Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Nesta dissertação o método espectronodal SD-SGF-CN, cf. spectral diamond spectral Green's function - constant nodal, é utilizado para a determinação dos fluxos angulares médios nas faces dos nodos homogeneizados em domínio heterogêneo. Utilizando esses resultados, desenvolvemos um algoritmo para a reconstrução intranodal da solução numérica visto que, em cálculos de malha grossa, soluções numéricas mais localizadas não são geradas. Resultados numéricos são apresentados para ilustrar a precisão do algoritmo desenvolvido. / In this dissertation the spectral nodal method SD-SGF-CN, cf. spectral diamond spectral Green's function - constant nodal, is used to determine the angular fluxes averaged along the edges of the homogenized nodes in heterogeneous domains. Using these results, we developed an algorithm for the reconstruction of the node-edge average angular fluxes within the nodes of the spatial grid set up on the domain, since more localized numerical solutions are not generated by coarse-mesh numerical methods. Numerical results are presented to illustrate the accuracy of the algorithm we offer.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Nesta dissertação é apresentada a avaliação da dispersão de contaminantes no Rio São Pedro, pequeno curso situado na Bacia Hidrográfica do Rio Macaé, centro-norte do Estado do Rio de Janeiro. Para tanto, utilizou-se uma abordagem que conjugou simulação e observação. A simulação compreendeu a modelagem do transporte de substância conservativa em um dado trecho desse rio. O modelo adotado utilizou a formulação unidimensional da equação de advecção-dispersão, que tem como parâmetro crítico o coeficiente de dispersão longitudinal. Paralelamente foi conduzido um experimento de campo, que constou da injeção instantânea de massa conhecida de sal nesse trecho do rio, tendo sido monitorada a concentração resultante em uma seção situada a jusante do ponto de lançamento. Códigos numéricos foram implementados para obter-se o melhor ajuste entre simulação e observação, ajuste esse obtido através da estimativa do coeficiente de dispersão. / In this dissertation we performed an assessment of contaminat dispersion in a small river located at Macaé Watershed Basin. We adopted an approach that made use both of simulation and experiments. The simulation solved the one dimensional transport model for a conservative substance, on which the dispersion coefficient plays a critical role. The observation data was obtained in an experiment especially designed for this purpose. An instantaneous injection of a known quantity of mass of salt in a given position of the river was discharged and the resulting concentration was monitored in two downstream stations. Numerical codes were built in order to obtain a better fitting between simulation and observation.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / No presente trabalho, um algoritmo algébrico sequencial é utilizado para descrever a propagação de ondas acústicas ao longo de uma barra e utilizado na identificação de danos. Esse algoritmo é validado com base nos conficientes de sensibilidade dos ecos correspondentes aos diferentes cenários de danos apresentados. Na formulação do problema de identificação de dano, o campo de impedância generalizada, que minimiza o funcional definido como a distância entre o eco calculado e o eco experimental sintético é procurado. Os tempos de percurso da resposta, obtidos a partir de experimentos numéricos, são utilizados para identificar a posição, intensidade e forma do dano. Para simular dados corrompidos, diferentes níveis de ruído - variando de 30 a 0 dB - são introduzidos. O processo de identificação foi avaliado com os seguintes métodos de otimização: Otimização por Enxame de Partículas (PSO); Luus-Jaakola (LJ); Algoritmo de Colisão de Partículas (PCA); Algoritmos Genéticos (GA) e Recozimento Simulado (SA); e a hibridização desses métodos com o método determinístico de Levenberg-Marquardt. É mostrado que o processo de identificação de dano construído sobre a abordagem de propagação de ondas acústicas foi bem sucedido, mesmo para dados ruidosos altamente corrompidos. Os resultados dos casos testes são apresentados e algumas observações sobre as vantagens dos métodos determinísticos e estocásticos e sua combinação também são relatados. / In the present work, a sequential algorithm is used for describing the acoustic wave propagation along a bar and applied for damage identification purposes. The algorithm is validated based on the sensitivity coefficients of the corresponding echoes to the adressed damage scenarios. In the formulation of the damage identification problem, the generalized impedance field, that minimizes the functional defined as the distance between the calculated echo and the synthetic experimental one is sought. Time history responses, obtained from pulse-echo experiments, are used to identify damage position, severity and shape. In oder to account for noise corrupted data, different levels of signal to noise ratio - varying from 30 to 0 dB - are introduced. In the identification procedure the following optimization methods were applied: Particle Swarm Optimization (PSO); Luus-Jaakola (LJ); Particle Collision Algorithm (PCA); Genetic Algorithms (GA); and Simmulated Annealing (SA): and the hybridization of these methods with the deterministic Levenberg-Marquardt method. It is shown that the damage identification procedure built on the acoustic wave propagation approach was successful, even for highly corrupted noisy data. Test case results are presented and a few comments on the advantages of deterministic and stochastic methods and their combination are also reported.

