Grandes áreas inundáveis prestam importantes serviços ambientais, como manutenção da biodiversidade e regulação de clima, cheias e ciclos biogeoquímicos, e estão presentes nas mais variadas regiões geográficas, desde úmidas áreas tropicais como a Amazônia, até locais áridos como os grandes deltas internos da África. Complexos processos hidrológicos e hidrodinâmicos ocorrem nestas áreas, onde existe intensa interação entre áreas inundadas, biosfera e atmosfera, e onde ocorrem alterações significativas das ondas de cheia que são por elas propagadas sazonalmente. Neste contexto, o presente trabalho apresenta, através de dois métodos distintos, formas com que podemos aprofundar nosso conhecimento da dinâmica destas grandes áreas inundáveis. Inicialmente, é abordado o efeito causado pela interação rio-planície de inundação na forma dos hidrogramas. Constatou-se, através de observação de diversos hidrogramas defluentes de grandes sistemas inundáveis, que a ascensão destes é tipicamente mais lenta que a recessão, caracterizando uma assimetria negativa. Então, a partir de uma série de abordagens numéricas, analíticas e empíricas, mostrou-se que a este fenômeno é decorrente da inversa relação entre velocidade da onda de cheia (celeridade) e vazão que ocorre nestes ambientes devido ao armazenamento nas planícies. Um estudo de caso com os principais rios da Amazônica evidenciou a relevância da avaliação de assimetria de hidrogramas para compreensão da dinâmica hidrológica em regiões inundáveis. A segunda etapa deste trabalho consistiu no aprimoramento e validação de um modelo acoplado hidrológico-hidrodinâmico distribuído para simulação de bacias com grandes áreas inundáveis, capaz de modelar matematicamente a dinâmica existente e a aumentar nossa capacidade preditiva da inundação destas regiões. Foi realizada uma aplicação na bacia do Alto Rio Níger, no Oeste da África, onde está localizado o Delta Interno do Níger, uma vasta planície no Deserto do Sahel inundada sazonalmente, e onde importantes perdas por evaporação ocorrem. O modelo desenvolvido representou de forma satisfatória vazões, níveis e áreas inundadas ao longo da região, permitindo a identificação de processos relevantes na inundação do Delta. O acoplamento entre uma representação explícita da hidrodinâmica dos canais da planície (armazenamento, bifurcações, remanso) e o balanço vertical hidrológico (infiltração de água da planície para o solo e evapotranspiração) mostrou-se necessário para o satisfatório resultado do modelo. Assim, com esta pesquisa, acredita-se que novos elementos foram contribuídos para a compreensão da hidrologia de grandes áreas inundáveis, a partir da identificação do importante efeito da interação rio-planície na assimetria de hidrogramas, e do desenvolvimento de técnicas de modelagem matemática que evidenciaram a relevância da representação de interações entre hidrologia e hidrodinâmica em modelos de grandes escala. / Large floodable areas provide important environment services, such as biodiversity maintenance and regulation of climate, floods and biogeochemical cycles, and are present throughout different geographical settings, from tropical, wet areas like the Amazon, to arid ones such as the large African Inner deltas. Complex hydrologic and hydrodynamic processes occur in these areas, such as an intense interaction between flooded areas, biosphere and atmosphere, and alterations of flood waves that propagate through it. In this context, this study presents, through two distinct methods, ways with which we can deepen our understanding of the dynamics of such floodable areas. Firstly, the effect of river-floodplain interaction on hydrograph shape is addressed. It was noted, by observing a series of hydrographs routed through floodable systems, that hydrograph ascension is typically slower than the recession, characterizing a negative skewness. Then, through a series of numerical, analytical and empirical approaches, it was shown that this phenomenon exists due to the inverse relationship between flood wave speed (celerity) and discharge that occurs in these environments because of floodplain storage. A case study in main Amazon Basin tributaries was performed and indicated the relevance of hydrograph skewness evaluation for comprehension of hydrological dynamics in floodable areas. The study second step consisted in the development and validation of a distributed, coupled hydrologic-hydrodynamic model for simulation of basins with large floodable areas, able to mathematically model and to improve our prediction capacity of flooding in these areas. An application was performed in Upper Niger River, West Africa, where the Niger Inland Delta is located, which is a vast floodplain in the Sahel Desert that is seasonally flooded, and where important evaporation losses occur. The developed model satisfactorily represented discharges, levels and flooded areas across the basin, allowing the identification of relevant flooding processes in the Delta. The coupling between explicit representation of floodplain channel hydrodynamics (storage, bifurcations, backwater) and vertical hydrological balance (floodplain water infiltration into soil column, and evapotranspiration) proved a necessary model structure for the satisfactorily obtained results. Finally, with this research, we understand that new elements were contributed to the comprehension of hydrology of large floodable areas, from the identification of the river-floodplain interaction effects on hydrograph skewness to the development and application of mathematical modelling techniques, showing the relevance of the interaction between hydrology and hydrodynamic in such areas.

