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Federal do Rio Grande
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IMEF - Pós-Graduação em Modelagem Computacional

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    Otimização geométrica de cavidades resfriadoras através da aplicação da teoria construtal e inteligência computacional
    (2020) Gonzales, Gill Velleda; Santos, Elizaldo Domingues dos; Neto, Antônio José da Silva
    Este estudo aborda a aplicação da Inteligência Computacional associada ao Design Construtal para a otimização geométrica em problemas de transferência de calor. É proposta a aplicação dos algoritmos de Recozimento Simulado e Evolução Diferencial para a otimização geométrica de cavidades resfriadoras inseridas em um meio com geração de calor constante. Os indicadores de performance, restrições e o espaço de busca das configurações geométricas a serem avaliadas no processo de otimização são definidos através do método Design Construtal. O principal objetivo do problema de interesse é a minimização da temperatura máxima adimensional através da otimização geométrica. Para geometrias simples, com poucos graus de liberdade, o método de Busca Exaustiva é empregado no processo de otimização. Porém, geometrias complexas requerem um maior esforço computacional. As cavidades investigadas neste estudo possuem até sete graus de liberdade, o que inviabiliza o emprego do método de Busca Exaustiva para uma avaliação completa da geometria. Nesses casos, são aplicadas meta-heurísticas para a otimização geométrica. Portanto, este trabalho investigou a utilização de diferentes métodos de Inteligência Computacional, bem como buscou seus melhores parâmetros quando aplicados a problemas de otimização geométrica de cavidades resfriadoras. Os resultados mostram que o método de Evolução Diferencial com uma correta configuração de parâmetros pode tornar a busca por geometrias ótimas mais eficiente, com resultados mais confiáveis e requerendo um menor esforço computacional. Outrossim, este trabalho avaliou se os métodos de otimização empregados conduziram à reprodução adequada do efeito das razões geométricas (graus de liberdade) sobre o desempenho térmico do sistema. De acordo com os resultados da avaliação geométrica da cavidade Duplo-T, considerando as meta-heurísticas avaliadas, o algoritmo de Evolução Diferencial foi o método que apresentou o melhor desempenho na correta reprodução do efeito dos graus de liberdade sobre a performance térmica do domínio. O método de Evolução Diferencial foi aplicado na avaliação geométrica de uma nova cavidade, proposta nesse trabalho, com a forma de Duplo-Y. Os resultados obtidos na avaliação geométrica da cavidade Duplo-Y apontam paro o bom desempenho da meta-heurística empregada, assim como, o conjunto de parâmetros utilizados, de forma a contribuir significativamente com a recomendação da metodologia para a investigação de geometrias complexas na pesquisa de cavidades resfriadoras.
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    Modelo de reconstrução de imagens afetadas por variação na exposição baseado em redes neurais convolucionais
    (2021) Steffens, Cristiano Rafael; Botelho, Silvia Silva da Costa; Drews Junior, Paulo Lilles Jorge
    O trabalho apresenta um modelo de rede neural artificial para restauração de imagens danificadas por exposição inadequada, contemplando condições de sub-exposição e sobre-exposição. O problema abordado tem relevância em aplicações de visão computacional que envolvem obtenção de imagens em cenas onde a limitação do sensor ou arranjo óptico impedem que os detalhes da cena sejam adequadamente representados na imagem capturada. Em função da variabilidade de equipamentos e técnicas de fotografia disponíveis, da quantidade de circunstâncias não controladas que impactam o processo de aquisição de imagens opta-se pela modelagem baseada em redes neurais profundas. Nesta abordagem uma arquitetura de rede combinado com um procedimento de ajuste é capaz de convergir em um modelo a partir de dados pareados compostos por uma imagem com exposição inapropriada para a cena e uma imagem com a exposição adequada. A proposição desta modelagem leva em consideração os avanços recentes propiciados por redes convolucionais em problemas como segmentação semântica, transformação imagem- imagem e classificação de objetos em imagens, resultando em um modelo compacto e que pode ser incorporado como uma etapa de pré-processamento em aplicações de visão computacional. Com relação aos procedimentos técnicos, pode-se caracterizar a metodologia científica da pesquisa proposta em bibliográfica, descritiva e experimental. No que tange a avaliação dos resultados da pesquisa utilizam-se medidas de qualidade de imagem para avaliar a qualidade dos resultados produzido e métricas objetivas para avaliar o impacto desta em aplicações de visão computacional. Utiliza-se também a análise qualitativa para discutir os aspectos conceituais e explicitar o funcionamento do modelo, evidenciando o impacto das escolhas técnicas realizadas. Os resultados obtidos, tanto em termos de aprimoramento visual quanto na aplicação do modelo em problemas típicos da computação visual indicam que o modelo de rede neural convolucional proposto é capaz de melhorar imagens danificadas pela heterogeneidade de exposição, oferecendo ganho sobre métodos estado-da-técnica, tanto em conjuntos de dados simulados quanto em dados reais.