Neste estudo são apresentados os resultados do trabalho sobre simulações de redes de conexões complexas. Foram simuladas redes regulares, intermediárias e aleatórias com o número de nós e de conexões variando entre 103 e 5x103 e entre 2x104 e 105, respectivamente, e com probabilidade variando de 0 a 1 com passo de 0.1, com o enfoque na Teoria Espectral. Utilizando a linguagem C e o software Matlab, as redes são representadas pela sua matriz adjacência, com o objetivo de observar-se o comportamento de seus autovalores através de histogramas. A finalidade é a caracterização de redes complexas. Observa-se que a distribuição dos autovalores segue a lei semicircular de Wigner. / This study presents the results of the work about simulations of networks of complex connections. They were simulate regular networks, middlemen and aleatory with the number of nodes and of connections varying between 103 and 5x104 and between 2x104 and 105, respectively, and with probability varying from 0 to 1 with step of 0.1, with the focus in the Spectral Theory. Using the language C and the software Matlab, the networks are represented by its adjacency matrix, with the objective of observing the behavior of its eigenvalues through histograms. The purpose is the characterization of complex networks. Its observed that the eigenvalues distribution follows the Wigners semicircular law.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Nesta tese é realizada a modelagem do comportamento hidráulico dos principais rios que compõem a bacia hidrográfica do Rio Bengalas, localizada no município de Nova Friburgo-RJ, a qual abrange a área mais urbanizada da referida cidade. Para a realização das simulações foi utilizado o Sistema de Modelagem de Águas MOHID, ferramenta MOHID Land. Já para a calibração do modelo foram adotados alguns métodos de otimização, mais precisamente, os algoritmos de Luus- Jaakola (LJ) e Colisão de Partículas (PCA), acoplados ao referido sistema, com o intuito de determinar os principais parâmetros necessários à modelagem de corpos hídricos, bem como suas bacias hidrográficas. Foram utilizados dados topográficos do IBGE disponibilizados pela prefeitura após a elaboração do Plano de Águas Pluviais da região de interesse. Com o modelo devidamente calibrado por meio de dados experimentais, foi realizada a validação do mesmo através da simulação de inundações nesta região. Apesar de técnicas de otimização acopladas à plataforma MOHID terem sido utilizadas pela primeira vez em um rio de montanha, os resultados apresentaram-se importantes e qualitativamente satisfatórios do ponto de vista de auxílio à tomada de decisões, tendo como base a prevenção de danos causados pelas elevações da lâmina dágua que ocorrem frequentemente em Nova Friburgo, como por exemplo, a recente tragédia de janeiro de 2011 ocorrida na Região Serrana do Estado do Rio de Janeiro. / In this thesis is held the modeling of the hydraulic behavior of the main rivers that form the Bengalas River watershed, located in the municipality of Nova Friburgo, Rio de Janeiro, which covers the most urbanized area of that city. To perform the simulations was used MOHID Waters Modeling System, Land MOHID tool. As for the calibration of the model were adopted some optimization methods, more precisely, the Luus-Jaakola (LJ) and Particle Collision (PCA) algorithms coupled to said system, in order to determine the main parameters needed for modeling bodies water and their watersheds. We used topographic data from the IBGE provided by the city after the preparation of the Stormwater Plan for the region of interest. With the model calibrated through experimental data, the same was validated by simulating flooding in this region. Although optimization techniques coupled to the platform MOHID were first used in a mountain river, the results presented are important and qualitatively satisfactory from the point of view of aid to decision making, based on the prevention of damage caused by increases in water level that often occur in Nova Friburgo, such as the recent tragedy that occurred in January 2011 in the mountainous region of the Rio de Janeiro State.