Na simulação heterogênea de um sistema eletrônico complexo, um mesmo modelo pode ser composto por partes distintas em relação às tecnologias ou linguagens utilizadas na sua descrição, níveis de abstração, ou pela combinação de partes de software e de hardware (escopo da co-simulação). No uso de modelos heterogêneos, a construção de uma ponte eficaz entre diferentes simuladores, em conjunto com a solução de problemas tais como sincronização e tradução de dados, são alguns dos principais desafios. No contexto do projeto de sistemas embarcados, a validação desses sistemas via co-simulação está sujeita a estes desafios na medida em que um mesmo modelo de representação precisa suportar a cooperação consistente entre partes de hardware e de software. Estes problemas tornam-se mais significativos quando abordados em ambientes distribuídos, o que aumenta a complexidade dos mecanismos que gerenciam os ítens necessários à correta cooperação entre partes diferentes. Contudo, embora existam abordagens e ferramentas voltadas para o tratamento de modelos heterogêneos, inclusive em ambientes distribuídos, ainda persiste uma gama de limitações causadas pela distribuição e heterogeneidade de simuladores. Por exemplo, restrições quanto à variedade de tecnologias (ou linguagens) utilizadas na descrição das partes de um modelo, flexibilidade para o reuso de partes existentes, ou em tarefas de gerenciamento de sincronização/dados/interface/distribuição. Além disso, em geral, nas soluções existentes para simulação heterogênea, alterações são necessárias sobre as partes do modelo, limitando a preservação de sua integridade. Esta é uma característica indesejável, por exemplo, no reuso de componentes IP (Intellectual Property) Neste contexto, esta tese apresenta o DCB (Distributed Co-simulation Backbone), cujo propósito geral é o suporte à execução distribuída dos modelos heterogêneos. Para isso, são observados de modo integrado quatro fatores básicos: a distribuição física; a independência dos componentes (partes); o encapsulamento das estratégias de gerenciamento de tempo, de dados e de comunicação; e a sincronização híbrida. Em geral, as soluções existentes valorizam um fator em detrimento dos demais, dependendo dos propósitos envolvidos e sua variação em relação ao grau de especificidade (soluções proprietárias ou restritas a um escopo de aplicações). O Tangram, também discutido nesta tese em termos de requisitos, é uma proposta de ambiente para projeto de modelos heterogêneos distribuídos. No contexto da especificação do DCB, esta proposta tem como objetivo geral agregar num mesmo ambiente funcionalidades de apoio para a busca e catalogação de componentes, seguidas do suporte à construção e à execução distribuída de modelos heterogêneos via DCB. À luz dos princípios de generalidade e flexibilidade da arquitetura do DCB, o Tangram visa permitir que o projetista reduza seu envolvimento com detalhes relacionados ao provimento de condições necessárias à cooperação entre componentes heterogêneos. No escopo desta tese, ênfase foi dada à co-simulação de sistemas embarcados, ênfase esta observada também na construção do protótipo do Tangram/DCB, e nos estudos de caso. Contudo, a estrutura do DCB é apropriada para qualquer domínio onde a simulação possa ser utilizada como instrumento de validação, entre outros propósitos.

