Petróleo Brasileiro S.A. / O presente trabalho aborda o comportamento da planta de processamento primário com alimentação por fluxo em padrão de golfadas. O fluxo no sistema de tubulações é descrito por um modelo de parâmetros concentrados, fornecendo as características principais necessárias para o controle da planta, e a resposta dinâmica desta pode então ser analisada. Usando a estratégia de controle tradicional verifica-se que as oscilações de fluxo são transmitidas para as vazões de saída de líquido e gás, para obter uma vazão de saída mais estável é permitida a flutuação de carga no separador dentro de uma tolerância, isto é possível reduzindo a atuação do controlador e estabelecendo um controle adicional diretamente na válvula de entrada. / The present work addresses the behavior of a primary processing plant subjected to slug flow pattern at its entrance. The flow in a pipeline system is described by a simplified concentrated parameter model, which preserves the main physical features that are important to control the plant. The dynamic response of the plant is then analyzed. Using a standard control strategy for the gas liquid separator, it is seen that the flow oscillations are transmitted to the liquid and gas outlets. In order to obtain a more stable outlet flow, the liquid level in the separator is then allowed to fluctuate within a given range, by reducing the effect of the controller constants, and establishing an additional control directly on the inlet entrance valve.

As tensões residuais influenciam o comportamento mecânico dos metais e ligas. O campo de tensões pode determinar o desempenho do material. Então, torna-se de grande importância o estudo e a determinação das tensões residuais. O método padrão da difração de raios X para medir tensões s residuais (Método sen2ψ ) apresenta limitações na determinação de tensões caracterizadas por alto gradiente. È por isso que o estudo do gradiente de tensão superficial é um dos mais importantes problemas teóricos e experimentais em mecânica, especialmente no caso da análise de tensões superficiais que surgem após vários tipos de tratamentos superficiais, como: processamento por laser e tecnologia de implantação iônica. A simulação computacional e os métodos numéricos nos dão a possibilidade de resolver os problemas da determinação dos parâmetros do gradiente de tensão. Neste trabalho foi desenvolvida e aplicada a modelação e simulação computacional para o estudo do comportamento de materiais na presença de distribuições de tensão caracterizadas por alto gradiente. Foi aplicada a modelagem para diferentes tipos de tensões com gradiente para metais puros e ligas metálicas. Foi determinada uma forma para usar a modelagem no caso de materiais compósitos e são apresentados resultados para o caso do silumínio, mostrando o comportamento similar deste material compósito aos materiais puros como aço e alumínio. Usando a análise de Fourier, foi determinada a função de distorção nos casos de perfis alargados pela existência de gradiente de tensão. Foi determinada também a relação entre as funções de atenuação e de tensão na função de distorção e são apresentados resultados para diferentes tipos de distribuições de tensão. Ademais, foi desenvolvida uma metodologia para a determinação dos parâmetros do gradiente de tensão usando a simulação computacional das linhas de difração desenvolvida neste trabalho. A metodologia desenvolvida é baseada na simulação dos perfis de difração distorcidos pelo gradiente de tensão superficial e na análise destas distorções. Das metodologias desenvolvidas para a determinação de distribuições de tensões para o caso de gradiente, a que usa transformada de Fourier é matematicamente correta, porem apresenta dificuldades na determinação das funções de gradiente para casos de distribuições muito complexas e na determinação dos relacionamentos das escalas das funções envolvidas no processo de deconvolução. A alta complexidade deste método e os problemas numéricos que acarreta nos levam a propor a metodologia desenvolvida usando as larguras integrais dos perfis de difração para a determinação aproximada da função de distribuição de tensões. Esta metodologia é de simples aplicação e a sua precisão dependerá da quantidade de dados determinados na simulação direta para a obtenção dos gráficos de calibração. / The residual stress influences the mechanical behavior of metals and alloys. The stress field can determine the material performance. Then, become of great importance the study and determination of residual stress field. The standard X-ray diffraction method for residual stress measurement ent ( sen2ψ Method) presents limitations in the strong stress gradient determination. For that reason, the superficial stress gradient determination is one of the most important theoretical and experimental problem in engineering, especially in the analysis of the stress gradients due to surfaces treatments as laser or ionic implantation. The computational simulation