Petrobrás / Tubos corrugados têm sido utilizados em vários cenários da engenharia como, por exemplo, em linhas flexíveis de transporte de petróleo no mar, onde sua instalação, manuseio e remoção, tornam o processo mais prático devido sua flexibilidade. Entretanto, escoamentos em tubos corrugados, em geral, estão sujeitos a um aumento da perda de carga, aumento da turbulência e a variações dos padrões de escoamento quando comparados ao escoamento normalmente observado em tubos de seção transversal constante. Nesse cenário, o presente trabalho apresenta um estudo numérico e experimental do escoamento turbulento em tubos corrugados com cavidades helicoidais para diferentes ângulos de hélice (ou passo) e números de Reynolds variando entre 7.500 e 100.000. O escoamento é modelado matematicamente a partir das equações de conservação da massa e do balanço da quantidade de movimento, considerando-se o fluido newtoniano e incompressível. Ao escoamento é aplicado o modelo de turbulência de duas equações Baseline Model. O sistema de equações resultante da modelagem matemática é discretizado utilizando o Método Numérico de Volumes Finitos baseado em Elementos (MVFbE), e resolvido através do programa computacional ANSYS-CFX. Para o estudo experimental, que concerne à medição do fator de atrito em geometrias equivalentes às estudadas numericamente, é realizado utilizando a bancada experimental já existente no LACIT/UTFPR. A partir dos resultados numéricos é proposta uma correlação para o fator de atrito, envolvendo parâmetros geométricos do tubo corrugado e número de Reynolds, com um desvio médio de 0,88%. Além disso, é estudada a influência da parede corrugada no comportamento de propriedades como os campos de velocidade, pressão, tensão e outras propriedades turbulentas. Da última análise, constatou-se que a mudança no padrão de escoamento próximo à cavidade é semelhante entre os aumentos do número de Reynolds e largura da cavidade, não apresentando mudanças qualitativas em respeito à variação do ângulo de hélice. / Corrugated pipes have been used in several branches in the engineering, e.g, in transport flex line of oil in sea, where its installation, handling and remotion, become the process more practice due its flexibility. However, flow in corrugated pipes, in general, are subjects to an increase of drop pressure, an increase in the turbulence and deviations in the flow pattern as compared to the flow usually observed in pipes with constant cross section. In this sense, the present work shows an study both numerically and experimental of turbulent flow in corrugated pipes with helical grooves for different helix angles (or pitch) and Reynolds numbers varying between 7.500 and 100.000. The flow is modeled mathematically by the mass conservation and momentum equations, assuming the fluid is Newtonian and incompressible. To the flow, is applied the turbulence model of two equations, Baseline Model. The system equations resulted from mathematical modelling is discretized by using the element-based finite-volume method approach, and solved through the ANSYS-CFX. For the experimental part, is measured the friction factor in geometries equivalent to those studied numerically, where is performed by using the experimental facilities located in the LACIT/UTFPR. With the experimental data and numerical results, an correlation for friction factor is proposed in function of the geometric parameters of the corrugated pipe and Reynolds number, with an average uncertainty 0.88%. Moreover, is studied the groove's influence in the behavior of properties like fields of pressure, velocity, and stresses among another turbulent parameters. From the last analysis, has shown that the flow pattern near to the grooves follows the same behavior when it increases the Reynolds number and the grooves width, not showing qualitative changes when the helix angle has been changed.

Este trabalho apresenta uma análise da propagação de sinais de TV Digital na faixa de UHF em ambientes internos. A partir da comparação de alguns modelos de propagação interna e externa referenciados na literatura para outras faixas de frequência e aplicação, um algoritmo foi desenvolvido com a finalidade de gerar um mapa de cobertura de sinal que exibe a potência de recepção no ambiente interno. Estas simulações foram comparadas com medidas em campo a partir de dois estudos de caso. O primeiro avalia a cobertura de sinal em um andar inteiro de um prédio e o segundo no interior de uma sala e comprovou-se que os modelos de propagação que foram estendidos à faixa de UHF podem ser empregados com precisão para se determinar o nível de recepção do sinal de TV digital. / This work presents an analysis of signal propagation of Digital TV on the UHF range in indoor environments. Based on the comparison of some indoor and outdoor propagation models described on the literature, an algorithm was developed with the aim of generating a signal coverage map that exhibits the reception power on the indoor environment. These simulations were compared with field measurements divided in two case studies. The first one evaluates the signal coverage in an entire floor of one building and the second one inside a single room. It was proved that the propagation models that were extended to the UHF range can be used with high accuracy to determine the reception power level of the digital TV signal.

