IMEF – Mestrado em Modelagem Computacional
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- ItemSistemas dinâmicos com derivadas fracionárias aplicado a problemas de populações interagentes(2022) Tavares, Cibelle Abelenda; Lazo, Matheus JatkoskeO presente trabalho tem como objetivo principal investigar o uso do cálculo fracionário na modelagem de epidemias de populações interagentes. Primeiro, propomos um modelo SIRD para duas cidades em interação com derivadas fracionárias. Depois investigamos o problema de reinfecção através de um modelo SIRS com e sem vacinação. Em todos os modelos propostos analisamos a existência de pontos fixos e sua estabilidade. Para investigar os efeitos introduzidos na dinâmica pelas derivadas fracionárias, resultados numéricos foram obtidos e comparações foram realizadas entre modelos com derivadas fracionárias e modelos de derivada inteira. Além disso, como exemplo de aplicações, fizemos uma comparação do modelo SIRD proposto com dados reais de Rio Grande e Pelotas.
- ItemTeoria de Similaridade de Monin-Obukhov Aplicada a Turbulência Atmosférica em Terreno Homogêneo em Região Costeira(2018) Anger, Mariely Rodrigues; Krusche, NisiaA turbulência é um grande desafio para estudos de escoamento. Na Camada Limite Atmosférica, muitas teorias têm sido formuladas na tentativa de obter uma descrição universal para a turbulência que seja adequada a problemas de interesse prático. As Teorias de Similaridade apresentam boas aplicações em terrenos homogêneos. Pretende-se aplicar a Teoria de Similaridade de Monin-Obukhov a medidas do escoamento realizadas no município de Rio Grande, para caracterizar a turbulência local. Como este município está em crescente desenvolvimento industrial e as indústrias já em atividade podem ocasionar impactos ambientais, torna-se necessário um conhecimento da turbulência local para a realização de planejamentos de meio ambiente. Por outro lado, é importante considerar a demanda energética necessária para o bom funcionamento destas indústrias. Esta região contém índices favoráveis em relação à geração de energia eólica. Logo, a caracterização da turbulência local é útil para avaliar o potencial eólico quando considerando a variação dos períodos de estabilidade estática da camada superficial na estimativa da velocidade do vento em uma determinada altura. Variáveis como rugosidade aerodinâmica, energia cinética turbulenta, intensidade da turbulência, fluxos turbulentos e as escalas de comprimento, velocidade e temperatura foram estimadas e suas magnitudes concordaram com valores citados na literatura. Relações de similaridade dos períodos instáveis e estáveis foram definidas. No período estável, o comportamento foi impreciso, porém, para o período instável, as relações entre as flutuações de temperatura e vento na vertical normalizadas pelas escalas de temperatura e velocidade apresentaram um comportamento satisfatório. Portanto, é possível utilizar o parâmetro de estabilidade na generalização de comportamentos de variáveis na camada superficial para o local deste estudo. Adicionalmente, a análise inicial da avaliação do potencial eólico aplicando a correção de estabilidade para a estimativa da velocidade do vento apresenta resultados compatíveis com o potencial eólico considerado para região. A aplicação da Teoria de Similaridade permitiu a descrição da variação da Camada Superficial em dois níveis de medida. Estes resultados podem ser utilizados em trabalhos futuros para avaliar a dispersão de poluentes na região. Eles permitiram também calcular a correção da estimativa de velocidade devido às variações de estabilidade.