and numerical methods give us the possibility of solve this problems. In this work is developed and applied two methods of modeling and simulation for the study of the material behavior with strong stress gradient. Is applied this modeling technique for different stress distribution in pure metals and metallic alloys. Is established a methodology for the composite material cases and is presents the results for the case of siluminium, showing that the behavior is similar to the other metals testing as steel and aluminum. Also, using Fourier analysis is determined the distortion function for the broadened profiles in the presence of stress gradient. In this work is shown the relation between the attenuation and stress distribution functions in the distortion. Is shown, results for several stress distribution functions. Moreover, is developed a methodology for the determination of stress gradient parameters using the computational simulation of the diffraction lines also developed in this work. The methodology is based in the simulation of the profiles broadened by stress gradient and the analysis of these distortions. Of the developed methodologies for the determination of stress distribution functions for the gradient case, the one that uses Fourier analysis is mathematically correct, but presents difficulties in the determination of the gradient functions for cases of complex stress distributions and in the scales determination of the functions involved in the deconvolution process. The high complexity of this method and the numeric problems that it carries leaves as, to propose the use of the developed methodology using the integral breath of the diffraction profiles for the approximate determination of the stress distribution function. The methodology application is simple and its accuracy will depend on the amount of data determined in the direct simulation to obtain the calibration graphics.

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Nessa tese foi feito um estudo preliminar, destinado à elaboração do programa experimental inicial para a primeira instalação da tomografia com prótons (pCT) brasileira por meio de modelagem computacional. A terapia com feixe de prótons é uma forma bastante precisa de tratamento de câncer. Atualmente, o planejamento de tratamento é baseado na tomografia computadorizada com raios X, alternativamente, a tomografia com prótons pode ser usada. Algumas questões importantes, como efeito de escala e a Curva de Calibração (fonte de dados iniciais para planejamento de terapia com prótons), foram estudados neste trabalho. A passagem de prótons com energias iniciais de 19,68MeV; 23MeV; 25MeV; 49,10MeV e 230MeV pelas camadas de materiais variados (água, alumínio, polietileno, ouro) foi simulada usando códigos Monte Carlo populares como SRIM e GEANT4. Os resultados das simulações foram comparados com a previsão teórica (baseada na solução aproximada da equação de transporte de Boltzmann) e com resultados das simulações feitas com outro popular código Monte Carlo MCNPX. Análise comparativa dos resultados das simulações com dados experimentais publicados na literatura científica para alvos grossos e na faixa de energias de prótons usada em medidas em pCT foi feita. Foi observado que apesar de que todos os códigos mostram os resultados parecidos alguns deslocamentos não sistemáticos podem ser observados. Foram feitas observações importantes sobre a precisão dos códigos e uma necessidade em medidas sistemáticas de frenagem de prótons em alvos grossos foi declarada. / In the present work a preliminary research via computer simulations was made in order to elaborate a prior program for the first experimental pCT setup in Brazil. Proton therapy is a high precise form of a cancer treatment. Treatment planning nowadays is performed basing on X ray Computer Tomography data (CT), alternatively the same procedure could be performed using proton Computer Tomography (pCT). Some important questions, as a scale effect and so called Calibration Curve (as a source of primary data for pCT treatment planning) were studied in this work. The 19.68MeV; 23MeV; 25MeV; 49.10MeV e 230MeV protons passage through varied absorbers (water, aluminum, polyethylene, gold) were simulated by such popular Monte Carlo packages as SRIM and GEANT4. The simulation results were compared with a theoretic prevision based on approximate solution of the Boltzmann transport equation and with simulation results of the other popular Monte Carlo code MCNPX. The comparative analysis of the simulations results with the experimental data published in scientific literature for thick absorbers and within the energy range used in the pCT measurements was made. It was noted in spite of the fact that all codes showed similar results some nonsystematic displacements can be observed. Some important observations about the codes precision were made and a necessity of the systematic measurements of the proton stopping power in thick absorbers was declared.