CAPES / Com o intuito de agregar valor à literatura numa área onde resultados positivos são incentivadores no processo de continuidade de pesquisas nesta área, até que se consiga obter a necessária reprodutibilidade do processo para gravação de redes em fibras óticas micro-estruturadas, este trabalho mostra o sucesso obtido na gravação de redes de Bragg e redes de período longo em fibras de cristal fotônico de núcleo sólido. As redes de Bragg são gravadas em fibras micro-estruturadas de 12 anéis de furos ao redor do núcleo, dopado com uma pequena quantidade de germânio. A gravação destas redes é feita utilizando radiação ultravioleta (UV) do laser excímero KrF em 248 nm e máscara de fase, e são obtidas redes de Bragg de ≈ 11 dB de refletividade. As redes de período longo, por sua vez, são gravadas em fibras micro-estruturadas de sílica pura de 6 anéis de furos de ar ao redor do núcleo. Utilizando o método de gravação ponto-a-ponto e radiação infra-vermelha (IR) do laser CO2 são obtidas redes com resultados condizentes com a literatura, ou seja, redes de período longo com um modo principal de ressonância e perda na transmissão de até 17 dB. Também são detalhadas as caracterizações das redes de período longo quanto à tração mecânica e à temperatura, com o diferencial da repetibilidade de ambos os testes para maior confiabilidade nos resultados. Foram obtidas sensibilidade à tração entre −0, 85 pm/με e −6, 3 pm/με. Obtiveram-se sensibilidades à temperatura iguais a −18, 4 pm/◦ C e −19, 6 pm/◦ C. / In order to contribute to literature in an area where successful results are important in the process of further research in this area, until it can be obtained the necessary reproducibility of the process of writting gratings in micro-structured optical fibers, this work shows positive Bragg and long period gratings written in solid core photonic crystal fibers. The Bragg gratings are written in a 12 rings of holes around the core doped with a small amount of germanium micro-structured fiber. Written process of these gratings is made using ultraviolet excimer laser KrF at 248 nm and phase mask, and are obtained Bragg gratings with ≈ 11 dB reflectivity. Long period gratings, in turn, are written in micro-structured optical fibers made of pure silica 6 rings of air holes around the core. Using the method of point-to-point and infrared radiation CO2 laser are obtained gratings with consistent results within the literature, that is, gratings with a main mode of resonance and transmission loss of up to 17 dB. This work also detailed characterizations of long period gratings on mechanical stress and temperature variation, emphasizing the repeatability of both tests for more reliable results. Sensitivity to mechanical stress were obtained between −0, 85 pm/με and −6, 3 pm/με. More, sensitivities to temperature variation were equal to −18, 4 pm/◦ C and −19, 6 pm/◦ C.

