O Brasil vive um período de crises econômica e financeira que ecoa também no setor energético e que aumenta a importância de se agregar novas usinas de geração ao sistema energético. O acréscimo de novas usinas hidrelétricas e termelétricas, entre outras fontes de energia, além da repotenciação e/ou recapacitação de usinas já em operação ou que não tenham entrado em operação, sempre contribuirá para garantir o atendimento da demanda de consumidores e para reduzir o risco de desabastecimento de energia. Nesse sentido, este trabalho pretende contribuir, apresentando um estudo de pré- viabilidade para implementação de um sistema híbrido hidrelétrico fotovoltaico na barragem de Laranjeiras, com painéis fotovoltaicos sobre o espelho d’água. Essa barragem foi construída nos anos 60 e está localizada logo a jusante da barragem de Canastra, no município de Três Coroas, no Estado do Rio Grande do Sul. O estudo foi realizado com recurso ao software HOMER (Hybrid Optimization Model for Electric Renewable), o qual exportou na homepage da NASA (National Aeronautics and Space Administration), 8 760 valores horários anuais de radiação solar para a cidade de Três Coroas, e a potência a ser gerada pela hidrelétrica foi determinada a partir de 8 760 dados horários anuais de vazão turbinada de Canastra, os quais foram disponibilizados pela CEEE (Companhia Estadual de Energia Elétrica). Estruturalmente, o trabalho é composto por três artigos, onde o primeiro faz uma revisão de trabalhos recentes sobre o uso de painéis fotovoltaicos sobre estruturas flutuantes em sistemas híbridos hidrelétricos fotovoltaicos, e os dois últimos apresentam os resultados das simulações com HOMER considerando o funcionamento da usina a fio d’água e com reservatório, respetivamente. O estudo determinou ser ótimo o funcionamento do sistema híbrido, mediante a instalação de uma micro usina hidrelétrica ao pé da barragem, com 1 497 kW de capacidade instalada, operando com painéis fotovoltaicos sobre o espelho d'água da barragem, com 180 kW de capacidade instalada, com limite de potência para compra e venda da rede igual a 400 kW, para atender a demanda das cargas consumidoras até 40 MWh/d. Essa combinação resultaria em um custo inicial de 3 984 885 US$/kW e um custo de energia de 0,026 US$/kWh. E visando otimizar o sistema de geração de energia elétrica, foi simulado e tendo sido determinado ser viável o funcionamento da usina com reservatório, com uma vazão média de 9 171 L/s, operando com um sistema fotovoltaico de 360 kW, e um limite de potência para compra e venda da rede igual a 200 kW, para atender demandas de cargas consumidoras até 40 MWh/d. Essa combinação resultaria em um custo inicial de 3 285 617 US$/kW e um custo de energia de 0,021 US$/kWh.

A simulação numérica de escoamento tem se desenvolvido em diferentes aspectos para melhorar sua exatidão e se aproximar cada vez mais da representação de fenômenos reais. O desenvolvimento científico sobre escoamentos turbulentos multifásicos dependem da simulação numérica, onde o custo computacional destas ainda é um fator determinante, principalmente quando se visa resultados mais precisos. Uma das grandes dificuldades é que códigos numéricos de alta ordem, utilizados para simular escoamentos bifásicos, produzem erros de dispersão numérica presentes principalmente na interface, já que nesta posição se apresenta uma descontinuidade nas propriedades físicas dos fluidos envolvidos. O presente trabalho tem o objetivo de propor uma formulação de alta precisão para escoamentos bifásicos. Para isso, realiza-se modificações em um código já existente, denominado Incompact3d que possui a possibilidade de paralelização para até 100:000 núcleos computacionais, utilizando uma decomposição 2D. Entre estas modificações destacam-se a implementação de uma nova formulação do método Level Set, além de pequenas modificações nas equações de Navier-Stokes, como a adição do termo de gravidade, a segregação do termo de difusividade e a adição de um termo referente a força de tensão superficial. Ainda propõem-se uma nova consideração do termo de pressão, que é separado em pressão não hidrostática e pressão hidrostática. Diversos testes de verificação e validação foram realizados, apresentando a capacidade de se realizar simulações numéricas de alta ordem para escoamentos bifásicos. Com esta metodologia, foi identificar características de fenômenos turbulentos bifásicos. / Flow numerical simulation has been developed in di erent ways to improve its results accuracy and have a better approximation to real phenomenon. To scientific development turbulent two-phase flow depends of numerical simulation, where computational cost is an