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    Agente de interface persuasivo baseado em classificadores bayesianos e teoria da escolha social para o problema de cold-start em sistemas de recomendação
    (2021) Guimaraes, Marcus Vinicius Freire; Emmendorfer, Leonardo Ramos; Adamatti, Diana Francisca
    Esta tese visa apresentar uma abordagem para solucionar o problema de Cold-Start em sistemas de recomendação de conteúdo. Este problema caracteriza-se por tentar responder o seguinte questionamento: como e o que recomendar para usuários novos em uma plataforma digital? Para isso, diversas abordagens já foram propostas na literatura, contudo, ainda sem um consenso para solucionar o problema. Entretanto, para que um sistema de recomendação seja desenvolvido, são necessários dados. Porém, estas informações não são facilmente acessíveis ou disponibilizadas por empresas. As principais tecnologias de recomendação de conteúdo são proprietárias e não encontradas em domínio público. Para contornar este cenário, esta tese apresenta uma contribuição onde um algoritmo, baseado em interações de agentes autônomos, é capaz de simular um conjunto de dados com propósito de atuação em situações de comércio eletrônico. Consequentemente, após a validação das informações geradas, um novo passo para contribuir com o estado da arte na área de sistemas persuasivos e de recomendação foi a elaboração de um agente de interface baseado em classificadores Bayesianos e Teoria da Escolha Social para processar, refinar e recomendar conteúdos personalizados. Tais processos atuarão como filtragem dos dados em duas etapas. A primeira com o uso de classificadores Bayesianos, visa a refinamento das informações em tempo real do coletivo próximo às características do usuário. Em um segundo momento, ocorre o ranqueamento de preferências individuais em busca de uma regra coletiva. Este segundo filtro será obtido com o uso da Teoria da Escolha Social através do método de contagem de Borda. Os resultados encontrados demonstram que o algoritmo gerador de dados assemelha-se a alguns bancos de dados disponibilizados para fins de pesquisa assim como o agente de interface é capaz de recomendar conteúdos personalizados de acordo com as características do usuário que estiver acessando a plataforma naquele exato momento.
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    Modelagem do ritmo circadiano com derivadas de ordem fracionária: modelo de fase e modelo PIM
    (2021) Glaeser, Stefania da Silveira; Cezaro, Adriano de; Cezaro, Fabiana Travessini de
    Nesta tese estudamos a existência de soluções analíticas sincronizadas para o modelo de osciladores acoplados em fase, proposto por Strogatz [50], para os ritmos biológicos de sono-vigília e temperatura corporal, com generalizações em duas direções. Na primeira, introduzimos as derivadas de ordem fracionaria para verificarmos a influência da memória é denominamos de Modelo de Fase Fracionário. Na segunda direção, incorporamos mais um oscilador, que representa a dor, na dinâmica do problema e denominamos este Modelo de PIM (pain influenced model). Para ambos os modelos, a boa-colocação do problema de valor inicial associado e demonstrada. Além disso, obtivemos as soluções analíticas sincronizadas, dos dois modelos propostos, sempre que a dinâmica fracionária adotada seja a mesma para todos os osciladores. No caso de dinâmicas com ordens fracionárias distintas, mostramos a existência de limitantes superiores e inferiores, para quaisquer que sejam as soluções sincronizadas dos modelos estudados, em termos das forças de acoplamento e das frequências intrínsecas do modelo. Estes resultados, em particular, implicam na derivação de relações explícitas, para as soluções sincronizadas do modelo, em termos das forças de acoplamento e das diferenças de fase dos osciladores estudados (conhecidas como restrições de Winfree). Esta caracterização permite uma simples escolha dos parâmetros para as simulações numéricas apresentadas, as quais descrevem os resultados teóricos obtidos. Tanto os resultados teóricos quanto os numéricos apresentados nesta tese são motivados pela análise de dados reais de pacientes submetidos a procedimentos cirúrgicos, disponibilizados por um grupo de pesquisa da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Ambos resultados colaboram para a conjectura de que a existência de memoria reforça a sincronização do ritmo circadiano. A sincronização, por sua vez, implica em menor perturbação de influências externas (como a dor) na ritmicidade.