A validação de projetos de sistemas eletrônicos pode ser feita de diversas maneiras, como tem sido mostrado pelas pesquisas em síntese automática e verificação formal. Porém, a simulação ainda é o método mais utilizado. O projeto de um sistema digital típico pode ser desenvolvido em diversos níveis de abstração, como os níveis algorítmico, lógico ou analógico. Assim, a simulação também deve ser executada em todos esses níveis. A simulação apresenta, contudo, o inconveniente de não conseguir conciliar uma alta acuracidade de resultados com um baixo tempo de simulação. Quanto mais detalhada é a descrição do circuito, maior é o tempo necessário para simulá-lo. O inverso também é verdadeiro, ou seja, quanto menor for a acuracidade exigida, menor será o tempo dispendido. A simulação multinível tenta conciliar eficiêencia e acuracidade na simulação de circuitos digitais, propondo que partes do circuito sejam descritas em diferentes níveis de abstração. Com isso, somente as partes mais críticas do sistema são descritas em detalhes e a velocidade da simulação aumenta. Contudo, essa abordagem não é suficiente para oferecer um grande aumento na velocidade de simulação de grandes circuitos. Assim, surge como alternativa a aplicação de técnicas de processamento distribuído à simulação multinível. Os aspectos que envolvem a combinação dessas duas técnicas são abordados nesse trabalho. Como plataforma para os estudos realizados, optou-se por usar duas ferramentas desenvolvidas nessa Universidade: os simuladores do Sistema AMPLO e o Sistema Operacional HetNOS. São estudadas técnicas de sincronização em sistemas distribuídos, fundamentais para o desenvolvimento dos simuladores e, finalmente, são propostas alternativas para a distribuição dos simuladores. É realizada, ainda, uma análise comparativa entre as versões propostas.

O aumento na complexidade dos sistemas embarcados, compostos por partes de hardware e software, aliado às pressões do mercado que exige novos produtos em prazos cada vez menores, tem levado projetistas a considerar a possibilidade de construir sistemas a partir da integração de componentes já existentes e previamente validados. Esses componentes podem ter sido desenvolvidos por diferentes equipes ou por terceiros e muitas vezes são projetados utilizando diferentes metodologias, linguagens e/ou níveis de abstração. Essa heterogeneidade torna complexo o processo de integração e validação de componentes, que normalmente é realizado através de simulação. O presente trabalho especifica mecanismos genéricos e extensíveis que oferecem suporte à cooperação entre componentes heterogêneos em um ambiente de simulação distribuída, sem impor padrões proprietários para formatos de dados e para a descrição do comportamento e interface dos componentes. Esses mecanismos são baseados na arquitetura DCB (Distributed Co-Simulation Backbone), voltada para co-simulação distribuída e heterogênea e inspirada nos conceitos de federado (componente de simulação) e federação (conjunto de componentes) que são definidos pelo HLA (High Level Architecture), um padrão de interoperabilidade para simulações distribuídas. Para dar suporte à co-simulação distribuída e heterogênea, esse trabalho descreve mecanismos que são responsáveis pelas tarefas de cooperação e distribuição, chamados de embaixadores, assim como o mecanismo gateway, que é responsável pela interoperabilidade entre linguagens e conversão de tipos de dados. Também é apresentada uma ferramenta de suporte à geração das interfaces de co-simulação, que são constituídas de dois embaixadores configuráveis e um gateway para cada federado, gerado a partir de templates pré-definidos.

