Modelagem computacional aplicada na estimação de parâmetros cinéticos em processos químicos e cromatográficos

A estimação de parâmetros cinéticos em processos químicos e cromatográficos utilizando técnicas numéricas assistidas por computadores tem conduzido para melhoria da eficiência e o favorecimento da compreensão das fenomenologias envolvidas nos mesmos. Na primeira parte deste trabalho será realizada a modelagem computacional do processo de produção de biodiesel via esterificação, sendo que, o método de otimização estocástica Random Restricted Window (R2W) será correlacionado com os dados experimentais da produção de biodiesel a partir da esterificação do ácido láurico com etanol anidro na presença do catalisador ácido nióbico (Nb2O5). Na segunda parte do mesmo será realizada a modelagem computacional do processo de cromatografia de adsorção (batch process) onde serão correlacionados os dados provenientes dos modelos cinéticos de HASHIM, CHASE e IKM2 com os dados experimentais da adsorção de amoxicilina com quitosana, e também serão correlacionados os dados experimentais da adsorção de Bovine Serum Albumin (BSA) com Streamline DEAE com os dados provenientes de uma nova aplicação do método R2W mediante a implementação de um modelo cinético reversível. Ademais, as constantes cinéticas para cada processo supracitado serão estimadas levando em consideração o valor mínimo da função resíduos quadrados.

Modelagem computacional da estabilização de sistemas subcríticos segundo o modelo unidimensional de difusão de nêutrons monoenergéticos

Um método numérico espectronodal (END) livre de erros de truncamento espacial é desenvolvido para problemas unidimensionais de difusão de nêutrons monoenergéticos em duas versões. Na versão de problemas de autovalor, o método gera soluções numéricas para o perfil do fluxo escalar e para o fator de multiplicação efetivo (k), que coincidem com a solução analítica dominante, afora os erros da aritmética finita computacional. Na versão de fonte fxa, o método também gera soluções numéricas analíticas para o problema de fonte fixa correspondente, onde a fonte de fissão, com dependência espacial, é obtida analiticamente, a partir da reconstrução espacial do fluxo escalar gerado pelo método END para problemas de autovalor. Alguns experimentos numéricos são apresentados para dois problemas modelos a fim de ilustrar a precisão do método.

Modelagem matemática determinística do fluxo do tráfego veicular

Nesta dissertação consideramos duas abordagens para o tráfego de veículos: a macroscópica e a microscópica. O tráfego é descrito macroscopicamente por três grandezas físicas interligadas entre si, a saber, a velocidade, a densidade e o fluxo, descrevendo leis de conservação do número de veículos. Há vários modelos para o tráfego macroscópico de veículos. A maioria deles trata o tráfego de veículos como um fluido compressível, traduzindo a lei de conservação de massa para os veículos e requer uma lei de estado para o par velocidade-densidade, estabelecendo uma relação entre eles. Já o modelo descrito pela abordagem microscópica considera os veículos como partículas individuais. Consideramos os modelos da classe "car - following". Estes modelos baseiam-se no princípio de que o (n - 1)-ésimo veículo (denominado de "following-car") acelera em função do estímulo que recebe do n-ésimo veículo. Analisamos a equação de conservação do número de veículos em modelos macroscópicos para fluxo de tráfego. Posteriormente resolvemos esta equação através da linearização do modelo, estudando suas retas características e apresentamos a resolução do problema não linear em domínios limitados utilizando o método das características

Biodegradação de hidrocarbonetos aromáticos policíclicos: prospecção metagenômica e modelagem computacional 3-D de proteínas

Knowledge of the native prokaryotes in hazardous locations favors the application of biotechnology for bioremediation. Independent strategies for cultivation and metagenomics contribute to further microbiological knowledge, enabling studies with non-cultivable about the "native microbiological status and its potential role in bioremediation, for example, of polycyclic aromatic hydrocarbons (HPA's). Considering the biome mangrove interface fragile and critical bordering the ocean, this study characterizes the native microbiota mangrove potential biodegradability of HPA's using a biomarker for molecular detection and assessment of bacterial diversity by PCR in areas under the influence of oil companies in the Basin Petroleum Geology Potiguar (BPP). We chose PcaF, a metabolic enzyme, to be the molecular biomarker in a PCR-DGGE detection of prokaryotes that degrade HPA s. The PCR-DGGE fingerprints obtained from Paracuru-CE, Fortim-CE and Areia Branca-RN samples revealed the occurrence of fluctuations of microbial communities according to the sampling periods and in response to the impact of oil. In the analysis of microbial communities interference of the oil industry, in Areia Branca-RN and Paracuru-CE was observed that oil is a determinant of microbial diversity. Fortim-CE probably has no direct influence with the oil activity. In order to obtain data for better understanding the transport and biodegradation of HPA's, there were conducted in silico studies with modeling and simulation from obtaining 3-D models of proteins involved in the degradation of phenanthrene in the transport of HPA's and also getting the 3-D model of the enzyme PcaF used as molecular marker in this study. Were realized docking studies with substrates and products to a better understanding about the transport mechanism and catalysis of HPA s