important factor, mainly when accurate results are required. High order two-phase flow codes issue is that they produce numerical dispersion errors that are amplified with the presence of interface, since in its position exist physical proprieties discontinuity. This research main objective is to propose a high precision formulation to two-phase flow. For that, we modified Incompact3d code that has a 2D decomposition making parallelized calculation up to 100:000 computational cores. Some modifications are the implementation of a new Level Set Method formulation; some minor Navier-Stokes equation modifications as the addition of gravity term; the segregation of di usive term; and the addition of surface tension forces. We also proposed a new pressure term consideration where we separate it in hydrostatic and non-hydrostatic pressure. Many verification and validation tests where developed presenting the ability to perform high order numerical simulations for two-phase flows. Also it was possible to identify multiphase turbulent structures in the phenomena simulated.

Correntes de densidade são fluxos gravitacionais gerados pela diferença de densidade entre dois fluidos. Correntes de turbidez fazem parte de uma sub-classificação das correntes de densidade, na qual o fluido mais denso tem, na sua composição, partículas em suspensão. Muitos trabalhos numéricos já estudaram a dinâmica das correntes de turbidez, mas, nenhum dos encontrados aplicou mudanças de relevo concomitantes com a simulação, causadas pela sedimentação das próprias partículas da corrente e nem alterou o relevo após a passagem de cada evento em um domínio tridimensional. O presente trabalho pretende analisar a alteração no relevo de fundo causada por uma corrente de turbidez. No código Incompact3d, as equações de Navier-Stokes, Continuidade e Transporte e Difusão são resolvidas em uma malha cartesiana tridimensional. A condição inicial adotada é a de Lock-Exchange. As simulações realizadas utilizaram Simulação Numérica Direta (DNS). O código utiliza um esquema compacto centrado de sexta ordem, em diferenças finitas, para o esquema espacial, e Adams-Bashfort de terceira ordem para o esquema temporal. A validação do código foi realizada comparando-se com trabalhos experimental e numéricos. A análise das diferentes proporções granulométricas mostrou que quanto maior é a quantidade de material grosso na condição inicial, maior será seu depósito para um dado tempo. Em consequência, mais relevante se torna a consideração da alteração do relevo de fundo. Além disso, quanto maior o fator de compactação do sedimento, maior será o erro de não considerar a atualização de fundo. Os resultados também apontaram que os erros médios ao não considerar a atualização do fundo são da ordem de 4% da massa de depósito em 20 tempos adimensionais, para os parâmetros utilizados. Ao se propagar uma corrente de turbidez sobre o depósito de outra, os erros se mostram menores. / Gravity currents are gravitational fluxes triggered by density di erence between two fluids. A sub-classification of those are turbidity currents, in which the denser fluid is composed by the lighter fluid plus suspended particles. Many papers had shown turbidity currents dynamics, although none of the papers found had applied changes in the simulated topography due to deposit during the own simulation, neither they had altered a 3D domain topography after each flux, applying the changes caused by the previous current. The present dissertation aims to analyse the turbidity current dynamics alteration caused by the influence of its own deposit, altering the topography during the very simulation. The analysis is conducted in a polidispersed turbidity current. The Incompact3d code solves Navier-Stokes, continuity and transport-di usion equation, in a tridimensional cartesian mesh. Lock-exchange was chosen to be the initial condition. Direct Numerical Simulations (DNS) are performed. Sixth order compact finite-di erence schemes are used on the spatial domain, while third order Adams-Bashfort is applied for the temporal evaluation. Comparisons with numerical and experimental papers were performed for code verification. Results showed the coarser the particles on the starting lock-exchange, the higher its deposit is, and the more the terrain will be altered. Nevertheless, the bigger the compacting factor, the bigger the error of not considering bathymetry alteration. Results also point that the average errors of not considering the update are in order of 4% on the mass deposit, after 20 dimensionless times, for the used parameters. When a current propagates over the deposit of a previous one, these errors are smaller.