[pt] Neste trabalho, a propagação de sólitons em fibras óticas é analisada através de simulação numérica da equação não linear de Schrödinger, a qual descreve a propagação de pulsos óticos em fibras monomodo do tipo degrau. Uma vez que soluções analíticas para esta equação só podem ser obtidas em alguns casos específicos, implementaram-se dois métodos numéricos, possibilitando a análise da evolução de diferentes formas de pulsos incidentes ao longo de fibras com propriedades diversas de atenuação, dispersão e não linearidades. O método da propagação de Raios, cujo desempenho mostrou-se superior ao do método da série de Fourier, foi o escolhido para a obtenção dos resultados aqui apresentados. Várias características do sóliton fundamental, dos sólitons de ordens superiores, dos sólitons escuros e do fenômeno da interação entre pulsos adjacentes são apresentadas e discutidas, levando-se em consideração as possíveis implicações no desempenho de sistemas óticos. Contrabalançando os efeitos da dispersão da fibra com os efeitos não lineares da automodulações de fase, o que permite sua propagação sem alteração de forma, os sólitons encontram potencial aplicação na transmissão de altas taxas a longas distâncias. / [en] In this work, soliton propagation in optical fibres is analysed by means of numerical simulation of the nonlinear Schrödinger equation, which governs optical pulse propagation in step-index monomode fibres. Since analytic solutions to this equation are admitted only for some specific cases, two numerical methods have been implemented in order to study the evolution of different kinds of input pulses, under the effects of attenuation, dispersion and nonlinearities. Showing a better performance than the Fourier Series Method in a comparative test, the Beam Propagation Method has been chosen to obtain the results here presented. Many characteristics of the fundamental, higher order and dark solitons, as well as interaction phenomena between adjacent pulses, are investigated, taking into account possible implications on optical systems performance. By properly counteracting the effects of fibre dispersion and nonlinearities, solitons can propagate without changing its shape, finding potential application in high bit-rate long distance optical communication systems.

[pt] Em uma simulação de reservatório convencional, geralmente o modelo de fluxo de fluido de uma área de interesse recebe mais atenção do que o modelo geomecânico. Nos estudos de fluxo, são analisadas as variações de pressão de poros, saturação de fluidos e temperatura no reservatório, resultantes da produção e injeção de fluidos durante a fase de explotação do campo. Porém, o comportamento mecânico da rocha também chamado, na indústria do petróleo, de efeito geomecânico é aproximado em uma simulação convencional de reservatórios através de apenas um único parâmetro mecânico: a compressibilidade da rocha, insuficiente para avaliar de maneira adequada, o efeito que a variação do estado de tensão nas rochas reservatório e adjacentes exercem sobre a pressão de poros no reservatório. Em função disso, um dos objetivos deste trabalho é analisar como a variação de propriedades das rochas e dos fluidos pode impactar na produção de hidrocarbonetos e na ordem de grandeza da compactação e subsidência. Outro objetivo igualmente importante é a criação de um fluxo de informações que permite estimar as propriedades mecânicas das rochas a partir de dados provenientes de perfilagem, de maneira a dar maior acurácia aos dados utilizados. Dessa forma, as análises feitas utilizaram a metodologia desenvolvida pelo GTEP/PUC-Rio, a qual permite que sejam feitas simulações parcialmente acopladas de duas vias entre o simulador de fluxo IMEX e o programa de análise de tensões CHRONOS. Os resultados obtidos permitiram concluir que o início da liberação de gás dentro do reservatório tem impacto não só na explotação de fluidos, como também na desaceleração do processo de compactação do reservatório. Além disso, mudanças de propriedades nas rochas adjacentes não geram comportamentos semelhantes de deslocamentos para todos os horizontes observados. / [en] In a conventional reservoir simulation, usually the fluid flow model of an area of interest receives more attention than the geomechanics model. In these studies, the pore pressure, fluid saturation and reservoir temperature variations resulting from the production and injection of fluids during the field exploitation phase are analyzed. However, less attention is given to the mechanical behavior of rock, also called geomechanical effects in the petroleum industry, which is approximated in a conventional reservoir simulation using only a single mechanical parameter: the compressibility of the rock, which is insufficient to adequately evaluate the effect that the variation of the stress state in the reservoir and in the adjacent rocks exerts on the pore pressure in the reservoir. Because of that, this work aims