Modelagem computacional de dados magnetotelúricos marinhos 2-D

O presente trabalho tem como objetivo investigar o espalhamento das ondas planas causados pela variação lateral das propriedades físicas das rochas. Essa é uma das questões mais importante para o sucesso da exploração geofísica. O método geofísico usado nesta dissertação foi método magnetotelúrico (MT) e método Magnetotelúrico marinho (mMT). Umas das ferramentas utilizadas foram o método dos elementos finitos, este método é notável pela flexibilidade em resolver numericamente as equações diferenciais para campos eletromagnéticos secundários, gerados por estruturas geológicas com geometrias complexas, sendo utilizado para obter a solução numérica do espalhamento do campo eletromagnético da onda plana por um dique vertical (modelos bidimensionais). Os algoritmos desenvolvidos foram aplicados em diversos modelos de dique vertical, com diferentes parâmetros geoelétricos.

Modelagem computacional de óxidos da família das perovskitas

Pós-graduação em Ciência e Tecnologia de Materiais - FC

Modelagem computacional das túnicas cardíacas para processamento e controle de qualidade

This paper considers a study of the anatomical features of the cardiac system and a three-dimensional model of the different tunics that comprise the heart wall, for processing and quality control of radiological images. The structures are built by the layer overlapping method, where a layer can be understood as a slice of the three-dimensional object. The pericardium, myocardium and endocardium were represented with three-dimensional cylinders and hexagons. The spatial arrangement of the cardiac system is determined by an background image of a real model, which values are defined according to the shape of the region and on the anatomical patients characteristics. The results are significant, considering the anatomical structures details, as well as the representation of the thicknesses of the regions of the heart wall. The validation of the anatomical model was accomplished through comparisons with dimensions obtained from a real model and allows verifying that the model is appropriate. The degree of representation will allow the verification of the influence of radiological parameters, morphometric peculiarities and stage of the diseases on the quality of the images, as well as on the performance of the Computer-Aided Diagnosis (CAD).

Análise de teses internalistas subjacentes à modelagem computacional da mente em uma perspectiva situada, incoporada e auto organizada

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Simulação e modelagem computacional de dados de espalhamento à baixos ângulos - enfoque em estruturas de alta simetria

Esta tese apresenta uma abordagem para a criação rápida de modelos em diferentes geometrias (complexas ou de alta simetria) com objetivo de calcular a correspondente intensidade espalhada, podendo esta ser utilizada na descrição de experimentos de es- palhamento à baixos ângulos. A modelagem pode ser realizada com mais de 100 geome- trias catalogadas em um Banco de Dados, além da possibilidade de construir estruturas a partir de posições aleatórias distribuídas na superfície de uma esfera. Em todos os casos os modelos são gerados por meio do método de elementos finitos compondo uma única geometria, ou ainda, compondo diferentes geometrias, combinadas entre si a partir de um número baixo de parâmetros. Para realizar essa tarefa foi desenvolvido um programa em Fortran, chamado de Polygen, que permite modelar geometrias convexas em diferentes formas, como sólidos, cascas, ou ainda com esferas ou estruturas do tipo DNA nas arestas, além de usar esses modelos para simular a curva de intensidade espalhada para sistemas orientados e aleatoriamente orientados. A curva de intensidade de espalhamento é calculada por meio da equação de Debye e os parâmetros que compõe cada um dos modelos, podem ser otimizados pelo ajuste contra dados experimentais, por meio de métodos de minimização baseados em simulated annealing, Levenberg-Marquardt e algorítmicos genéticos. A minimização permite ajustar os parâmetros do modelo (ou composição de modelos) como tamanho, densidade eletrônica, raio das subunidades, entre outros, contribuindo para fornecer uma nova ferramenta para modelagem e análise de dados de espalhamento. Em outra etapa desta tese, é apresentado o design de modelos atomísticos e a sua respectiva simulação por Dinâmica Molecular. A geometria de dois sistemas auto-organizado de DNA na forma de octaedro truncado, um com linkers de 7 Adeninas e outro com linkers de ATATATA, foram escolhidas para realizar a modelagem atomística e a simulação por Dinâmica Molecular. Para este sistema são apresentados os resultados de Root Mean Square Deviations (RMSD), Root Mean Square Fluctuations (RMSF), raio de giro, torção das hélices duplas de DNA além da avaliação das ligações de Hidrogênio, todos obtidos por meio da análise de uma trajetória de 50 ns.