Os dispositivos oscilantes por translação de ondas correspondem a um dos sistemas de maior potencial de geração de energia elétrica a partir das ondas do oceano, razão pela qual diversos engenheiros e pesquisadores dedicam-se ao desenvolvimento e aperfeiçoamento desta tecnologia. O princípio de funcionamento destes conversores, cujos principais exemplos são o Oyster, o Waveroller e o Langlee, baseia-se no movimento oscilatório de um sistema placapistão, que promove a geração de eletricidade por meio de uma turbina. Os trabalhos existentes acerca destes dispositivos ainda não reúnem informações suficientes que possibilitem a estimativa do comportamento hidrodinâmico e da captação de energia dos mesmos em situações reais de funcionamento. Desta forma, o presente trabalho busca preencher estas lacunas por meio de modelagem numérica bidimensional, baseada em médias de Reynolds (RANS), de ondas regulares atuando sobre os respectivos dispositivos. As simulações são realizadas pelo código computacional livre e aberto OpenFOAM v 4.1 e sua extensão OLAFOAM, ambos fundamentados em volumes finitos e que utilizam a metodologia VOF para o tratamento da superfície livre, solucionando as equações de Navier-Stokes e da continuidade. A representação da dinâmica de corpo rígido dos dispositivos é tratada por uma metodologia que permite a deformação dos elementos de malha e o movimento do fundo do domínio, que oscila juntamente com as placas dos conversores no intuito de assegurar a convergência numérica. Tal metodologia é validada com base na comparação dos resultados numéricos com valores experimentais presentes na literatura. As simulações realizadas permitiram concluir que o método de fundo deformável se mostra adequado no estudo da hidrodinâmica e captação de energia destes conversores, sendo uma alternativa a outras metodologias existentes. Um aumento na largura das placas destes conversores relaciona-se a uma intensificação das velocidades angulares e numa maior captação de energia, sendo a largura ideal de placa aquela cuja dimensão é próxima a duas vezes a sua altura. Um aumento na espessura das placas ocasiona uma diminuição na oscilação e na captação energética dos dispositivos, sendo a espessura ideal com dimensão entre 10 % e 20 % da altura da placa. A captação de energia tende a diminuir com o aumento da profundidade, sendo que, para lâminas de água superiores a duas vezes a altura da placa do conversor, a influência da profundidade torna-se pouco significativa. O aumento do período de onda é responsável por intensificar a ação do campo de velocidades nas regiões próximas ao conversor, sendo o período de máxima captação de energia em torno de 11 s em escala real. Maiores alturas de onda são responsáveis por intensificar o movimento e a captação de energia dos conversores. / The oscillating wave surge converters represents one of the most effective systems to transform the energy of ocean waves into electric power, reason why many researchers and engineers are dedicated to the development and improvement of this technology. The main examples of those kind of converters are Oyster, Waveroller and Langlee, which energy production is related to a oscillating plate-piston mechanism, that drives a secondary hydraulic system, moving a turbine and generating electricity. Recent papers about this technology does not bring enough information to predict the hydrodynamic and the power capture in real operation cases. In order to fulfill those gaps, the present study is focused on bidimensional numerical modelling of regular ocean waves interaction over the converters, based on Reynolds Average Navier Stokes equations (RANS). The numerical simulations are performed by the opensource code OpenFOAM v 4.1 and its extension OLAFOAM, both based on finite volume discretization and VOF method for free surface representation, which solves the Navier-Stokes and continuity equations. The rigid body dynamics is represented by a methodology that uses the mesh morphing method combined with an oscillating bottom, which moves according to the plate movement, in order to ensure numerical convergence. The present method is validated by the comparison of the numerical model results with previous experimental studies. The numerical results led to the conclusion that the oscillating bottom method seems to be adequate to perform a study based on the hydrodynamic and power capture of the oscillating wave surge converters, representing an alternative method to modelling the dynamic of those devices. An increase in plate width are related to an increase on the device oscillation and its power capture. The ideal width is approximately twice the plate height. Thicker plates causes lower angular velocities, as a result, lower electric generation. The more efficient thickness is around 10 % to 20 % of plate height. The power capture decreases according to an increase on water depth, and the depths with values around twice of the plate height does not seem to modify the device hydrodynamics. Higher wave periods causes an intensification of the velocity field near the converter. The pitching period, which is related to the maximum power captured, is near to 11 s in real scale. The highest wave heights are responsible to increase the converter oscillation and electricity generation.