at analyzing how the variations of rocks and fluids properties may affect the production of hydrocarbons and the order of magnitude of compaction and subsidence. Another equally important objective is the creation of an information flow that allows the estimation of the mechanical properties of the rocks, based on log data, in order to give greater accuracy to the data used. Thus, the analyses were performed using a methodology developed by the GTEP / PUC-Rio, which makes it possible to perform two way partially coupled simulations between the conventional flow simulator (IMEX) and the stress analysis program (CHRONOS). The obtained results indicate that the initiation of the gas released inside the reservoir has an impact not only on the exploitation of fluids, but also on the deceleration of the reservoir compaction process. In addition, changes in the properties of adjacent rocks do not generate a similar displacement behavior for all observed horizons.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, den Kompromiss zwischen Universalität und Effizienz bei Instanzennetzsimulatoren zu untersuchen, insbesondere für die Simulation von digitaler Hardware. Ein Instanzennetzsimulator wird definiert mit Hinsicht auf maximale Universalität. Dieser Simulator muss für die Simulation beliebiger Instanzennetze anwendbar sein. Hardware auf der Gatter- und auf der Register-Transferebene wird modelliert für Simulation mit dem definierten Instanzennetzsimulator. Ebenso werden spezifische Hardware- Simulatoren definiert, wobei repräsentative Modelle der Gatter- und der Register-Transferebene ausgewählt werden. Da diese Hardware-Simulatoren nur für bestimmte Systemklassen geeignet sind, die Unterklassen von Instanzennetzen darstellen, bringen sie einen gewissen Effizienzgewinn gegenüber dem allgemeinen Instanzennetzsimulator. Die Messung dieses Gewinns und seine Zurückführung auf bestimmte Eigenschaften der Instanzennetze und der digitalen Systeme sind konkrete Ziele dieser Arbeit. Um diese Messung zu ermöglichen, werden digitale Systeme durch Parametersätze dargestellt. Diese Parameter erlauben uns, exakte Ausdrücke fir den Simulationszeitverbrauch aller definierten Simulatoren abzuleiten. Durch Variierung der Parameterwerte wird das ganze Spektrum der digitalen Systeme erfasst.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, den Kompromiss zwischen Universalität und Effizienz bei Instanzennetzsimulatoren zu untersuchen, insbesondere für die Simulation von digitaler Hardware. Ein Instanzennetzsimulator wird definiert mit Hinsicht auf maximale Universalität. Dieser Simulator muss für die Simulation beliebiger Instanzennetze anwendbar sein. Hardware auf der Gatter- und auf der Register-Transferebene wird modelliert für Simulation mit dem definierten Instanzennetzsimulator. Ebenso werden spezifische Hardware- Simulatoren definiert, wobei repräsentative Modelle der Gatter- und der Register-Transferebene ausgewählt werden. Da diese Hardware-Simulatoren nur für bestimmte Systemklassen geeignet sind, die Unterklassen von Instanzennetzen darstellen, bringen sie einen gewissen Effizienzgewinn gegenüber dem allgemeinen Instanzennetzsimulator. Die Messung dieses Gewinns und seine Zurückführung auf bestimmte Eigenschaften der Instanzennetze und der digitalen Systeme sind konkrete Ziele dieser Arbeit. Um diese Messung zu ermöglichen, werden digitale Systeme durch Parametersätze dargestellt. Diese Parameter erlauben uns, exakte Ausdrücke fir den Simulationszeitverbrauch aller definierten Simulatoren abzuleiten. Durch Variierung der Parameterwerte wird das ganze Spektrum der digitalen Systeme erfasst.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, den Kompromiss zwischen Universalität und Effizienz bei Instanzennetzsimulatoren zu untersuchen, insbesondere für die Simulation von digitaler Hardware. Ein Instanzennetzsimulator wird definiert mit Hinsicht auf maximale Universalität. Dieser Simulator muss für die Simulation beliebiger Instanzennetze anwendbar sein. Hardware auf der Gatter- und auf der Register-Transferebene wird modelliert für Simulation mit dem definierten Instanzennetzsimulator. Ebenso werden spezifische Hardware- Simulatoren definiert, wobei repräsentative Modelle der Gatter- und der Register-Transferebene ausgewählt werden. Da diese Hardware-Simulatoren nur für bestimmte Systemklassen geeignet sind, die Unterklassen von Instanzennetzen darstellen, bringen sie einen gewissen Effizienzgewinn gegenüber dem allgemeinen Instanzennetzsimulator. Die Messung dieses Gewinns und seine Zurückführung auf bestimmte Eigenschaften der Instanzennetze und der digitalen Systeme sind konkrete Ziele dieser Arbeit. Um diese Messung zu ermöglichen, werden digitale Systeme durch Parametersätze dargestellt. Diese Parameter erlauben uns, exakte Ausdrücke fir den Simulationszeitverbrauch aller definierten Simulatoren abzuleiten. Durch Variierung der Parameterwerte wird das ganze Spektrum der digitalen Systeme erfasst.