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    Simulação numérica e design construtal aplicados à flambagem biaxial elasto-plástica de placas perfuradas
    (2021) Silveira, Thiago da; Isoldi, Liércio André; Santos, Elizaldo Domingues dos
    A engenharia estrutural está em constante evolução e a cada dia surgem novas necessidades para serem supridas. A placa fina é um dos elementos mais utilizados para a concepção de estruturas, seja ela diretamente ligada à resistência estrutural ou apenas como complemento da estrutura. Estes elementos podem ser visualizados em projetos navais, aeroespaciais, de plataformas offshore, do setor automotivo e da construção civil. As placas podem estar submetidas a carregamentos compressivos no seu plano, o que as torna propícias a incorrer em flambagem, um fenômeno de instabilidade estrutural que provoca deslocamentos para fora do plano da placa. Sabese que a flambagem elástica não determina a falha de um elemento de placa, uma vez que é possível incrementar o carregamento externo além da carga crítica até que seja atingida a tensão última da flambagem elasto-plástica. Por vezes placas finas precisam apresentar perfurações com o objetivo de alívio de peso, montagem, dentre outros. Portanto, é importante que se tenha o conhecimento de como estas estruturas são afetadas pela presença de furos. Este trabalho analisa a flambagem elastoplástica de placas finas, quadradas e retangulares, com furos elípticos centrados, sob solicitação compressiva e biaxial. Para variar as geometrias do furo foi utilizada a razão entre os volumes do furo e da placa, chamada de fração volumétrica. Ainda, a aplicação do furo foi feita com diferentes ângulos de inclinação em relação à horizontal. Neste trabalho o Design Construtal, método já bastante explorado na área de transferência de calor e massa, teve provada a sua eficácia quanto à aplicação em problemas de engenharia estrutural. Associado ao Método dos Elementos Finitos e à técnica da Busca Exaustiva, obteve-se as geometrias ótimas que conduzem aos melhores comportamentos mecânicos das placas. Três razões de aspecto da placa foram analisadas: b/a = 1; 0,5 e 0,25, onde a e b são o comprimento e a largura da placa, respectivamente. A placa retangular sem perfuração com b/a = 0,25 é superior às demais pois a placa quadrada apresentou uma deflexão 229,4% maior, para a mesma tensão última. Quanto às placas perfuradas, notou-se que para as placas quadradas o ângulo de inclinação do furo não afeta os resultados das geometrias otimizadas, pois todos os ótimos foram obtidos para o furo circular. Para as placas retangulares, b/a = 0,5; conforme o furo aumenta, a geometria ótima assume um formato alongado no eixo X, enquanto que para b/a = 0,25 as geometrias ótimas são mais alongadas na direção Y. A perfuração causa a redução da resistência mecânica da placa, tornando-se mais significativa conforme o furo aumenta, enquanto a variação geométrica do furo pode aumentar em até 175,2% o comportamento mecânico da placa.
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    Desenvolvimento de modelagem computacional e avaliação geométrica de chicanas em um tanque misturador aplicando o método design construtal
    (2021) Soares, Laísa Luiz; Galarca, Marcelo Moraes; Santos, Elizaldo Domingues dos
    O presente trabalho apresenta um estudo da influência geométrica de chicanas sobre o escoamento em um tanque misturador. Para isso, um dos objetivos desta pesquisa é desenvolver um modelo computacional para simular a rotação do impelidor sem a necessidade de utilizar um modelo de malha móvel, o que causaria maior esforço e tempo computacional. Assim, foi implementado um código numérico que utiliza uma fonte de quantidade de movimento para simular a rotação do impelidor no interior do tanque, sem a necessidade de representação das fronteiras físicas do mesmo. O código é executado por meio de uma ferramenta existente no ANSYS/FLUENT® v.14.5, chamada UDF- User Defined Function. Este modelo foi comparado com o modelo de malha móvel, e ambos foram verificados e validados a partir de dados encontrados na literatura. O segundo objetivo do trabalho é o de avaliação geométrica das chicanas aplicando o método Design Construtal, baseado na lei Construtal. Com a aplicação deste método, espera-se melhorar o balanceamento de todas as resistências do escoamento no sistema, variando a quantidade e a dimensão das chicanas, a fim de encontrar configurações geométricas que indiquem uma maior eficiência da mistura. Os graus de liberdade do problema são as quantidades de chicanas (Na) e a razão L/B (largura/comprimento das chicanas). Os indicadores de performance são considerados a partir da minimização do tempo de homogeneização e do desvio padrão da mistura. As equações de conservação de massa, quantidade de movimento e uma equação de transporte