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Nesta dissertação é apresentado um estudo sobre a recuperação de sinais modelados por somas ponderadas de exponenciais complexas. Para tal, são introduzidos conceitos elementares em teoria de sinais e sistemas, em particular, os sistemas lineares invariantes no tempo, SLITs, que podem ser representados matematicamente por equações diferenciais, ou equações de diferenças, para sinais analógicos ou digitais, respectivamente. Equações deste tipo apresentam como solução somas ponderadas de exponenciais complexas, e assim fica estabelecida a relação entre os sistemas de tipo SLIT e o modelo em estudo. Além disso, são apresentadas duas combinações de métodos utilizadas na recuperação dos parâmetros dos sinais: métodos de Prony e mínimos quadrados, e métodos de Kung e mínimos quadrados, onde os métodos de Prony e Kung recuperam os expoentes das exponenciais e o método dos mínimos quadrados recupera os coeficientes lineares do modelo. Finalmente, são realizadas cinco simulações de recuperação de sinais, sendo a última, uma aplicação na área de modelos de qualidade de água. / A study on the recovery of signals modeled by weighted sums of complex exponentials complex is presented. For this, basic concepts of signals and systems theory are introduced. In particular, the linear time invariant systems (LTI Systems) are considered, which can be mathematically represented by differential equations or difference equations, respectively, for analog or digital signals. The solution of these types of equations is given by a weighted sum of complex exponentials, so the relationship between the LTI Systems and the model of study is established. Furthermore, two combinations of methods are used to recover the parameters of the signals: Prony and least squares methods, and Kung and least squares methods, where Prony and Kung methods are used to recover the exponents of the exponentials and the least square method is used to recover the linear coefficients of the model. Finally, five simulations are performed for the recovery of signals, the last one being an application in the area of water quality models.

Nesse trabalho, foi desenvolvido um simulador numérico (C/C++) para a resolução de escoamentos de fluidos newtonianos incompressíveis, baseado no método de partículas Lagrangiano, livre de malhas, Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). Tradicionalmente, duas estratégias são utilizadas na determinação do campo de pressões de forma a garantir-se a condição de incompressibilidade do fluido. A primeira delas é a formulação chamada Weak Compressible Smoothed Particle Hydrodynamics (WCSPH), onde uma equação de estado para um fluido quase-incompressível é utilizada na determinação do campo de pressões. A segunda, emprega o Método da Projeção e o campo de pressões é obtido mediante a resolução de uma equação de Poisson. No estudo aqui desenvolvido, propõe-se três métodos iterativos, baseados noMétodo da Projeção, para o cálculo do campo de pressões, Incompressible Smoothed Particle Hydrodynamics (ISPH). A fim de validar os métodos iterativos e o código computacional, foram simulados dois problemas unidimensionais: os escoamentos de Couette entre duas placas planas paralelas infinitas e de Poiseuille em um duto infinito e foram usadas condições de contorno do tipo periódicas e partículas fantasmas. Um problema bidimensional, o escoamento no interior de uma cavidade com a parede superior posta em movimento, também foi considerado. Na resolução deste problema foi utilizado o reposicionamento periódico de partículas e partículas fantasmas. / In this work, we have developed a numerical simulator (C/C++) to solve incompressible Newtonian fluid flows, based on the meshfree Lagrangian Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) Method. Traditionally, two methods have been used to determine the pressure field to ensure the incompressibility of the fluid flow. The first is calledWeak Compressible Smoothed Particle Hydrodynamics (WCSPH) Method, in which an equation of state for a quasi-incompressible fluid is used to determine the pressure field. The second employs the Projection Method and the pressure field is obtained by solving a Poissons equation. In the study developed here, we have proposed three iterative methods based on the Projection Method to calculate the pressure field, Incompressible Smoothed Particle Hydrodynamics (ISPH) Method. In order to validate the iterative methods and the computational code we have simulated two one-dimensional problems: the Couette flow between two infinite parallel flat plates and the Poiseuille flow in a infinite duct, and periodic boundary conditions and ghost particles have been used. A two-dimensional problem, the lid-driven cavity flow, has also been considered. In solving this problem we have used a periodic repositioning technique and ghost particles.