[pt] A simulação numérica de processos de combustão é uma ferramenta cada vez mais utilizada para o projeto, a análise e a otimização de turbinas, motores e fornos de combustão, entre outros. No entanto, um dos principais inconvenientes que limitam a descrição fiel da realidade de modelos de combustão é o esforço computacional necessário para a solução das equações de transporte das propriedades do escoamento reativo, como frações de massa das espécies químicas, que incluem um termo fonte não linear associado à lei de Arrhenius. A rigidez e a carga computacional relacionadas com a determinação deste termo domina o custo de simulações que empregam modelos detalhados da cinética química da combustão. Esta dissertação descreve um estudo cujo objetivo é reduzir tais custos mediante a utilização de uma técnica de tabulação automática da evolução termoquímica da mistura. Assim, este trabalho apresenta a discussão do estado da arte da técnica denominada tabulação adaptativa in situ, que exibe desempenho considerável em termos de tempo computacional, na determinação dos termos fontes químicos, e propõe uma modificação do algoritmo atrasando o início da tabulação, para evitar o armazenamento de composições existentes apenas no estado transiente da queima, as quais não são representativas do regime estatisticamente estacionário. Um estudo dos resultados obtidos, em um reator parcialmente agitado com CO/O2, mostra ganhos superiores a 95 por cento na altura da árvore binária utilizada para tabulação, isso se reflete no custo de armazenamento e na acurácia dos resultados. Uma análise do tempo computacional caracteriza situações em que a nova estratégia de tabulação pode levar à redução do mesmo, quando comparado com a estratégia original. Seu desempenho é confirmado pelo estudo do sistema químico CH4/ar. / [en] The numerical simulation of combustion processes is an important tool used for design, analysis and optimization of turbines, combustion engines and furnaces, among others. However, one of the major drawbacks that limit the faithful description of reality of combustion models is the computational effort required for the transport equations solution of reactive flow properties such as chemical species mass fractions, which include a nonlinear source term associated to the Arrhenius law. The stiffness and the computational burden related to the determination of such term, largely dominate the cost of simulations that employ detailed models of chemical kinetics combustion. This dissertation describes a study whose objective is to reduce these costs by using a of automatic tabulation technique of the mixture’s thermochemical evolution. Hence, this work presents a state of the art discussion of the technique named in situ adaptive tabulation – ISAT, which shows considerable performance in terms of computational time for the determination of the chemical sources terms, and proposes a modification in the algorithm by delaying the table start to avoid the storage of compositions that exist only in transient state, and which are not statistically representative of the stationary regime. A systematic study of the results in a partially stirred reactor with CO/O2, shows more than 95 per cent gains at the binary tree height used for tabulation, the gains are also optimistic in the storage demand and the results accuracy. A computational time analysis characterizes situations in which the new strategy tabulation could reduce it, when compared to the original algorithm. The strategy performance is confirmed by the study of the chemical system CH4/ar.