CAPES, Fundação Casimiro Montenegro Filho / No tratamento do movimento rotacional tridimensional de corpos rígidos é inevitável lidar-se com o fato de que rotações não são quantidades vetoriais. Elas podem, no entanto, ser tratadas como tais quando o ângulo de rotação é (muito) pequeno. Neste contexto, ou seja, o da análise infinitesimal, as derivadas temporais das variáveis de rotação mantêm um relacionamento simples (às vezes mesmo do tipo vetorial) com os componentes do vetor velocidade angular. Convencionalmente, esta distinta característica não pode ser associada a rotações grandes, nem mesmo medianas. Nesta tese é demonstrado que a relação diferencial entre o vetor rotação e o vetor velocidade angular pode, na realidade, ser expressa em termos de uma simples derivada temporal, desde que o ângulo de rotação seja mantido numa faixa moderada. O artifício permitindo tal simplicidade na equação cinemática (cinemática linear de atitude) com um ângulo de rotação moderado é a escolha criteriosa da base a partir da qual a derivada temporal é observada. Este resultado é utilizado vantajosamente em conjunto com uma versão generalizada das equações de movimento de Euler na construção de uma lei de controle simples. Essa lei realiza, concomitantemente, o rastreamento linear nominal de atitude e o rastreamento linear nominal de velocidade angular (rastreamento linear nominal de estado rotacional), dentro de uma faixa moderada de erro de rastreamento de atitude. O trabalho analítico apresentado é único no sentido em que este combina cinemática rotacional, dinâmica rotacional e controle de forma tal que linearidade nominal entre as variáveis de erro de estado é atingida mesmo para erros moderados de rastreamento de atitude. Pela primeira vez, uma lei de controle permite explicitamente que a dinâmica de erro de estado rotacional em malha fechada seja escolhida e motivada por conceitos físicos úteis da teoria linear de controle. O texto também inclui simulações numéricas que validam e ilustram os resultados teóricos obtidos. / In dealing with rigid body three-dimensional rotational motion, one is inevitably led to face the fact that rotations are not vector quantities. They may, however, be treated as such when the angle of rotation is (very) small. In this context, i.e. the infinitesimal case analysis, the time derivatives of the rotation variables hold simple (sometimes vector-like) relationships to the components of the angular velocity vector. Conventionally, this distinctive characteristic cannot be associated with general moderate-to-large rotations. In this thesis, it is demonstrated that the kinematical differential relationship between the rotation vector and the angular velocity vector may, in fact, be expressed in terms of a mere time derivative, provided that the angle of rotation is kept within moderate bounds. The key to achieve such simplicity in the kinematical equation (linear attitude kinematics) within moderate angles of rotation is a judicious choice of the basis from which the time derivative is observed. This result is used to advantage within a generalised version of Euler’s motion equations to construct a simple control law, which nominally realises both linear attitude tracking and linear angular velocity tracking (nominal linear attitude state tracking), within moderate attitude tracking errors. The analytical work presented here is unique in the sense that it combines attitude kinematics, dynamics and control in such a way that nominal linearity between the attitude state error variables is achieved within moderate attitude tracking errors. For the first time, an attitude control law explicitly enables the nominal closed-loop attitude state error dynamics to be chosen and motivated by useful physical concepts from linear control theory. The text also includes numerical simulations that validate and illustrate the theoretically achieved results.

CAPES / É um interesse permanente das entidades de teledifusão conhecer a região geográfica servida por suas emissões. Modelos computacionais podem fornecer informações detalhadas sobre a área coberta, ao implementar variados métodos de predição baseados em normas e recomendações. Enquanto tais métodos computacionais são indispensáveis à tomada de decisão dos órgãos reguladores, medir o sinal após sua implementação é atividade imprescindível para validar as predições, e para identificar precisamente áreas sem cobertura e orientar na sua solução. Analisar os diversos aspectos envolvidos, e validar uma metodologia prática para conhecer a cobertura real de um sistema de TV digital é o objetivo deste trabalho. / Knowing the exact region served by a broadcasting station is a permanent interest. Computer models can produce detailed maps of the covered area, by implementing several prediction methods prescribed in specific regulations. While such computer methods are essential to the decision-making process of the regulatory boards, some field-work is still required to validate the predictions, as well as to investigate situations that may give rise to reception difficulties. The analysis of the several aspects involved, and the validation of a practical method for assessing the true coverage of the digital TV system adopted in Brazil is the purpose of this work.