Diversas aplicações industriais relevantes envolvem os processos de adsorção, citando como exemplos a purificação de produtos, separação de substâncias, controle de poluição e umidade entre outros. O interesse crescente pelos processos de purificação de biomoléculas deve-se principalmente ao desenvolvimento da biotecnologia e à demanda das indústrias farmacêutica e química por produtos com alto grau de pureza. O leito móvel simulado (LMS) é um processo cromatográfico contínuo que tem sido aplicado para simular o movimento do leito de adsorvente, de forma contracorrente ao movimento do líquido, através da troca periódica das posições das correntes de entrada e saída, sendo operado de forma contínua, sem prejuízo da pureza das correntes de saída. Esta consiste no extrato, rico no componente mais fortemente adsorvido, e no rafinado, rico no componente mais fracamente adsorvido, sendo o processo particularmente adequado a separações binárias. O objetivo desta tese é estudar e avaliar diferentes abordagens utilizando métodos estocásticos de otimização para o problema inverso dos fenômenos envolvidos no processo de separação em LMS. Foram utilizados modelos discretos com diferentes abordagens de transferência de massa, com a vantagem da utilização de um grande número de pratos teóricos em uma coluna de comprimento moderado, neste processo a separação cresce à medida que os solutos fluem através do leito, isto é, ao maior número de vezes que as moléculas interagem entre a fase móvel e a fase estacionária alcançando assim o equilíbrio. A modelagem e a simulação verificadas nestas abordagens permitiram a avaliação e a identificação das principais características de uma unidade de separação do LMS. A aplicação em estudo refere-se à simulação de processos de separação do Baclofen e da Cetamina. Estes compostos foram escolhidos por estarem bem caracterizados na literatura, estando disponíveis em estudos de cinética e de equilíbrio de adsorção nos resultados experimentais. De posse de resultados experimentais avaliou-se o comportamento do problema direto e inverso de uma unidade de separação LMS visando comparar os resultados obtidos com os experimentais, sempre se baseando em critérios de eficiência de separação entre as fases móvel e estacionária. Os métodos estudados foram o GA (Genetic Algorithm) e o PCA (Particle Collision Algorithm) e também foi feita uma hibridização entre o GA e o PCA. Como resultado desta tese analisouse e comparou-se os métodos de otimização em diferentes aspectos relacionados com o mecanismo cinético de transferência de massa por adsorção e dessorção entre as fases sólidas do adsorvente. / Several important industrial applications involving adsorption processes, citing as an example the product purification, separation of substances, pollution control and moisture among others. The growing interest in processes of purification of biomolecules is mainly due to the development of biotechnology and the demand of pharmaceutical and chemical products with high purity. The simulated moving bed (SMB) chromatography is a continuous process that has been applied to simulate the movement of the adsorbent bed, in a countercurrent to the movement of liquid through the periodic exchange of the positions of input and output currents, being operated so continuous, notwithstanding the purity of the outlet streams. This is the extract, rich in the more strongly adsorbed component, and the raffinate, rich in the more weakly adsorbed component, the method being particularly suited to binary separations. The aim of this thesis is to study and evaluate different approaches using stochastic optimization methods for the inverse problem of the phenomena involved in the separation process in LMS. We used discrete models with different approaches to mass transfer. With the benefit of using a large number of theoretical plates in a column of moderate length, in this process the separation increases as the solute flowing through the bed, i.e. as many times as molecules interact between the mobile phase and stationary phase thus achieving the equilibrium. The modeling and simulation verified in these approaches allowed the assessment and identification of the main characteristics of a separation unit LMS. The application under consideration refers to the simulation of the separation of Ketamine and Baclofen. These compounds were chosen because they are well characterized in the literature and are available in kinetic studies and equilibrium adsorption on experimental results. With the results of experiments evaluated the behavior of the direct and inverse problem of a separation unit LMS in order to compare these results, always based on the criteria of separation efficiency between the mobile and stationary phases. The methods studied were the GA (Genetic Algorithm) and PCA (Particle Collision Algorithm) and we also made a hybridization between the GA and PCA. This thesis, we analyzed and compared the optimization methods in different aspects of the kinetic mechanism for mass transfer between the adsorption and desorption of the adsorbent solid phases.