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / As propriedades de propagação e acoplamento entre modos em uma fibra ótica com dois núcleos são investigadas utilizando o método dos elementos finitos em 3D. A simulação da transferência de potência entre os núcleos ao longo da fibra em um comprimento de onda específico permite sintonizar um filtro de atenuação no espectro de transmissão. A sintonização dinâmica do espectro de transmissão do filtro é obtida através da aplicação de ondas acústicas flexurais. Uma fibra com dois núcleos com propriedades geométricas e materiais similares ao da simulação é experimentalmente caracterizada sob excitação de ondas acústicas de baixa frequência (9 kHz - 16 kHz). O modulador acusto-ótico foi utilizado para sintonizar a magnitude e o comprimento de onda do filtro de atenuação. Os resultados experimentais indicam concordância com a teoria e simulação. O estudo aponta para uma nova metodologia numérica para o projeto e análise de dispositivos acusto-óticos baseados em fibras com vários núcleos, o que habilita a aplicação destes dispositivos em filtros de atenuação, chaveadores de potência entre núcleos, sensores e acopladores. / The coupling and the propagation properties between the modes in a double-core optical fiber are investigated by means of the 3D finite element method. The simulation of the power transfer between the cores along the fiber at a specific wavelength allows tuning an attenuation filter in the transmission spectrum. The dynamic tuning of the filter transmission spectrum is achieved by the application of flexural acoustic waves. A double-core fiber with similar geometrical and material properties compared to the simulation is acoustically excited and experimentally characterized. An acousto-optic modulator (9 kHz - 16 kHz) is assembled to tune the magnitude and the wavelength of the attenuation filter. The experimental results indicate agreement with simulations. The study points out to a new numerical methodology for the project and analysis of acousto-optic devices based on multicore fibers, which enables the application of these devices in attenuation filters, channel switches, sensors and couplers.

Nesta dissertação, um novo protocolo de roteamento voltado para Redes Oportunistas é apresentado. O protocolo proposto chama-se PSONET (do inglês PSO for Opportunistic Networks), uma vez que este utiliza um sistema híbrido composto por um algoritmo de enxame de partículas (do inglês PSO - Particle Swarm Optimization). A principal motivação para a utilização do PSO é tirar proveito da sua busca baseada em população de indivíduos e da adaptação da sua estrutura de aprendizado. O PSONET utiliza a técnica de otimização por enxame de partículas para direcionar o tráfego da rede através de um subconjunto de bons encaminhadores de mensagens. O PSONET analisa as condições de comunicação da rede, detectando se cada nó possui conexões esparsas ou densas e, portanto, toma melhores decisões quanto ao encaminhamento de mensagens. O protocolo PSONET é comparado com os protocolos Epidêmico e PROPHET em três cenários de mobilidades distintos: um modelo de mobilidade baseado em atividades, onde simula-se o dia a dia das pessoas em suas atividades de trabalho, lazer e descanso; um modelo de mobilidade baseado em comunidade de pessoas, onde simula-se um grupo de pessoas em suas comunidades, que eventualmente entrarão em contato com outras pessoas, que podem ou não fazer parte de sua comunidade, para realizar a troca de informações; e um modelo de mobilidade aleatória, onde simula-se um cenário dividido em comunidades, onde as pessoas escolhem um destino aleatoriamente, e, com base nas restrições do mapa, se movem até este destino utilizando o menor caminho encontrado. Os resultados, obtidos através do simulador THE ONE, mostram que nos cenários com modelo de mobilidade baseado em comunidade de pessoas e no modelo de mobilidade aleatória, o protocolo PSONET alcança uma maior taxa de entrega de mensagens e uma menor replicação de mensagens, se comparado com os protocolos Epidêmico e PROPHET. / In this research work, a new routing protocol for Opportunistic Networks is presented. The proposed protocol is called PSONET (PSO for Opportunistic Networks) since the proposal uses a hybrid system composed of a Particle Swarm Optimization algorithm (PSO). The main motivation for using the PSO is to take advantage of its search based on individuals and their learning adaptation. The PSONET uses the Particle Swarm Optimization technique to drive the network traffic through of a good subset of forwarders messages. The PSONET analyzes network communication conditions, detecting whether each node has