foram resolvidas através do método dos volumes finitos utilizando o software ANSYS/FLUENT® v.14.5, para modelar um escoamento tridimensional, turbulento e incompressível. Para a modelagem da turbulência foi utilizado � − �. O modelo de termo fonte apresentou uma significativa redução do esforço computacional em relação ao modelo de malha móvel, o que permitiu realizar a avaliação geométrica das chicanas no interior do tanque. Os resultados demonstraram que, a aplicação do Design Construtal permitiu obter recomendações teóricas importantes sobre a influência das chicanas na distribuição da espécie transportada (representando a mistura) e no tempo necessário para homogeneizar a mistura no tanque. Os resultados indicam que, considerando os dois indicadores de performance (tempo de homogeneização e desvio padrão da mistura) o caso que apresentou a melhor eficiência foi o tanque com 4 chicanas e razão L/B = 1. Por outro lado, se o número de potência for considerado no problema, existem outras recomendações. Neste caso, o tanque que apresentou a melhor eficiência foi o tanque com 8 chicanas e razão L/B = 0,25, apresentando o menor desvio padrão e a menor potência simultaneamente.
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    Simulação de meso e microescala dos ventos no extremo sul do Brasil
    (2022) Gomes, Camila e Silva; Krusche, Nisia
    O aumento na demanda por energia elétrica de fontes sustentáveis e o desenvolvimento da indústria eólica indicam que aerogeradores estão sendo instalados em diferentes locais. Em cada ambiente de instalação devem ser observadas certas peculiaridades, o que torna necessária uma modelagem adequada das características do vento. A fim de avaliar corretamente a produção de energia eólica em cada região, neste trabalho foi aplicado um modelo de mesoescala associado a um modelo de simulação grandes turbilhões para simular a circulação local na região da cidade do Rio Grande, na costa sul do estado do Rio Grande do Sul. Foram realizadas simulações para o período de fevereiro de 2015, com três e cinco domínios na horizontal e com 47 e 83 níveis na vertical em cada domínio horizontal. As componentes zonal, meridional e vertical do vento e a temperatura virtual foram comparadas a dados observacionais de alta frequência medidos na área de estudo. O modelo de mesoescala representa adequadamente as componentes zonal e meridional, mas a componente vertical do vento apresenta muitas diferenças em relação a observação, o que impacta na simulação dos fluxos verticais e dos diferentes parâmetros da turbulência atmosférica, como a velocidade de atrito, fluxo de calor sensível e parâmetro de estabilidade. Observa-se que a componente vertical do vento tem melhor representação na simulação de grandes turbilhões com 83 níveis verticais e quando há aumento de intensidade durante o período noturno. Quando são comparados os resultados da simulação utilizando a modelagem de grandes turbilhões com a simulação de mesoescala, encontra-se valores bem próximos e correlação acima de 90% para as componentes zonal e meridional do vento e temperatura virtual próxima de 80% para a vertical. Propõe-se que para fazer previsão de potência eólica nessa região é mais eficiente, em termos de custos computacionais, a utilização da modelagem de mesoescala com espaçamento de grade horizontal de 540 m e 83 níveis na vertical. Para a análise dos fluxos e variáveis dependentes da componente vertical do vento, é necessária a utilização da modelagem de grandes turbilhões. A perspectiva futura desta pesquisa é expandir a área de estudo para outras regiões vizinhas e comparar os dados de previsão com os dados de geração efetiva nos parques eólicos já existentes.
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    Estudo numérico da dispersão de poluentes na atmosfera empregando o cálculo fracionário
    (2022) Scotton, Jaque Willian; Goulart, Antonio Gledson de Oliveira; Suarez, Julian Moises Sejje
    Neste trabalho, são apresentadas simulações bidimensionais e tridimensionais da dispersão de poluentes na Camada Limite Planetária empregando a equação da advecção-difusão com derivadas fracionárias, considerando as definições de Riemann-Liouville e de Caputo, visando verificar as potencialidades dos modelos fracionários baseados em cada uma dessas definições na descrição da dispersão de contaminantes na atmosfera. Os resultados obtidos são confrontados com os dados dos experimentos de Copenhagen (condições atmosféricas instáveis), de Prairie-Grass (condições atmosféricas instáveis e estáveis) e de Hanford (condições atmosféricas estáveis) e mostram que o emprego de derivadas com ordens diferentes das utilizadas na equação da advecção-difusão clássica levam a resultados melhores tanto para os experimentos realizados sob condições estáveis quanto para os realizados sob condições instáveis.