Esta dissertação apresenta um estudo e avaliação de algoritmos de controle para a melhoria da regulação de tensão de alternadores de rotação variada. Muitos algoritmos de controle de tensão de geradores são apresentados pela literatura, porém poucos são os trabalhos que mostram resultados confiáveis o suficiente para garantir que sejam utilizados em qualquer aplicação deste tipo. Além disso, o problema de mudança de rotação do gerador não é abordado pela literatura, fato marcante em aplicações de geradores nas áreas navais e ferroviárias. Portanto, um estudo comparativo faz-se necessário, considerando algumas métricas pré-definidas, para que uma técnica seja escolhida e então aplicada e avaliada em um regulador automático de tensão, AVR (Automatic Voltage Regulator), digital controlado por um sistema embarcado em um gerador real. Este estudo é apresentado neste trabalho, que avalia dois algoritmos de otimização de controlador PID com ajuste off-line, o algoritmo de otimização por enxame de partículas ou PSO (Particle Swarm Optimization), e o algoritmo genético ou GA (Genetic Algorithm). O ajuste do controlador é realizado em um ambiente de simulação, onde o modelo matemático do alternador é obtido, através de ensaios, para que a sintonia do controlador seja a mais correta possível. Os algoritmos são comparados considerando o tempo de subida, tempo de estabilização, erro em regime, sobressinal e tempo de sintonia como métricas, obtendo uma melhor resposta do PSO comparando-a com o GA através de simulações, e validando-a, através de comparação com um algoritmo já utilizado, em um AVR digital em um gerador real. / This work presents a study of control algorithms to improve the voltage regulation of varied rotation alternators. Many voltage control algorithms are presented in the literature, but most of them do not present enough results to guarantee their usage in locomotive applications. In addition, the generator speed change is not addressed on the mathematical models used in voltage regulation control algorithms in the literature. Therefore, a comparative study is necessary, following some pre-defined metrics, so that a technique could be proposed and then applied and evaluated in a digital Automatic Voltage Regulator (AVR) controlled by an embedded system in a real generator. This study evaluates two PID controller optimization algorithms with off-line tuning, PSO (Particle Swarm Optimization) and GA (Genetic Algorithm). The controller tuning is performed in a simulation environment, where the mathematical model of the alternator is obtained through tests. The algorithms are compared considering the rise time, settling time, steady-state error, overshoot and tuning time as comparison metrics. A better response from the PSO is obtained through simulations, and this response is validated in a digital AVR on a real generator.

PETROBRAS / Dentre os desafios no processo de produção de hidrocarbonetos na indústria de óleo e gás, uma área em destaque nos últimos anos é conhecida como garantia de escoamento, a qual envolve assegurar de forma contínua que os fluidos (óleo ou gás) escoem pelas tubulações que conectam o poço aos sistemas de separação na superfície. Um dos principais problemas enfrentados está ligado à deposição de hidratos de gás em tubulações, podendo estes diminuir o diâmetro útil ou até obstruir as tubulações, gerando perdas financeiras consideráveis devido a, principalmente, parada de produção. Hidratos de gás ou clatratos são estruturas cristalinas sólidas semelhantes ao gelo, normalmente formados por moléculas de água e gás em determinadas condições de pressão e temperatura. Atualmente não existe uma técnica de medição estabelecida para monitoração da formação de hidratos em tubulações. Uma técnica candidata é a medição da impedância (ou o espectro de impedância) dos fluidos, pois se trata de uma técnica simples, robusta e de baixo custo. Com o objetivo de investigar o processo de formação de hidratos de forma controlada, foram realizados e analisados diversos experimentos com três sistemas de medição diferentes operando três células de medição distintas. Um sistema totalmente comercial, um sistema misto e um sistema dedicado foram utilizados para realizar medidas de impedância do processo de formação de hidratos. Os testes foram realizados com uma substância modelo (tetrahidrofurano – THF) em mistura com água, com a qual é possível a formação de hidratos sem a necessidade do uso de uma célula pressurizada. Os dois primeiros sistemas (comercial e misto) são capazes de medir o espectro de impedância na faixa 101 Hz até 107 Hz. Já o sistema dedicado opera em frequência fixa (tipicamente 5 MHz). Os resultados mostraram-se promissores no que diz respeito à monitoração da formação de hidratos, já que diferenças consideráveis nos valores de impedância são observadas para a mistura de THF-água em estado líquido e com a presença de hidratos. Dessa maneira, o sistema desenvolvido aliado ao processamento dos dados