sparse or dense connections and thus make better decisions about routing messages. The PSONET protocol is compared with the Epidemic and PROPHET protocols in three different scenarios of mobility: a mobility model based in activities, which simulates the everyday life of people in their work activities, leisure and rest; a mobility model based on a community of people, which simulates a group of people in their communities, which eventually will contact other people who may or may not be part of your community, to exchange information; and a random mobility pattern, which simulates a scenario divided into communities where people choose a destination at random, and based on the restriction map, move to this destination using the shortest path. The simulation results, obtained through The ONE simulator, show that in scenarios where the mobility model based on a community of people and also where the mobility model is random, the PSONET protocol achieves a higher messages delivery rate and a lower replication messages compared with the Epidemic and PROPHET protocols.

O Simulador de Paciente Humano (Human Patient Simulator - HPS) é um recurso científico e tecnológico de Engenharia Biomédica com soluções de hardware e software que simulam a fisiologia humana. O objetivo é avaliar um caso de uso da simulação clínica com a aplicação do HPS no procedimento de mensuração da pressão arterial (PA) com esfigmomanômetro aneróide e estetoscópio. A pesquisa foi aprovada pelo comitê de ética no parecer 1.544.404/2016. A parte prática do trabalho foi realizada no Laboratório de Simulação de UTI do IFRR. A pesquisa envolveu trinta e três voluntários, estudantes do Curso Técnico em Enfermagem, divididos aleatoriamente em dois grupos. A metodologia proposta utilizou uma pesquisa exploratório-descritiva para extrair dados quantitativos, qualitativos e estatísticos para comparar os resultados de mensuração da PA do Grupo Experimental (GE) com o Grupo Controle (GC). A pesquisa foi desenvolvida em duas partes. Na parte I, um questionário pré-teste foi aplicado inicialmente, experimento de mensuração da PA seguindo o procedimento do respectivo grupo; e o questionário pós-teste. Na parte II, os grupos foram invertidos e submetidos às mesmas etapas da parte I. Coletou-se um total de 599 PAs mensuradas pelos voluntários, sendo 528 PAs do GE e 71 PAs do GC. Com estas PAs foi realizado o teste t de Student ou teste de Wilcoxon com 95% do intervalo de confiança, a depender do teste de linearidade, para comprovar as hipóteses (nula ou alternativa) individualmente e para análise em grupo utiliza o ANOVA ou teste de Kruskal-Wallis possibilitando distinguir quais os voluntários que necessitam de mais treinamento e o respectivo nível da PA. No pós-teste, ao utilizar a escala Likert, os voluntários da pesquisa do GE concordaram em 54% que a metodologia utilizando o HPS fortalece um conhecimento para o desenvolvimento de habilidades clínicas, assim como ser capazes de distinguir sinais normais dos anormais que são propícios para a aprendizagem. Comparando estatisticamente ambos os grupos, o GC destaca que: 53% sabem medir a PA, 13% não sabem medir a PA e 35% das amostras estão inválidas, enquanto o GE apresenta 64% dos voluntários sabem medir a PA, 22% não sabem medir a PA e 14% das amostras estão inválidas. Ademais, os voluntários apresentaram eficácia quando utilizam o HPS. / The Human Patient Simulator (Human Patient Simulator - HPS) is a scientific and technological resource of Biomedical Engineering with hardware and software solutions that simulate human physiology. The objective of this study was to evaluate a case of clinical simulation using an HPS to perform blood pressure (BP) measurement using an aneroid sphygmomanometer and a stethoscope. The research was approved by the ethics committee in the legal opinion 1544.404 / 2016.The practical part of this work was carried out in the ICU Simulation Laboratory of the IFRR. The research involved thirty-three volunteers, who were students of the Nursing Technical Course, randomly divided into two groups. The proposed methodology made use of an exploratory-descriptive research to obtain quantitative, qualitative and statistical data to compare the results of the BP measurement of the Experimental Group (EG) with the Control Group (CG). The research was developed in two parts. In part I, a pre-test questionnaire was initially applied, an experiment