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Neste trabalho é apresentado um novo método acurado com passo de tempo fracionário, baseado em uma técnica de decomposição de operadores, para a solução numérica de um sistema governante de equações diferenciais parciais que modela escoamento trifásico água-gás-óleo imiscível em reservatórios de petróleo heterogêneos no qual os efeitos de compressibilidade do gás não foram levados em conta. A técnica de decomposição de operadores em dois níveis permite o uso de passos de tempo distintos para os três problemas definidos pelo procedimento de decomposição: convecção, difusão e pressão-velocidade. Um sistema hiperbólico de leis de conservação que modela o transporte convectivo das fases fluidas é aproximado por um esquema central de diferenças finitas explícito, conservativo, não oscilatório e de segunda ordem. Este esquema é combinado com elementos finitos mistos, localmente conservativos, para a aproximação numérica dos sistemas de equações parabólico e elíptico associados aos problemas de transporte difusivo e de pressão-velocidade, respectivamente. O operador temporal associado ao sistema parabólico é resolvido fazendo-se uso de uma estratégia implícita de solução (Backward Euler). O modelo matemático para escoamento trifásico considerado neste trabalho leva em conta as forças de capilaridade e expressões gerais para as funções de permeabilidade relativa, campos variáveis de porosidade e de permeabilidade e os efeitos da gravidade. A escolha de expressões gerais para as funções de permeabilidade relativa pode levar à perda de hiperbolicidade escrita e, desta maneira, à existência de uma região elíptica ou de pontos umbílicos para o sistema não linear de leis de conservação hiperbólicas que descreve o transporte convectivo das fases fluidas. Como consequência, a perda de hiperbolicidade pode levar à existência de choques não clássicos (também chamados de choques transicionais ou choques subcompressivos) nas soluções de escoamentos trifásicos. O novo procedimento numérico foi usado para investigar a existência e a estabilidade de choques não clássicos, com respeito ao fenômeno de fingering viscoso, em problemas de escoamentos trifásicos bidimensionais em reservatórios heterogêneos, estendendo deste modo resultados disponíveis na literatura para problemas de escoamentos trifásicos unidimensionais. Experimentos numéricos, incluindo o estudo de estratégias de injeção alternada de água e gás (Water-Alternating-Gas (WAG)), indicam que o novo procedimento numérico proposto conduz com eficiência computacional a resultados numéricos com precisão. Perspectivas para trabalhos de pesquisa futuros são também discutidas, tomando como base os desenvolvimentos reportados nesta tese. / We present a new, accurate fractional time-step method based on an operator splitting technique for the numerical solution of a system of partial differential equations modeling three-phase immiscible water-gas-oil flow problems in heterogeneous petroleum reservoirs in which the compressibility effects of the gas was not take into account. A two-level operator splitting technique allows for the use of distinct time steps for the three problems defined by the splitting procedure: convection, diffusion and pressure-velocity. A system of hyperbolic conservation laws modelling the convective transport of the fluid phases is approximated by a high resolution, nonoscillatory, second-order, conservative central difference scheme in the convection step. This scheme is combined with locally conservative mixed finite elements for the numerical solution of the parabolic and elliptic problems associated with the diffusive transport of fluid phases and the pressure-velocity problem, respectively. The time discretization of the parabolic problem is performed by means of the implicit backward Euler method. The mathematical model for the three-phase flow considered in this work takes into account capillary forces and general expressions for the relative permeability functions, variable porosity and permeability fields, and the effect of gravity. The choice of general expressions for the relative permeability functions may lead to the loss of strict hyperbolicity and, therefore, to the existence of an elliptic region of umbilic points for the systems of nonlinear hyperbolic conservation laws describing the convective transport of the fluid phases. As a consequence, the loss of hyperbolicity may lead to the existence of nonclassical shocks (also called transitional shocks or undercompressive shocks) in three-phase flow solutions. The numerical procedure was used in an investigation of the existence and stability of nonclassical shocks with respect to viscous fingering in heterogeneous two-dimensional flows, thereby extending previous results for one-dimensional three-phase flow available in the literature. Numerical experiments, including the study of Water-Alternating-Gas (WAG) injection strategies, indicate that the proposed new numerical procedure leads to computational efficiency and accurate numerical results. Directions for further research are also discussed, based on the developments reported in this thesis.