the study area, in which 62.5 km of the main river receives tributaries, punctual and diffuse inputs of pollutant loads and punctual consumptive demand. The simulations were also performed in others two computational tools to verify the accuracy of QUALI-TOOL. QUALI-TOOL has proved to be a useful tool for academic and professional community in planning and managing water resources in local and basin scale. The user’s manual was organized in a topic sequence, helpful for the begginers users. The manual also provides a solution of a practical example of selfcleaning in a fictional stretch of a river, which the system metodology uses all the toll’s poten- ciality. In general, the QUALI-TOOL computational tool can be used for academic and technical purposes in the planning and management of water resources at local and river basin level. Keywords: Computational / Dissertação (Mestrado)