Problemas de resfriamento de circuitos, presentes nas indústrias de eletrônicos e miniaturizados, têm sido amplamente estudados com o propósito de desenvolver mecanismos capazes de reduzirem a taxa de falha nos equipamentos devido às altas temperaturas. O presente trabalho utiliza o método Design Construtal associado com algoritmos de otimização, busca exaustiva e algoritmo genético, para realizar o estudo numérico de corpos sólidos com geração de calor uniforme onde são inseridos caminhos altamente condutivos em forma de “Y”, “Y-Y”, duplo “Y-Y” e “T”. O objetivo principal das otimizações realizadas consiste em minimizar a resistência ao fluxo de calor, quando as áreas ocupadas pelos materiais de alta e baixa condutividades são mantidas constantes, variando-se os comprimentos e espessuras dos caminhos condutivos. Para a solução numérica da equação da difusão do calor com as condições de contorno estabelecidas em cada caso, foi utilizado o PDETool do software MatLab. A formulação para o caminho condutivo em forma de “Y” apresenta a construção de volumes elementares, mantendo a mesma condutividade térmica para todo o caminho condutivo. Na configuração em forma de duplo “Y – Y” foi utilizado o método de busca exaustiva associado ao algoritmo genético (GA). Nas simulações realizadas com o caminho condutivo em forma de “T”, a configuração apresenta combinações de condutividade térmica diferentes para a base e para a parte superior, enfatizando que a geometria depende das condições impostas pelo ambiente. Para o caso com um volume elementar, a configuração em forma de “Y” degenera-se gerando um caminho condutivo em forma de “U” e com dois volumes, a variação ocorre no comprimento dos ramos do caminho condutivo. Para a configuração com quatro volumes, a configuração ótima tem a forma de “X”. No caso do caminho em forma de “T”, a configuração que minimiza a máxima temperatura em excesso tem a forma de um “I”. Como previsto no princípio da ótima distribuição das imperfeições, a geometria ótima para os casos estudados é aquela que melhor distribui as imperfeições do sistema. / Problems that embody cooling of circuits that appears in electronics and miniaturized industries, have been widely studied to develop mechanisms capable of reducing the failure rate of the equipment due to high temperatures. The present work applies the Constructal Design method associated with optimization algorithms, exhaustive search and genetic algorithm, to perform the numerical study of solid bodies with uniform heat generation in which are inserted high-conducting pathways with “Y”, “Y–Y”, double “Y–Y” and “T” shapes. The main goal of the performed optimizations consists in minimizing the resistance to the heat flux when the occupied areas of high and low conductivity materials are maintained constant, varying the lengths and thickness of conductive paths. For the numerical solution of the heat diffusion equation with the boundary conditions established in each case, it was used the PDETool from MatLab software. The formulation for the conductive pathway with "Y" shape presents the construction of elementary volumes, maintaining the same thermal conductivity across the entire conductive pathway. In the configuration in double “Y–Y” form it was used exhaustive search method associated with genetic algorithm (GA). In the simulations performed with the T-shaped conductive pathway, the configuration provides combinations of different thermal conductivity for the base and the top, emphasizing that the geometry depends on the conditions imposed by the environment. For the case with one elementary volume, the Y-shaped configuration degenerates producing a conductive pathway with U-shape; and with two volumes, the variation occurs in the length of branches of the conductive pathway. For the configuration with four volumes, the optimum configuration has the form of “X”. In the case of T-shaped pathway, the configuration that minimizes the maximal excess of temperature is I-shaped. As predicted by the principle of optimal distribution of the imperfections, the optimal geometry for the cases studied is the one that promotes the best distribution of the imperfections of the system.