experimentais pode ser empregado em trabalhos futuros como ferramenta simples para monitorar a formação de hidratos em tubulações. / Among the challenges in the oil and gas industry for hydrocarbon production, a featured area in recent years is known as flow assurance, which involves to guarantee the continuously stream of fluids (oil or gas) through pipelines connecting wellhead to separation systems at topside. One of the main problems is related to the deposition of gas hydrates in pipelines, since these deposits may reduce the effective pipe diameter or even clog pipelines, causing considerable financial losses mainly due to production stop. Gas hydrates or clathrates are crystalline solid ice-like structures, typically formed by water and gas molecules under certain conditions of pressure and temperature. Currently there is no established measurement technique for monitoring the hydrate formation in pipelines. One candidate technique is impedance (or impedance spectrum) measurement of fluids, since it is simple, robust and low cost. With the objective of investigating hydrate formation in a controlled environment, several experiments with three different measuring systems operating three different measuring cells have been performed and evaluated. A fully commercial, a mixed, and a dedicated measuring system were applied for obtaining impedance data of hydrates formation. The experimental tests were performed with a model substance (tetrahydrofuran - THF) in mixture with water which allows the monitoring of hydrates formation at ambient pressures (i.e. no need to use a pressurized cell). The first two systems (commercial and mixed) are able to measure the impedance spectrum in the range 10 Hz to 10 MHz. The dedicated system operates at a fixed frequency (typically 5 MHz). The results show that considerable differences in impedance values are observed for the THF-water mixture in liquid conditions and with the presence of hydrates, hence being promising in hydrates formation monitoring. In this way, the developed measurement system allied to appropriated data processing routines has the potential to be applied as simple tool to monitor hydrate formation in pipes.

Este estudo desenvolve uma técnica para caracterizar o escoamento bifásico, utilizando sensores de deformação baseados em redes de Bragg em fibras ópticas. Esses sensores apresentam características relevantes, a pequena dimensão e a possibilidade de medição com precisão em um grande número de parâmetros em condições diversas. A unidade sensora é constituída por uma rede de Bragg em fibra óptica posicionada transversalmente em relação ao escoamento e fixado nas paredes do tubo. A pressão hidrodinâmica aplicada pelo escoamento de líquido ou pelo escoamento de líquido e gás induz deformação na fibra óptica, a qual pode ser detectada pela rede de Bragg. Como a pressão aplicada está diretamente relacionada com a vazão mássica, é possível estabelecer uma relação usando o deslocamento do comprimento de onda da ressonância da rede de Bragg para determinar a vazão mássica quando a velocidade de escoamento é bem conhecida. No escoamento bifásico, há uma alteração significativa na força aplicada na fibra óptica, a qual contabiliza as densidades distintas das referidas substâncias. Logo, a deformação da fibra óptica e a correspondente mudança de comprimento de onda de rede de Bragg serão muito diferentes quando no escoamento houver uma bolha de ar ou um pistão de líquido, permitindo, assim a sua detecção à medida que o escoamento flui através do tubo. Devido a sua capacidade de multiplexação e versatilidade, o uso de sensores de redes de Bragg em fibra óptica mostrou ser particularmente adequado para esta aplicação. Uma ferramenta de detecção de 18 sensores quase distribuídos uniformemente ao longo do tubo foi desenvolvida tornando possível a caracterização do escoamento, bem como o acompanhamento das bolhas de ar ao longo de uma grande parte do escoamento. Os ensaios foram realizados em uma planta piloto de escoamento bifásico gás-líquido, onde diversas condições operacionais foram geradas e analisadas. A técnica desenvolvida foi validada através de comparações com modelos termodinâmicos empíricos disponíveis na literatura e também com o sensor wire-mesh, apresentando boa concordância com os valores de referência. O estudo viabiliza a construção futura de sensores para serem empregados na obtenção de parâmetros importantes nos modelos de escoamento multifásico, abrindo muitas oportunidades para ferramentas de medição de laboratório e aplicações de campo. / This study developed a technique to characterize the two phase flow using optical fiber Bragg grating strain sensors. These sensors have features such as small size, flexibility, allowing to accurately measure a number of parameters under adverse conditions. The sensor unit consists of optical fiber Bragg grating positioned transversely to the flow and fixed in the pipe walls. The hydrodynamic pressure applied by the liquid