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    Sistemas dinâmicos com derivadas fracionárias aplicado a problemas de populações interagentes
    (2022) Tavares, Cibelle Abelenda; Lazo, Matheus Jatkoske
    O 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.
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    Analise numérica das alterações no padrão de formação, comportamento e destino da pluma na Lagoa dos Patos, em função da obra de modernização dos molhes da Barra do Rio Grande
    (2022) Monteiro, Nágila Veiga Adrião; Marques, Willian Correa; Isoldi, Liércio André; Fernandes, Elisa Helena Leão; Costi, Juliana
    A pluma costeira proveniente do estuário da Lagoa dos Patos, em Rio Grande, no Rio Grande do Sul, influencia diretamente as águas costeiras da plataforma do Atlântico Sul. Sua atuação ocasiona variações de concentração de material em suspensão, turbidez e salinidade, que podem afetar a produtividade biológica, a qualidade da água e os interesses econômicos do Porto de Rio Grande. Visando proporcionar melhorias na navegabilidade dos navios que entram no Porto de Rio Grande, foram construídas na desembocadura da Lagoa dos Patos estruturas costeiras, chamado Molhes da Barra. Um destes molhes está localizado na costa do município de São José do Norte, a leste, e o outro a oeste, em Rio Grande, com extensões iniciais de 4.2 km e 3.5 km, respectivamente, constituindo o chamado Cenário I neste estudo. Em 2010, os molhes passaram por obras de modernização para ampliar as atividades portuárias locais, quando houve um prolongamento de 370 m no molhe leste e 700 m no molhe oeste, dando origem ao Cenário II deste estudo. O objetivo deste trabalho é analisar as alterações no padrão de formação, comportamento e destino da pluma nos dois cenários de configuração dos molhes, em períodos de baixa e de alta descarga da lagoa. Para isso, foram realizadas simulações numéricas com o sistema de modelagem Open TELEMAC-MASCARET, contando com o módulo hidrodinâmico acoplado ao módulo de transporte de material em suspensão. O modelo hidrodinâmico passou por calibração dos dados de velocidade de corrente na superfície e do fundo da Lagoa dos Patos, com Relative Mean Absolute Error considerado bom e Root Mean Square Error excelente. Na sequência, o modelo foi validado, utilizando dados de salinidade do período de janeiro de 2017, demonstrando boa correlação entre os dados medidos e os resultados simulados. Para estudo de caso, foi anteposto o ano de 2015, associado à ocorrência do fenômeno El Niño - Oscilação sul. Para a análise dos resultados foram selecionados dois períodos de descarga nas simulações, um de baixa e um de alta descarga. Ambos os períodos permitiram observar padrões no comportamento da pluma da Lagoa dos Patos. Foram analisadas médias de superfície e séries temporais de variáveis como salinidade, elevação da superfície livre, velocidade de corrente, sedimento em suspensão e o fluxo de deposição de sedimentos, a partir de pontos extraídos e perfis próximo à desembocadura. Junto às médias dos resultados extraídos, aplicou-se a correlação de Sperman e diagramas de caixa com mínimo, máximo, primeiro e terceiro quartil e mediana, os quais forneceram variáveis quantitativas para análise dos cenários e períodos. A análise do período de baixa descarga foi importante para observar a salinidade. Já o período de alta descarga foi importante para analisar o comportamento do sedimento em suspensão e o fluxo de deposição próximo à desembocadura nos cenários. A descarga dos tributários é o fator prioritário controlando a formação da pluma costeira da Lagoa dos Patos e sua extensão. O vento, no que lhe concerne, tem influência na dinâmica da pluma. Em ambos os cenários e períodos estudados, há um direcionamento da pluma para o sudoeste da desembocadura. Ao examinar a salinidade, a pluma de campo próximo se mostra menor no Cenário II, o que sugere um aumento de corrente, menor pressão na desembocadura, turbulência no campo de ressuspensão e mistura no campo distante em relação ao Cenário I. A presença dos molhes favorece a formação de vórtices anticiclônicos na plataforma, evidenciado na alta descarga, próximo à desembocadura, favorecendo o fluxo de deposição do sedimento suspenso na zona de recirculação e dificultando o transporte do sedimento para o campo distante.