Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / This work presents an optimization methodology for lighting systems that employ LED. Initially, this work brings a calculation methodology capable of obtaining a thermal resistance of heat sink from their dimensions of area, besides enable optimization of the system through reducing their volume by through of change in the number of finned, length and consequently the weight of heat sink. Subsequently, the thesis present a new optimization methodology that has the objective of find the optimal point of operation lighting system taking into consideration the parameters of application current in the device, luminous flux, junction temperature, thermal resistance heat sink, number of LED and lifetime. An example of project is shown, confirming the theory, where the obtained results through of routine calculation coincided with the values found in experimental. The work also present the development of electronic topologies to power a public lighting system employing LED. Therefore, a driver to power of LED based in the integrated two-flyback converters was proposed. One prototype this system was implemented, where the luminaire provide a power of 63W. The experimental results proved the project methodology through of system satisfactory operation, presenting power factor near unit, high efficiency and a low input current distortion was obtained. / Este trabalho apresenta uma metodologia de otimização para sistemas de iluminação que empregam LEDs. Inicialmente, traz-se uma metodologia de cálculos capaz de obter a resistência térmica de dissipadores de calor a partir de suas dimensões de área, além de possibilitar a otimização do sistema através da redução do volume do mesmo por meio da variação do número de aletas, do comprimento e consequentemente da massa do dissipador. Posteriormente o trabalho apresenta uma nova metodologia de otimização que tem o objetivo de encontrar o ponto ótimo de operação do sistema de iluminação, levando-se em conta os parâmetros de corrente direta aplicada no dispositivo, fluxo luminoso, temperatura de junção, resistência térmica do dissipador, número de LEDs e vida útil dos mesmos. Um exemplo de projeto é demonstrado confirmando a teoria apresentada, onde os resultados obtidos através da rotina de cálculos coincidiram com os valores encontrados experimentalmente. O trabalho também apresenta o desenvolvimento de uma topologia eletrônica para alimentar um sistema de iluminação pública empregando LEDs. Dessa maneira, um driver para acionamento de LEDs baseado na integração de dois conversores flyback foi proposto. Um protótipo desse sistema foi implementado, onde a luminária apresenta uma potência de 63W. Resultados experimentais comprovam a metodologia de projeto através da operação satisfatória do sistema, apresentando fator de potência próximo ao unitário, elevada eficiência e o conteúdo harmônico da corrente de entrada do sistema de iluminação atendeu a norma.

Este trabalho apresenta um estudo experimental sobre o efeito da ação das ondas nas margens de rios que estão a jusante de estruturas hidráulicas. O trabalho foi realizado em três etapas, sendo a primeira realizada em modelo físico reduzido parcial de um vertedouro em degraus com canal a jusante, instalado no Pavilhão de Obras Hidráulicas (IPH/UFRGS). Nesta primeira etapa, diferentes condições de vazão e submergência foram consideradas, com o objetivo de avaliar as características das ondas de superfície, geradas a jusante de um dissipador de energia por ressalto hidráulico. As características avaliadas foram: altura, período, comprimento e celeridade das ondas. Os resultados dessa primeira etapa indicaram que as características principais das ondas, altura e período, estão mais relacionadas com a vazão escoada do que com a submergência do ressalto hidráulico. Além disso, através da comparação entre os dados estimados e observados da celeridade da onda, foi possível identificar que o período significativo da onda representa melhor a caracterização de uma onda que o período de pico, para ondas geradas a jusante de ressalto hidráulico. Na segunda etapa dos ensaios, as características das ondas obtidas na primeira etapa do estudo foram reproduzidas em um canal de ondas bidimensional, instalado no Pavilhão Fluvial (IPH/UFRGS). Desta forma, foi possível avaliar o efeito da ação das ondas sobre taludes com diferentes inclinações e granulometrias de material de proteção. Os resultados desta etapa demonstraram que o talude construído com material de proteção, denominado de brita grande (G) e com inclinação 1(V):3(H), foi o que apresentou maior estabilidade após a ação das ondas, mesmo sendo este um material de diâmetro médio menor do que o recomendado pelos métodos tradicionais de dimensionamento. Na terceira e última etapa dos ensaios, as características das ondas obtidas na primeira etapa do estudo foram reproduzidas novamente, porém em um tanque de ondas tridimensional, instalado no Pavilhão Fluvial (IPH/UFRGS). Nesta etapa do estudo, foi avaliado o efeito da ação das ondas sobre diferentes ângulos de incidência das ondas sobre talude de proteção. Os resultados obtidos nesta etapa demonstraram que o aumento do ângulo de incidência das ondas