O presente trabalho busca através do uso de túnel de vento e de análises computacionais via CFD (Computacional Fluid Dynamics) avaliar o comportamento aerodinâmico que determinadas modificações nas arestas vivas de uma edificação retangular propiciam. No que tange a avaliação em túnel de vento, confeccionou-se modelos rígidos com diversas tomadas de pressão distribuídas nas fachadas dos modelos com o propósito de determinar a distribuição das isolinhas médias de pressão e os coeficientes aerodinâmicos. As simulações computacionais foram feitas a partir do uso do método de Taylor-Galerkin de 2 passos em sua forma explícita. Os modelos numéricos foram discretizados segundo o Método dos Elementos Finitos (MEF) utilizando a técnica de integração reduzida e controle de modos espúrios. A turbulência foi tratada utilizando o modelo de turbulência LES (Large Eddy Simulation), um simulador sintético de turbulência e a viscosidade turbulenta segundo a forma dinâmica. Ao final, concluiu-se que as modificações nas arestas vivas de um edifício alto, inicialmente retangular, são capazes de propiciar reduções significativas nas cargas de arrasto e laterais às quais a edificação estaria sujeita sem as modificações propostas. As isolinhas de pressão determinadas mostraram que há uma grande diferença na distribuição de pressões, sendo as modificações nas arestas capazes de diminuir os coeficientes de pressão experimentados pela estrutura. E que o uso integrado de ferramentas experimentais e numéricas pode propiciar um maior conhecimento e confiabilidade nos resultados obtidos na investigação da resposta aerodinâmica de uma estrutura. Além disso, através da comparação entre resultados experimentais e numéricos, viu-se que ambos apresentaram resultados próximos, demonstrando assim, a evolução dos métodos numéricos em avaliações de problemas de interesse da Engenharia do Vento. / The present work aims to evaluate the aerodynamics behavior that certain types of corner modifications in a rectangular building produce by using wind tunnel and computational analysis by CFD. Regarding the wind tunnel tests, rigid models were built using several pressure taps on their facades in order to determine the average pressure isolines distribution and the aerodynamic coefficients of the reduced models. Computational simulations were made using the two-step Taylor-Galerkin method in its explicit form. The numerical models were discretized according to the Finite Element Method (FEM) using the reduced integration technique and hourglassing control. The turbulence was treated using the Large Eddy Simulation (LES) methodology, a synthetic turbulence simulator and the turbulent viscosity according to the dynamic approach. At the end, it was concluded that the corner modifications in a tall building, initially rectangular, are able to produce significant reductions in drag and lift loads to which the building would be subject without the proposed modifications. The determined pressure isolines showed there is a great difference in the pressure distribution, being the corner modifications able to reduce the pressure coefficients experienced by the structure. And that the integrated use of numerical and experimental tools can provide greater knowledge and reliability in the results obtained in the investigation of the aerodynamic response of a structure. In addition, through the comparison between experimental and numerical results, it was observed that both presented close results, thus demonstrating the evolution of numerical methods in evaluations of problems of Wind Engineering interest.