- ItemCampos Potenciais na Dispersão de Fumaça em Evacuação de Multidões(2018) Corrêa, Bruna Antunes; Adamatti, Diana Francisca; Bicho, Alessandro de LimaFrequentemente visitamos lugares com uma grande concentração de pessoas, como shopping centers, estádios de futebol, restaurantes, casas noturnas, etc. Através dos meios de comunicação, seguidamente vemos notícias de casos de situações de emergência nestes locais. Recentemente, tem-se tido um maior cuidado para que se cumpra as normas técnicas para situações de emergência, prevenindo fatalidades. Sabe-se que em uma situação de incêndio, uma das principais causas de mortes é a inalação da fumaça e, portanto, ao iniciar um incêndio as pessoas precisam sair com rapidez do local para evitar possíveis lesões. Nesta situação tem-se pesquisado sobre a dispersão da fumaça em ambientes fechados e a simulação do comportamento de multidões em situações de emergência. Este trabalho tem por objetivo apresentar uma nova proposta para modelar a dispersão de fumaça em ambientes fechados utilizando o conceito de autômatos celulares associado a campos potenciais. Para complementar o trabalho, foi implementado um modelo comportamental para a simulação da evacuação de pessoas utilizando a abordagem multiagente, baseado nas regras comportamentais para deslocamento definidas no modelo Flocking.
- ItemUm estudo sobre o consumo de energia elétrica utilizando algoritmos classificadores(2018) Amaral, Mariane Coelho; Dimuro, Graçaliz Pereira; Borges, Eduardo NunesO estudo do correto balanço energético é de extrema importância para a economia de um país. Quando a demanda é superior à oferta, faltará eletricidade para os consumidores. Já quando a oferta é muito maior que a demanda por eletricidade, as empresas geradoras e distribuidoras de energia sofrem prejuízos. As técnicas de mineração de dados consistem em descobrir conhecimentos em banco de dados, podendo ser de fundamental importância para revelar informações vitais às pesquisas. Assim, este trabalho intencionou, através de algoritmos classicadores, estimar o valor da conta mensal de energia elétrica com base nos atributos investigados, identificando perfis de consumo residencial por meio de um instrumento científico aplicado aos estudantes de graduação da Universidade Federal do Rio Grande (FURG) e da Universidade Federal de Pelotas (UFPel). A análise do valor da conta de energia elétrica a partir de predições realizadas pelos classificadores pode ser considerada o primeiro passo na melhoria em sistemas elétricos de potência, através do planejamento de geração e distribuição de energia.
- ItemModelagem computacional e método constructal design aplicados a um conversor de energia das ondas do mar do tipo coluna de água oscilante (CAO) analisando a influência em seu desempenho da variação da razão entre o volume de entrada e o volume total da câmara hidropneumática(2016) Plamer, Cândila Beatriz; Gomes, Mateus das Neves; Isoldi, Liércio AndréO presente trabalho trata de simular numericamente o princípio de funcionamento do conversor do tipo Coluna de Água Oscilante (CAO), considerando uma onda regular em escala real. O objetivo é avaliar a influência da razão entre o volume de entrada da câmara hidropneumática (VE) e o volume total da câmara (VT) no desempenho de um conversor do tipo CAO. São analisados nove valores diferentes para a relação VE/VT. Através do Design Construtal é analisada a geometria que conduz ao melhor desempenho, buscando maximizar a conversão da energia das ondas regulares em energia elétrica, sendo a potência disponível, considerada a função objetivo do problema. Foi estudado o grau de liberdade razão entre a altura da câmara hidropneumática (H1) e o comprimento da câmara (L). O domínio computacional é representado por um tanque de ondas, com o dispositivo CAO acoplado. O FLUENT foi empregado para a solução numérica das equações, baseada no Método dos Volumes Finitos (MVF). A construção da geometria e a geração da malha foram realizadas no GAMBIT. Na interação entre as fases ar e água foi aplicado o método Volume of Fluid (VOF). Os resultados obtidos sugerem que o desempenho do dispositivo CAO, é melhor quando o comprimento de entrada da câmara (L) é aproximadamente o comprimento da onda incidente ( ) dividido por 2,25 (L = /2,25); e a altura do dispositivo CAO (H1) é cerca de 2,25 vezes a altura da onda (H), H1 = 2,25H. Foi observado que ao alterar a relação entre os volumes de entrada e total do dispositivo CAO (VE/VT), a pressão aumenta e a vazão mássica não é influenciada pela variação dessa relação. Disso, conclui-se que, o que contribui na maximização da vazão mássica é a relação (H1/L). E a pressão é influenciada pela razão VE/VT. A potência é uma composição do gradiente de pressão e da vazão mássica.