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Neste trabalho é apresentado um novo método acurado com passo de tempo fracionário, baseado em uma técnica de decomposição de operadores, para a solução numérica de um sistema governante de equações diferenciais parciais que modela escoamento trifásico água-gás-óleo imiscível em reservatórios de petróleo heterogêneos no qual os efeitos de compressibilidade do gás não foram levados em conta. A técnica de decomposição de operadores em dois níveis permite o uso de passos de tempo distintos para os três problemas definidos pelo procedimento de decomposição: convecção, difusão e pressão-velocidade. Um sistema hiperbólico de leis de conservação que modela o transporte convectivo das fases fluidas é aproximado por um esquema central de diferenças finitas explícito, conservativo, não oscilatório e de segunda ordem. Este esquema é combinado com elementos finitos mistos, localmente conservativos, para a aproximação numérica dos sistemas de equações parabólico e elíptico associados aos problemas de transporte difusivo e de pressão-velocidade, respectivamente. O operador temporal associado ao sistema parabólico é resolvido fazendo-se uso de uma estratégia implícita de solução (Backward Euler). O modelo matemático para escoamento trifásico considerado neste trabalho leva em conta as forças de capilaridade e expressões gerais para as funções de permeabilidade relativa, campos variáveis de porosidade e de permeabilidade e os efeitos da gravidade. A escolha de expressões gerais para as funções de permeabilidade relativa pode levar à perda de hiperbolicidade escrita e, desta maneira, à existência de uma região elíptica ou de pontos umbílicos para o sistema não linear de leis de conservação hiperbólicas que descreve o transporte convectivo das fases fluidas. Como consequência, a perda de hiperbolicidade pode levar à existência de choques não clássicos (também chamados de choques transicionais ou choques subcompressivos) nas soluções de escoamentos trifásicos. O novo procedimento numérico foi usado para investigar a existência e a estabilidade de choques não clássicos, com respeito ao fenômeno de fingering viscoso, em problemas de escoamentos trifásicos bidimensionais em reservatórios heterogêneos, estendendo deste modo resultados disponíveis na literatura para problemas de escoamentos trifásicos unidimensionais. Experimentos numéricos, incluindo o estudo de estratégias de injeção alternada de água e gás (Water-Alternating-Gas (WAG)), indicam que o novo procedimento numérico proposto conduz com eficiência computacional a resultados numéricos com precisão. Perspectivas para trabalhos de pesquisa futuros são também discutidas, tomando como base os desenvolvimentos reportados nesta tese. / We present a new, accurate fractional time-step method based on an operator splitting technique for the numerical solution of a system of partial differential equations modeling three-phase immiscible water-gas-oil flow problems in heterogeneous petroleum reservoirs in which the compressibility effects of the gas was not take into account. A two-level operator splitting technique allows for the use of distinct time steps for the three problems defined by the splitting procedure: convection, diffusion and pressure-velocity. A system of hyperbolic conservation laws modelling the convective transport of the fluid phases is approximated by a high resolution, nonoscillatory, second-order, conservative central difference scheme in the convection step. This scheme is combined with locally conservative mixed finite elements for the numerical solution of the parabolic and elliptic problems associated with the diffusive transport of fluid phases and the pressure-velocity problem, respectively. The time discretization of the parabolic problem is performed by means of the implicit backward Euler method. The mathematical model for the three-phase flow considered in this work takes into account capillary forces and general expressions for the relative permeability functions, variable porosity and permeability fields, and the effect of gravity. The choice of general expressions for the relative permeability functions may lead to the loss of strict hyperbolicity and, therefore, to the existence of an elliptic region of umbilic points for the systems of nonlinear hyperbolic conservation laws describing the convective transport of the fluid phases. As a consequence, the loss of hyperbolicity may lead to the existence of nonclassical shocks (also called transitional shocks or undercompressive shocks) in three-phase flow solutions. The numerical procedure was used in an investigation of the existence and stability of nonclassical shocks with respect to viscous fingering in heterogeneous two-dimensional flows, thereby extending previous results for one-dimensional three-phase flow available in the literature. Numerical experiments, including the study of Water-Alternating-Gas (WAG) injection strategies, indicate that the proposed new numerical procedure leads to computational efficiency and accurate numerical results. Directions for further research are also discussed, based on the developments reported in this thesis.