O emprego de uma estrutura mista de aço – concreto (laje em concreto e vigas em perfis de aço) representa a priori uma solução mais eficiente para estruturas de pontes do que a consideração de uma estrutura toda em concreto ou toda em aço. No entanto para que isto ocorra na prática é necessário um dimensionamento criterioso desta estrutura, o que deve ser feito tendo como apoio softwares de simulação numérica. No CEMACOM tem sido desenvolvidos vários trabalhos nesse tema, os quais resultaram num código computacional com capacidade para simular vigas mistas submetidas a cargas de curta duração ou cargas de longa duração. Em contraponto, nesse trabalho a proposta é customizar um software comercial de elementos finitos (ANSYS) para realizar as mesmas tarefas. Depois do modelo construído tem se vantagens pois se dispõe da plataforma do ANSYS que permite analisar vários problemas associados ao assunto. Fez-se uma proposta de modelo numérico para se analisar vigas mistas no ANSYS. Tendo como ponto de partida os trabalhos de Lazzari (2015) e Lazzari et al. (2016) para a implementação do comportamento do concreto, fez-se algumas implementações numa rotina tipo usermat para fazer análises de cargas de curta duração. Os efeitos de longa duração, fluência e retração, foram implementados na rotina usermat tendo como base os trabalhos de Dias (2013) e Moreno (2016). O código customizado foi comparado contra resultados experimentais e numéricos que demonstraram o adequado funcionamento do mesmo. Finalmente o ANSYS customizado foi aplicado para modelar uma estrutura de ponte que havia sido previamente calculada por Schmitz (2014) empregando procedimentos de projeto normalizados. Os resultados obtidos são comparados contra o processo normalizado e são apresentadas as vantagens deste processo. / The use of composite steel and concrete structures (concrete deck and steel profile beams) represents a priori a more efficient solution for bridges structure than the consideration of a whole structure with concrete or whole with steel. However for this to occur in practice it is necessary a consistent design of this structure, and this should be done with the support of softwares of numerical simulations. In CEMACOM have been developed many works in this theme, which resulted on a computational code with the capacity for simulate composite beams submitted to loads with short duration or loads with long duration. In counterpoint, in this work the proposal was to customize a commercial software of finite elements (ANSYS) to do the same tasks. After the construction of the model it have advantages because it is able to use the ANSYS platform, which permit to analyze various problems associated with this subject. It was done a numerical model for analysis of composite beams in ANSYS. Considering as the start point the works of Lazzari (2015) and Lazzari et al. (2016) for the implementation of concrete behavior, some implementations were done in a routine of the type usermat to make analysis with loads with short duration. The effects of long duration, creep and shrinkage, were implemented on the usermat routine considering the jobs of Dias (2013) and Moreno (2016). The customized code was compared with experimental and numerical results that demonstrated a proper functioning. Finally, the customized ANSYS was applied to modeling a bridge structure, which was previously designed in Schmitz (2014) using standard proceedings. The obtained results are compared with the standard procedure and it is presented the advantages of this more complex proceeding.

O uso de novos materiais na construção civil combinado com a alta tecnologia dos processos construtivos pode conduzir à redução de custo e melhoria no comportamento da estrutura. Recentemente, em função da corrosão das barras de aço dentre outros fatores, muitos pesquisadores têm sugerido a utilização de barras não-metálicas como substituição das barras aço nas estruturas em concreto. Além das barras não-metálicas permitirem cobrimentos menores e possibilitarem menor custo de manutenção, outras vantagens no seu uso podem ser citadas, tais como: pequeno peso específico, alta resistência à tração, não condutibilidade elétrica, térmica e magnética, entre outras. Este trabalho analisa o comportamento da aderência entre barras de GFRP (barras de fibra de vidro impregnada por polímero) e o concreto, por meio de uma revisão bibliográfica e ensaios de arrancamento padronizados, segundo o RILEM-FIP-CEB (1973). Foram consideradas as influências dos parâmetros como a resistência à compressão do concreto e o diâmetro da barra de GFRP. Com base nos resultados experimentais, buscou-se comparar o comportamento de aderência barra de GFRP-concreto e barra de aço-concreto, além da verificação das