- ItemMineração de dados e neurociência: um estudo de sinais cerebrais com base na modulação da amplitude(2019) Marques, Bianca Parulla; Adamatti, Diana Francisca; Billa, Cleo ZanellaA neurociência é o estudo do sistema nervoso, sendo o encéfalo seu principal componente. Associado aos Sistemas BCI (Brain Computer Interface), é possível a comunicação do encéfalo com o computador. Umas das formas de coleta dos sinais cerebrais é a partir da eletroencefalografia (EEG). As ondas cerebrais podem ser classificadas usando sua frequência, amplitude, forma e posição no couro cabeludo. As aplicações EEG se concentram em uma faixa de 0,1 Hz a 100 Hz, onde os sinais de EEG são classificados com base em sua faixa de frequência e estão relacionados entre as ondas: Alfa, Beta, Teta, Gama e Delta. Este trabalho foca na modulação da amplitude da faixa de frequência da Banda Beta, que é a faixa de ondas cerebrais que situa-se entre 13 Hz e 30 Hz, associada ao estado de atenção. Os dados estudados referem-se ao reconhecimento de objetos espaciais por pessoas videntes e cegas, de forma a entender quais áreas são ativadas durante o reconhecimento. Para análise dos dados, são utilizadas técnicas de classificação, dando destaque aos algoritmos de Árvores de Decisão J48 e Random Tree, para a extração de outros tipos de padrões e informações. Os resultados obtidos sugerem que a modulação da amplitude para a Banda Beta não apresentam resultados melhores do que a banda completa, nem relacionado a confirmar ou a negar as hipóteses, nem relacionado a ter um percentual de acerto maior dos algoritmos de classificação.
- ItemModelo Compartimental SIRC Fracionário(2018) Gomes, Ana Carla Ferreira Nicola; Cezaro, Adriano deIntrinsecamente, o sistema imunológico possui uma defesa adaptativa contra ataques de doenças infecciosas. Essa defesa, que pode ser adquirida pelo contato direto com a doença ou pela aplicação de vacinas, é conhecida por memória imunológica. O entendimento da evolução das doenças, bem como da resposta imunológica dada por vacinas, são de inestimável importância para a tomada de decisões em políticas públicas. Uma maneira de entender o comportamento das doenças é modelar a dinâmica de sua evolução. Uma das possíveis formas de modelagem consiste na utilização de modelos comportamentais, os quais servem como uma simplicação do comportamento do organismo biológico, através da acoplagem da dinâmica em um sistema de equações diferenciais ordinárias. Nesta proposta estudamos especialmente o modelo compartimental SIRC, que relaciona os indivíduos divididos em compartimentos: suscetíveis (S), infectados (I), recuperados (R) e imunidade cruzada (C) com o diferencial de que utilizaremos o enlace da teoria do calculo fracionário, com o objetivo de aplicar as propriedades dos operadores diferenciais fracionários, os quais introduzem, de forma natural, processos de memória ao sistema dinâmico. Outra contribuição importante deste trabalho é a inserção de vacina (antígeno) ao modelo SIRC. Focamos nos efeitos do antígeno na dinâmica do compartimento imunidade cruzada e na dinâmica do sistema evolutivo, trazendo uma inovação para a atual proposta, já que, desconhecemos resultados na literatura nesse sentido. Mais especificamente, nossa contribuição neste trabalho consiste em provarmos resultados de boa colocação do modelo SIRC e com a introdução da vacinação considerando a dinâmica governada por derivadas fracionárias segundo Caputo. A este modelo chamamos de modelo SIRC Fracionário. Estendemos os resultados de boa colocação para o caso em que cada linha do sistema tenha uma derivada de ordem fracionária diferente, refletindo efeitos distintos de memória. Além disso, estabeleceremos resultados de estabilidade para os modelos estudados, demonstrando em que condições sobre os parâmetros no modelo as soluções são assintoticamente estáveis. Por fim, utilizaremos de métodos numéricos adequados para discutirmos os resultados para ordens de derivada fracionária em comparação com o modelo de ordem inteira, demonstrando que a introdução das derivadas de ordem fracionária apresenta um retardo na dinâmica do sistema, o qual pode ser interpretado como memória epidemiológica. Finalmente, exibiremos o efeito que a imposição da vacinação causa na dinâmica do sistema, mostrando os resultados que essa nova abordagem pode revelar.