of BP measurement following the respective group’s procedure; and a post-test questionnaire. In part II, the groups were inverted and submitted to the same phases of part I. A total of 599 PAs were measured by volunteers, being 528 PAs from the GE and 71 PAs from the GC. With the BP readings, either the Student's t or the Wilcoxon test was performed with a 95% confidence interval, depending on the linearity test, to test the hypotheses (null or alternative) individually, and for the group analysis it was used either the ANOVA or Kruskal's test -Wallis making it possible to distinguish which volunteers need more training and their respective AP level. In the post-test, when the Likert scale was used, there was a 54% agreement among the EG research volunteers that the methodology using the HPS strengthens the knowledge for the development of clinical skills, as well as being able to distinguish normal from abnormal signals that are conducive to learning. Statistically comparing both groups,in the CG: 53% know BP measurement, 13% do not know BP measurement and 35% of the samples are invalid, while in the EG: 64% of the volunteers know BP measurement, 22% do not know how to measure BP and 14% of the samples are invalid. In addition, the volunteers show effectiveness when using the HPS.

Nesta dissertação, uma análise da eficiência energética de transmissão de dados sem fio é efetuada, comparando desde a simples transmissão direta entre dois nós, passando por redes cooperativas, onde múltiplos nós possuem informações independentes para enviar para um destino em comum, chegando aos mais avançados esquemas de cooperação com codificação de rede. O objetivo é verificar os benefícios gerados pela diminuição da taxa de erro (ocasionada pela codificação de rede) e do aumento da ordem de diversidade (proporcionado pela cooperação entre os nós) em termos de diminuição do consumo energético para transmissão de uma mesma quantidade de informação. A análise é realizada considerando desvanecimento em bloco Nakagami-m, de forma que o efeito da presença de linha de visada também possa ser avaliado. Através das equações de probabilidade de outage e de um modelo de hardware, expressões que representam o consumo energético de cada cenário foram obtidas. Além disto, a partir da análise gráfica dos resultados obtidos, foi possível perceber que existe um número ótimo de nós que minimiza o consumo energético da Codificação de Rede Dinâmica Generalizada (GDNC) para uma dada distância. Uma expressão que representa esse número foi obtida, e é a maior contribuição deste trabalho, pois se no projeto da rede sem fio cooperativa conjuntos menores contendo o número ótimo de nós (chamados de clusters de cooperação) forem organizados, o consumo energético da rede será minimizado. Estes resultados também são apresentados e, para as configurações utilizadas, a economia de energia pode ser de até 10x. / In this dissertation, an energy efficiency analysis of wireless systems is performed, comparing several schemes, from the direct transmission between two nodes, going through cooperative networks, where multiple nodes have independent information to send to a common destination, and getting to the most advanced network-coded cooperative systems. It is intended to evaluate the gain generated by the error rate reduction (caused by the network coding) and by the increase in the diversity order (provided by the cooperation between the nodes) in terms of the energy consumption reduction when transmitting the same amount of information. The analysis is performed considering Nakagami-m block fading, so the influence of some line-of-sight is also evaluated. Through the outage probability equations and a hardware model, energy consumption expressions for each scenario were obtained. Furthermore, through the graphical analysis of the numeric results, it was possible to notice that exists an optimal number of nodes that minimizes the energy consumption of the Generalized Dynamic Network Coding (GDNC) scheme for a given distance. An expression that represents this number was also obtained, and is the great contribution of this work, since if in the network project smaller sets containing the optimal number of nodes (called cooperation clusters) are organized, the energy consumption will be minimized. These results are also presented, and for the considered configuration, the energy saving can reach 10x.