sobre o talude de proteção, intensifica o processo erosivo do material de proteção das margens. / This work presents an experimental study about waves action effects on the banks of rivers that are downstream from hydraulic structures. The work was carried out in three stages, being that the first one was realized in a reduced partial physical model of a spillway with steps and a channel downstream from it, installed in the Hydraulic Works Laboratory (IPH / UFRGS). In this first stage, different flow and submergence conditions were considered, with the objective of evaluating the characteristics of surface waves, that were generated downstream from a energy dissipator by hydraulic jump. The evaluated characteristics were: height, period, length and celerity of the waves. The results of this first stage indicated that height and wave period, considered the two main characteristics of waves, are more related to the outflow than to the submergence of hydraulic jump. In addition, through the comparison between the estimated and observed data of wave celerity, it was possible to identify that the significant period of wave represents better the characterization of a wave than the peak period, for waves generated downstream from a hydraulic jump. In the second stage of the tests, the wave characteristics obtained in the first stage of the study were reproduced in a two-dimensional wave channel, installed in the Fluvial Laboratory (IPH / UFRGS). In this way, it was possible to evaluate the effect of wave action on embankments with different inclinations and composed by protection material of diverses granulometries. The results of this experiment demonstrated that the embankment constructed with protective material called large gravel (G) and slope 1 (V): 3 (H) was the one that presented greater stability after the waves action, even though this material to has an average diameter smaller than that recommended by traditional dimensional methods. In the third and last stage of tests, the wave characteristics obtained in the first stage of study were reproduced again, but now in a three-dimensional wave tank installed in the Fluvial Laboratory (IPH / UFRGS). At this stage of the study, the effect of wave action on different angles of incidence between waves and the protective embankment was evaluated. The results obtained from this step demonstrated that the increase of the angle of incidence between wave and protective slope intensifies the erosive process of material that compose the banks.

Fenômenos de transporte constituem um dos grandes desafios teóricos da mecânica estatística fora do equilíbrio, uma vez que a compreensão dos mecanismos microscópicos que regem tais fenômenos não está completamente estabelecida. Conduzidos, portanto, pela motivação de melhor compreender esses mecanismos, propomos nesta tese o estudo dos fenômenos de transporte através de dois modelos microscópicos em dois contextos distintos: clássico e quântico. No contexto clássico, consideramos como modelo uma cadeia de osciladores harmônicos acoplados, sujeita a um potencial local (pinning) anarmônico quártico (conhecido como modelo phi4). A cadeia está em contato, através de suas extremidades, com dois reservatórios térmicos mantidos a temperaturas distintas, e sua dinâmica é dada por um sistema de equações de Langevin. Além disso, consideramos a inclusão de um ruído conservativo que inverte aleatoriamente o sentido da velocidade de cada partícula. Nesse sistema, estudamos dois fenômenos de transporte associados à condução de calor: a Lei de Fourier e a retificação térmica. Os resultados foram obtidos numericamente através da simulação do sistema usando-se métodos de dinâmica estocástica. A partir desses resultados pudemos concluir que, tanto a validade da Lei de Fourier, quanto a presença de uma retificação finita no limite termodinâmico, estão associadas à presença do ruído conservativo na dinâmica do sistema. No contexto quântico, utilizamos como modelo de trabalho uma cadeia de spins do tipo XX posta em contato, através de suas extremidades, com dois reservatórios mantidos a diferentes temperaturas e potenciais químicos. A interação com os reservatórios foi feita através de dissipadores de Lindblad presentes na equação mestra quântica que fornece a dinâmica do sistema. Esses dissipadores são acoplados aos modos normais do hamiltoniano do modelo de forma que, no equilíbrio, o sistema termaliza corretamente para o estado de Gibbs. Além de resultados numéricos, obtivemos através de um método perturbativo, expressões analíticas para os fluxos de energia e de partículas ao longo da cadeia, verificando que ambos possuem a estrutura da fórmula de Landauer. No regime em que o acoplamento com os reservatórios é fraco, verificamos ainda que as relações de reciprocidade de Onsager entre esses fluxos são satisfeitas. / Transport phenomena are one of the great theoretical challenges of out-of-equilibrium statistical mechanics since the understanding of the microscopic mechanisms governing such phenomena is not yet fully established. To better understand these mechanisms, we propose in this thesis the study of transport phenomena through two microscopic models in two distinct contexts: classical and quantum ones. In