or air/liquid flow to the optical fiber induces deformation that can be detected by the optical fiber Bragg grating. Given that the applied pressure is directly related to the mass flow it is possible to establish a relationship using the grating resonance wavelength shift to determine the mass flow when the flow velocity is well known. For two phase flows of air and liquid there is a significant change in the force applied to fiber that is accounted for the very distinct densities of these substances. As a consequence the optical fiber deformation and the correspondent grating wavelength shift as function of the flow will be very different for an air bubble or a liquid slug allowing their detection as they flow through the pipe. Due to its versatility and multiplexing capabilities optical fiber Bragg gratings are particularly suitable for this application. The experiments were performed in a pilot plant using air-water two-phase flows, in which various operating conditions were generated and analyzed. A quasi-distributed sensing tool with 18 sensors evenly spread along the pipe is developed and characterized making possible the characterization of the flow as well as the tracking of the bubbles over a large section of the test bed. The technique developed was validated through comparisons with available empirical mechanical models and also with the wire- mesh sensor, showing good agreement with the reference values. The study allows for the future construction of sensors that can be used to assist empirical models of multiphase flows, and open up plenty of opportunities to both laboratory measurement tools as well as field applications.

CAPES; CNPq / O constante aumento na velocidade da rede, o número de ataques e a necessidade de eficiência energética estão fazendo com que a segurança de rede baseada em software chegue ao seu limite. Um tipo comum de ameaça são os ataques do tipo probing, nos quais um atacante procura vulnerabilidades a partir do envio de pacotes de sondagem a uma máquina-alvo. Este trabalho apresenta o estudo, o desenvolvimento e a implementação de um algoritmo de extração de características dos pacotes da rede em hardware e de três classificadores de aprendizagem de máquina (Árvore de Decisão, Naive Bayes e k-vizinhos mais próximos), em software e hardware, para a detecção de ataques do tipo probing. O trabalho apresenta, ainda resultados detalhados de acurácia de classificação, taxa de transferência e consumo de energia para cada implementação. / The increasing network speeds, number of attacks, and need for energy efficiency are pushing software-based network security to its limits. A common kind of threat is probing attacks, in which an attacker tries to find vulnerabilities by sending a series of probe packets to a target machine. This work presents the study, development, and implementation of a network packets feature extraction algorithm in hardware and three machine learning classifiers (Decision Tree, Naive Bayes, and k-nearest neighbors), in software and hardware, for the detection of probing attacks. The work also presents detailed results of classification accuracy, throughput, and energy consumption for each implementation.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Nesta dissertação é modelado computacionalmente o processo de corrosão por pites em aço inoxidável. Foi implementado um programa computacional que modela a distribuição da concentração local de espécies agressivas, o grau de dano do filme passivo, a suscetibilidade a pites e a distribuição dos pites, com base no modelo de PUNCKT et al. [2004]. Como uma contribuição desta dissertação foi considerada uma dependência entre a concentração local de espécies agressivas e a corrente anódica simulada. Também foi considerada, como outra contribuição do presente trabalho, a existência de pites estáveis e o efeito determinístico decorrente das regiões de inclusões de MnS em aços inoxidáveis. A geração de pites sobre uma superfície metálica é modelada usando um processo randômico de nucleação de pites, e a solução do modelo matemático permite a visualização da superfície corroída. / In the present work a computational model of the pitting corrosion process in stainless steal is developed. A computational program was implemented for the determination of the distribution of the local concentration of aggressive species, the degree of the passive film damage, the susceptibility of pitting and the pitting distribution, based on the PUNCKT et al. [2004] model. As a contribution of the present work dependence between the local concentration of aggressive species and the simulated anodic current is considered. It was also considered, as another contribution, the existence of stable pits and the deterministic effect of regions of MnS inclusions in stainless steel. The generation of pits over a metallic surface is modeled using a random process of pits nucleation, and the mathematical model solution gives the corroded surface visualization.