formulações para previsão da resistência de aderência segundo códigos normativos e a literatura técnica, para estruturas armadas com barras de aço e barras de FRP. Posteriormente, realizou-se a análise numérica da aderência, por meio do método dos elementos finitos. Nos modelos experimentais de arrancamento pode-se perceber a influência das propriedades mecânicas e da conformação superficial das barras de GFRP no comportamento da aderência, apresentando menores resistências de aderência quando comparadas às barras de aço de diâmetro similar. O valor da resistência de aderência determinado experimentalmente foi maior que o valor proposto pelos códigos normativos. Os modelos numéricos não representaram satisfatoriamente o comportamento experimental, visto que se trata de uma simulação numérica linear e o comportamento experimental força x deslocamento é não-linear. / The use of new materials in civil construction combined with high technology processes leads to improvements in many aspects, like cost reductions and better structural behavior. Recently, due to corrosion of the steel bars, among other factors, many researchers have been suggesting the use of non-metallic bars as a substitution of the steel reinforcement in concrete structures. Besides, the non-metallic bars allow smaller clear cover and make possible lower maintenance cost, other advantages can be mentioned, such as: low specific weight, high tensile strength, electrical, thermal and magnetic non-conductivities, and others. This work analyzes the bond behavior between GFRP bars (Glass Fiber Reinforced Polymer bars) and concrete, through state-of-art and standard pull-out tests, according to RILEM-FIP-CEB (1973). The influence of some parameters, as compressive concrete strength and GFRP bar diameter, was considered. Based on the experimental results, it was aimed at comparing the bond behavior of the GFRP-concrete bar with the steel-concrete bar, in addition to the verification of bond strength formulations established by the standards codes and the bibliography for structures reinforced with steel bars and FRP bars. Further, the bond numerical analysis was carried out through finite elements. In the pull-out tests, the influence of mechanical properties and superficial conformation on the GFRP bars was observed in the bond behavior, presenting smaller bond strength than the steel bars of similar diameter. The value of the experimental bond strength was larger than the value proposed by standards codes. The numerical models did not represent well the experimental behavior given that a linear numerical simulation was considered, but, actually, the experimental load x slip behavior is non-linear.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um simulador numérico para o transporte convectivo-reativo, não linear, de oxigênio, em oxigenadores de sangue, compostos por fibras ocas. O modelo computacional possui caráter bi-dimensional e obtém para a condição de regime permanente, a condição de saída do sangue, frente a uma condição de entrada especificada. Os parâmetros de entrada do sangue são: vazão, temperatura, pH, PCO2 , PO2 e concentração de hemoglobina. Já os parâmetros de entrada do gás são, basicamente: vazão, temperatura, umidade relativa, frações molares de oxigênio e gás carbônico. O simulador numérico também contempla a simulação do transporte de gás carbônico, uma vez que a afinidade da oxihemoglobina é afetada pelo pH local do sangue, que depende principalmente do conteúdo local de CO2 no sangue. O simulador baseia-se num coeficiente global de transporte de massa obtido a partir de resultados experimentais em sangue bovino. As equações utilizadas para o transporte de oxigênio e gás carbônico estão parametrizadas em função da temperatura, o que permite simular o desempenho do oxigenador em circulações extracorpóreas tanto em normo como em hipotermia. O modelo computacional foi desenvolvido para a geometria de escoamento de sangue externo a um feixe de fibras, com o gás escoando no interior das mesmas, com uma única passada de ambos os fluidos. O modelo foi aplicado para dois tipos de geometrias: feixe de fibras alinhadas e feixe de fibras em quicôncio. Adicionalmente, avaliou-se a viabilidade da predição do transporte de massa no sangue, calibrando-se o simulador numérico a partir de ensaios em água. Como principais resultados do trabalho desenvolvido, temos: 1) A modelagem utilizada para o transporte convectivo-reativo no sangue mostrou ser adequada para a calibração do simulador numérico desenvolvido. Desta forma, obteve-se uma estimativa precisa dos coeficientes locais de transporte de massa para o oxigênio e o gás carbônico. 