the classical context, we considered as a working model a chain of coupled harmonic oscillators, subject to a quartic anharmonic pinning (known as the phi4 model). The chain is in contact, through its ends, with two thermal reservoirs kept at different temperatures, and its dynamics is given by a system of Langevin equations. In addition, we considered the inclusion of a conservative noise that randomly reverses the direction of the velocity of each particle. In this system, we studied two transport phenomena associated with heat conduction: the Fourier Law and the thermal rectification. The results were obtained numerically by simulating the system using stochastic dynamics methods. From these results we concluded that both the validity of the Fourier Law and the presence of a finite rectification in the thermodynamic limit are associated with the presence of the conservative noise in the system dynamics. In the quantum context, we used as a working model the XX spin chain that was put in contact, through its ends, with two reservoirs kept at different temperatures and chemical potentials. The interaction with the reservoirs was modeled through Lindblad dissipators included in the quantum master equation that describes the system dynamics. These dissipators are coupled to the normal modes of the model Hamiltonian so that, in equilibrium, the system thermalizes correctly to the Gibbs state. In addition to numerical results, we obtained through a perturbative method, analytical expressions for the energy and particle fluxes along the chain, verifying that both have the structure of the Landauer formula. In the regime where the coupling with the reservoirs is weak, we also verified that the Onsager reciprocal relations between these fluxes are satisfied.

O dimensionamento das câmaras dissipadoras para válvulas dispersoras demanda um estudo sobre a interação da operação destes elementos, não somente para um ponto de operação, mas também para a faixa operativa do conjunto, que compreende a faixa de operação da válvula e da câmara de dissipação. Os limites sobre responsabilidade assumem um cenário onde as dimensões da câmara podem não ser adequadas à operação da válvula, e vice-versa. Isto porque durante o processo de dissipação de energia, ocorrem grandes turbulências que podem gerar erosão na estrutura dissipadora. A interação entre a operação das válvulas dispersoras e as dimensões da câmara dissipadora é complexa porque o dimensionamento de um elemento está associado ao outro. Assim, as dimensões necessárias para dissipação de energia na câmara dependem de dados da válvula, resultando em uma interdependência de dados para a dissipação de energia adequada. O dimensionamento do conjunto deve levar em consideração a interdependência de operação dos elementos, caso contrário o funcionamento do sistema poderá ser inadequado devido às turbulências e altas velocidades, que podem gerar cavitação e erosão das estruturas dissipadoras. Os danos na estrutura dissipadora podem causar paradas de geração de energia das usinas hidrelétricas e acidentes nas regiões localizadas a jusante desta estrutura. O dimensionamento adequado do conjunto válvula e câmara dissipadora e o conhecimento de sua faixa operativa admissível pode ser feito com auxílio de simulações numéricas e ensaios em modelo reduzido de forma a prever o comportamento adequado do protótipo. Desta forma, as simulações numéricas em CFD possibilitam maior seletividade dos casos que serão ensaiados em modelo reduzido, proporcionando maior assertividade nestes ensaios. / The sizing of valves and chambers for dissipating purpose demands a study about the interaction between these elements, not only from an operation point of view but also the whole operating range of the set, which comprehends the operating range of the valve and the dissipating chamber. The limits of liability assume a scenario where the dimensions of the chamber may be not suitable for operation of the valve, and vice-versa. This is because during dissipating energy process, major turbulences occur which may cause erosion in the dissipating structure. The interaction between the dissipating valve and the dissipating chamber dimensions is complex because the sizing of an element is associated to other. Thus, the required dimensions to dissipate energy on the chamber rely on valve data, resulting in data interdependency required for adequate energy dissipation. The set sizing must consider the operation interdependency of both elements otherwise the system operation may be inadequate due to turbulence high flow velocities, which may cause cavitation and erosion of the dissipating structures. Damages on the dissipating structure may cause energy generation interruption of hydroelectric power plants and accidents on the regions located downstream this structure. The adequate sizing of the set valve and dissipating chamber as well as the information regarding its operating range can be done with the aid of numerical simulations and physical model tests in order to predict the behavior of the prototype. Therefore, numerical simulations in CFD allow more selectivity of the cases which will be tested in a physical model, proportioning higher assertiveness on those tests.