- ItemModelagem computacional da propagação de espectro de ondas em tanques(2018) Rodrigues, Luciano; Gomes, Mateus das Neves; Isoldi, Liércio AndréEm engenharia existem, fundamentalmente, três ferramentas para desenvolvimento de projetos e análises de problemas, métodos analíticos, métodos numéricos e experimentais. Os trabalhos experimentais de Engenharia Oceânica e Naval tem usado tanques de ondas. No entanto, considerando o avanço dos computadores e dos modelos numéricos atualmente, na literatura, há diversos estudos considerando tanque de ondas para a simulação numérica. Desta forma os pesquisadores tem cada vez mais utilizado a modelagem computacional para analisar os processos oceânicos, uma vez que a simulação numérica é uma importante metodologia na execução de um projeto de engenharia, pois o experimental muitas vezes não é possível, seja pelo elevado custo financeiro e até mesmo por segurança. Neste sentido, o presente trabalho apresenta uma metodologia de simulação numérica de espectro de ondas em tanques numérico. O objetivo é obter recomendações sobre a discretização espacial e temporal, influência do número de componentes de ondas no espectro de ondas, a influência da profundidade da superfície livre e a influência do número de pontos considerados para a montagem da curva de densidade de energia através da Transformada Rápida de Fourier. Para tanto é considerado um espectro de ondas do tipo Pierson-Moskowitz, com altura e período significativos definidos. Além disso, uma importante atualização no modelo computacional é a eliminação da reflexão das ondas através de uma região de amortecimento, chamada de praia numérica. Para a solução numérica é empregado um código de dinâmica dos fluidos computacional, FLUENT® baseado no Método de Volumes Finitos (MVF). A geometria e a geração da malha são desenvolvidas no software GAMBIT®. O modelo multifásico Volume of Fluid (VOF) é aplicado no tratamento da interação água-ar. As recomendações obtidas, principalmente para a discretização espacial e temporal, indicam que é possível reproduzir numericamente a propagação de espectro de ondas em tanques com acurácia. Com isto, entende-se que este trabalho poderá ser utilizado como referencial, principalmente no estudo numérico de dispositivos conversores de energia das ondas do mar em energia elétrica, pois com as recomendações obtidas é possível simular computacionalmente espectro de ondas em tanques de ondas, o que representa um modelo mais realístico.
- ItemModelagem computacional de trocadores de calor solo-ar(2013) Brum, Ruth da Silva; Isoldi, Liércio AndréAtualmente, há um foco na busca por fontes de energia renováveis, bem como alternativas para racionalizar o uso de energia elétrica. Neste sentido, o emprego dos Trocadores de Calor Solo-Ar (TCSA) se destaca devido ao seu baixo consumo de energia. Basicamente, TCSA são sistemas nos quais o ar ambiente ´e aquecido ou resfriado através da sua circulação em dutos enterrados. Isto ocorre pela inércia térmica do solo, de modo que no verão este é mais frio que o ar externo, ocorrendo o contrário no inverno. Nesta disserta¸c˜ao, foram feitas avaliações num´ericas do potencial térmico do solo para a aplica¸c˜ao em projetos de TCSA, usando modelos computacionais em duas e três dimensões. Deve-se destacar que este trabalho contribuiu com a an´alise de novos modelos computacionais de TCSA, sendo um bidimensional e dois tridimensionais, cujo tempo de processamento foi inferior a 50% de outros modelos encontrados na literatura. Um estudo de caso foi desenvolvido onde a influência da profundidade de instalação no potencial térmico dos TCSA foi investigada. As simulações foram realizadas utilizando o software FLUENT que baseia suas aproximações no método de volumes finitos. O escoamento turbulento no duto foi abordado com o modelo das tensões de Reynolds. Os resultados do comportamento térmico do solo apresentaram uma excelente concordância com soluções analíıticas mostrando a validade e eficiência dos modelos computacionais. Os resultados numéricos dos modelos do solo também foram confrontados com os experimentais previstos na literatura e mostraram uma concordância qualitativamente satisfatória. A partir dos resultados numéricos obtidos, foi possíıvel avaliar o comportamento anual do campo de temperatura no solo e no interior do duto. No estudo de caso constatou-se que o potencial de resfriamento e aquecimento do ar aumenta com a profundidade de instalação dos dutos. Porém, a partir de 3m de profundidade, a temperatura de saída do ar teve um comportamento com pouca variação, não havendo ganho significativo em fazer escavações mais profundos. Para o resfriamento do ar, em particular, os resultados apontam que até mesmo dutos enterrados a pequenas profundidades podem ser eficazes.