2) A obtenção da distribuição de pH, ao longo do oxigenador, demonstrou que valores de pH alcalino elevado são observados no trajeto do sangue, na vizinhança do local de entrada de gás. 3) O simulador numérico obtido pode ser utilizado como uma ferramenta computacional de auxílio no projeto de oxigenadores de sangue. 4) Os testes com água são pouco eficientes na calibração do simulador, uma vez que, para isto, é necessário o conhecimento das difusividades de oxigênio e gás carbônico no sangue, as quais são modificadas pela ocorrência de intensificação. / A numeric simulator was developed to predict the non-linear, convective-reactive, oxygen transport in hollow fibers blood oxygenators. The bidimensional computational model calculates, at the steady state condition, the blood outlet for a specified inlet condition. The blood flow inlet parameters taken into account are: flow, temperature, pH, PCO2 PO2 and hemoglobin concentration. The gas flow inlet parameters are: flow, temperature, relative humidity, molar fractions of oxygen and carbonic gas. The numeric simulator also simulates the CO2 transport, as the oxyhemoglobin affinity is affected by the pH local value, which depends mostly on CO2 local blood content. The simulator is calibrated against experimental data which allows the determination of the global mass transport coefficient for oxygen and CO2. Oxygen and CO2 blood content equations are explicitly temperature dependent to allow the simulation of both normothermic and hypothermic cardiopulmonary bypass. The computational model was tested for in-line and staggered fibers bundles. In addition, it was evaluated the advantages of simulator calibration from water tests. The principal results are: 1) The convective-reactive transport modeling showed to be adequate to the calibration of the numeric simulator. 2) Local values for pH, PCO2 and PO2 were obtained along the blood path. This analysis shows that very alkaline pH values occur at the blood path at the gas inlet side of the fiber bundle. 3) The numeric simulator can be used as a computational tool to support blood oxygenators development. 4) The water tests are not effective in the prediction of blood mass transport once different values for the oxygen and CO2 blood diffusivities were used to correlate blood-water results according to fiber bundle type, which is in agreement with other results, that point out that, at blood, intensification phenomena modifies blood gases diffusivities.

Neste trabalho, uma análise quantitativa e qualitativa para a estabilização dinâmica de um pêndulo invertido com uma força externa senoidal aplicada no ponto de suspensão é feita. Inicialmente, a perturbação externa é composta de um único cosseno, então uma generalização é feita, usando uma soma de N cossenos com diferentes amplitudes e frequências. Aproximações são testadas e o tempo durante o qual o pêndulo invertido permanece estável é explorado quando N é grande, a fim de recuperar o padrão do caso onde N = 1. O caso específico de oscilações periódicas e quase periódicas, quando N = 2, é analisado e diagramas de estabilidade considerando diferentes frequências e amplitudes são estudados. Depois, um ruído Gaussiano additivo é adicionado ao sistema para que a degradação dos diagramas de estabilidade gerados por variâncias diferentes possam ser estudados. Todos os pontos deste trabalho são corroborados por simulações, as quais integram numericamente as equações de movimento do sistema através do método de Runge-Kutta de quarta ordem. Os algoritmos e detalhes extras dos métodos de integração usados são explorados numa publicação deste trabalho, a qual está apresentada, nesta dissertação, como um apêndice. / In this work a quantitative and qualitative analysis of the dynamical stabilization of an inverted pendulum with a sinusoidal external perturbation applied at the suspension point is made. Initially, the external perturbation is composed of a single cosine, then a generalization is made using a sum of N cosines with different amplitudes and frequencies. Approximations are tested, and the time for which the inverted pendulum remains stable is explored when N is large, in order to recover the pattern of the case when N = 1. The specific case of periodic and almost periodic oscillations, when N = 2, is analysed and stability diagrams considering different frequencies and amplitudes are studied. Later, an additive Gaussian noise is added to the system so the degradation of the stability diagrams generated by different variances can be studied. All points of this work are corroborated by simulations, which numerically integrate the system’s equation of motion through a fourth order Runge-Kutta method. Algorithms and extra details on the integration methods used are explored in a publication of this work, which is presented in this thesis as an appendix.