O fenômeno de perda de circulação é consequência da perfuração de poços de petróleo e gás em substratos permeáveis e é caracterizado pelo influxo de fluido de perfuração da região anular para a formação. Além dos custos adicionais relacionados com a necessidade constante de reposição do fluido perdido, danos à formação nas adjacências do poço são de ocorrência comum. Uma potencial solução é a adição de materiais de perda de circulação (LCM’s) ao fluido de perfuração para que uma camada de reboco se forme na parede do poço em filtração dinâmica. Neste trabalho, o escoamento bifásico líquido-sólido é simulado numericamente através de uma abordagem de Euler-Lagrange para representar o crescimento do reboco na interface poço-formação. A região anular do poço é idealizada como um canal vertical de seção transversal retangular em contato com um meio poroso anisotrópico, o qual é concebido na escala do poro (heterogêneo) como um arranjo de cilindros alternados. O escoamento particulado é ascendente e eventualmente as partículas, as quais representam o LCM, abandonam o canal adentrando o meio poroso onde pode ocorrer a geração do reboco. A simulação é realizada através do Método de Fase Discreta Densa (DDPM) no qual as equações da fase sólida e fluida são solucionadas separadamente. O Método dos Elementos Discretos (DEM) é empregado para calcular as interações de contato (colisão e atrito). A caracterização do combate à perda de circulação é realizada através da redução da vazão de fuga ao longo do tempo. Resultados mostram o efeito da variação do número de Reynolds no canal (125, 250, 500), da vazão inicial de fuga (5, 10, 20%), do diâmetro das partículas (0,50; 0,75; 1,00 mm), da razão de massa específica partícula-fluido (1,5; 2,5) e da configuração do meio poroso (porosidade, número de cilindros e garganta de poro). A eficiência do reboco na redução da vazão de fuga recai na formação de um plugue de partículas que seja capaz de obturar toda a altura do meio poroso, não permitindo que haja gargantas de poros desobstruídas. Tal aspecto é favorecido pela redução do diâmetro e da razão de massa específica, bem como pelo aumento do Reynolds e da vazão inicial de fuga. / The lost circulation is a consequence of the well drilling in a permeable substrate, being characterized by the drilling fluid influx to the porous formation. Despite the additional costs associated with the need of continuous fluid replacement, another misfortune is the irreversible formation damage due to the fluid invasion, which may reflect negatively throughout the productive life of the well. Therefore, it is of utter importance to make use of preventive and corrective techniques, like the addition of lost circulation materials (LCM) to the drilling fluid. The LCM particles deposit over the porous formation under dynamic filtration and create a mud cake (filter cake) that helps diminishing the fluid invasion flow rate. In this work, the liquid-solid two-phase flow is numerically simulated via an Euler-Lagrange approach to represent the mud cake growth. The well annular region is considered as a vertical channel bounded by an anisotropic porous formation. The porous medium is conceived in the pore-scale as a periodic array of staggered cylinders. The fluid flows upward through the channel carrying the solid particles that mimic the LCM’s. The particles might eventually get into the porous formation and deposit, creating the mud cake. The equations for the fluid flow and for the particles movement are solved separately via the Dense Discrete Phase Model (DDPM). The particle-particle and particle-wall interactions like collision and friction are calculated via the Discrete Element Methods that is coupled to the DDPM. The effectiveness of the lost circulation mitigation is evaluated mainly by the decrease in the fluid invasion flow rate over time. The results demonstrate the influence of the variation of the Reynolds number on the channel (125, 250, 500), the initial fluid invasion flow rate (5, 10, 20%), the particles diameter (0.50, 0.75, 1.00 mm), the particle-fluid specific mass ratio (1.5, 2.5) and the configuration of the porous medium (porosity, number of cylinders and pore throat).