- ItemSimulador de veículos subaquáticos não tripulados e estruturas do tipo cabo(2017) Scholl, Marcos Vinicius; Gomes, Sebastião Cícero PinheiroO ambiente subaquático e essencial para a vida. Além de seu efeito regulador em escalaglobal e de uma fonte de diversidade de vida, os recursos existentes em suas profundezas são essenciais para a sociedade moderna e a economia global, como é caso da indústria do petróleo e do gás offshore. Isso motiva o interesse da comunidade científica e o desenvolvimento da tecnologia necessária para explorar essa região relativamente desconhecida. Veículos não tripulados e estruturas como cabos/risers são equipamentos que tem atraído interesse especial na pesquisa de tecnologias subaquáticas. O objetivo do presente trabalho é prover uma ferramenta gráfica para análise do comportamento dinâmico de veículos subaquáticos não tripulados e deestruturas flexíveis do tipo cabo. A ferramenta fornece um cenário virtual de visualização realista tridimensional de um meio submerso, no qual animações dos equipamentos estudados são executadas, com base nos resultados de simulações numéricas de modelos dinâmicos destes. O software também é útil para analisar e planejar tarefas a serem executadas pelos veículos não tripulados. Essas são consideradas as principais contribuições desta dissertação. Inicialmente, apresenta-se a modelagem cinemática e dinâmica do veículo, desenvolvida considerando a interação entre o este, o meio aquático e a ação dos propulsores. A dinâmica de estruturas flexíveis do tipo cabo é modelada através de um processo de discretização, onde o cabo é considerado como uma cadeia cinemática serial com elos rígidos que são conectados entre si por juntas que permitem movimentos elásticos de azimute, elevação e torção. Então, utiliza-se o formalismo de Euler-Lagrange para a obtenção das equações dinâmicas do movimento. A interação entre o veículo não tripulado e o cabo, como é o caso da maioria dos veículos remotamente operados (ROV) é tratada como se o ROV fosse a carga terminal vinculada ao cabo, mas com dinâmica própria, onde são aplicadas forças externas. Para o desenvolvimento do software de animação tridimensional, foi realizado um estudo sobre modelagem e animação gráfica, tendo-se definido Python como a plataforma de programação. A interface com o usuário foi criada com o Qt framework, usando PyQt para isso. Para a animação, o Blender Game Engine foi selecionado. O ambiente virtual subaquático consiste em uma embarcação posicionada na origem do sistema de referência inercial, e um objeto tridimensional ROV que representa o veículo subaquático.As simulações consideram as interações entre as dinâmicas do veículo e do cabo umbilical, e os resultados são observados nas animações tridimensionais produzidas pelo software. O processo de modelagem do veículo e do cabo umbilical são apresentados juntamente com os aspectos de projeto e implementação do software. As animações produzidas foram analisadas qualitativamente, e se verificou que as simulações foram consistentes do ponto de vista físico, o que permite afirmar que o software cumpre seu objetivo de prover um ambiente virtual realista.