Modelagem computacional para avaliação da interação entre painéis de alvenaria e estrutura de suporte em concreto armado

The developed study proposes a new computer modeling efficient and easy to apply in usual project situations to evaluate the interaction between masonry panels and support structure. The proposed model simulates the behavior of the wall exclusively using frame finite elements, thus compounding an equivalent frame. The validation was performed in two ways: firstly, through the analysis of various panels of generic plans, comparing the results obtained from equivalent frame model with the ones from a reference model, which uses shell finite elements in discretization of the walls; and in a second step, comparing with the results of the experimental model of Rosenhaupt. The analyzes considered the linear elastic behavior for materials and consisted basically in the evaluation of vertical displacements and efforts in support beams, and tensions at the base of walls. Was also evaluated, from flat and threedimensional modeling of some walls from a real project, important aspects of the wall-beam interaction, e.g.: the presence of openings of doors and windows, arranged in any position; conditions of support and linking of beams; interference of moorings between walls; and consideration of wind action. The analysis of the achieved results demonstrated the efficiency of the proposed modeling, since they have very similar aspects in the distribution of stresses and efforts, always with intensities slightly larger than those of the reference and experimental models.

Condições de contorno tipo albedo para cálculos globais de reatores nucleares com o modelo de dois grupos de energia na formulação de transporte SN em geometria bidimensional cartesiana

Os eventos de fissão nuclear, resultados da interação dos nêutrons com os núcleos dos átomos do meio hospedeiro multiplicativo, não estão presentes em algumas regiões dos reatores nucleares, e.g., moderador, refletor, e meios estruturais. Nesses domínios espaciais não há geração de potência nuclear térmica e, além disso, comprometem a eficiência computacional dos cálculos globais de reatores nucleares. Propomos nesta tese uma estratégia visando a aumentar a eficiência computacional dessas simulações eliminando os cálculos numéricos explícitos no interior das regiões não-multiplicativas (baffle e refletor) em torno do núcleo ativo. Apresentamos algumas modelagens e discutimos a eficiência da aplicação dessas condições de contorno aproximadas tipo albedo para uma e duas regiões nãomultiplicativas, na formulação de ordenadas discretas (SN) para problemas de autovalor a dois grupos de energia em geometria bidimensional cartesiana. A denominação Albedo, palavra de origem latina para alvura, foi originalmente definida como a fração da luz incidente que é refletida difusamente por uma superfície. Esta denominação latina permaneceu como o termo científico usual em astronomia e, nesta tese, este conceito é estendido para reflexão de nêutrons. Estas condições de contorno tipo albedo SN não-convencional substituem aproximadamente as regiões de baffle e refletor no em torno do núcleo ativo do reator, desprezando os termos de fuga transversal no interior dessas regiões. Se o problema, em particular, não possui termos de fuga transversal, i.e., trata-se de um problema unidimensional, então as condições de contorno albedo, como propostas nesta tese, são exatas. Por eficiência computacional entende-se a análise da precisão dos resultados numéricos em comparação com o tempo de execução computacional de cada simulação de um dado problema-modelo. Resultados numéricos considerando dois problemas-modelo com de simetria são considerados para ilustrar esta análise de eficiência.

Modelagem Matemática e Computacional de fenômenos eletrocinéticos em meios porosos carregados eletricamente

In this work we present a mathematical and computational modeling of electrokinetic phenomena in electrically charged porous medium. We consider the porous medium composed of three different scales (nanoscopic, microscopic and macroscopic). On the microscopic scale the domain is composed by a porous matrix and a solid phase. The pores are filled with an aqueous phase consisting of ionic solutes fully diluted, and the solid matrix consists of electrically charged particles. Initially we present the mathematical model that governs the electrical double layer in order to quantify the electric potential, electric charge density, ion adsorption and chemical adsorption in nanoscopic scale. Then, we derive the microscopic model, where the adsorption of ions due to the electric double layer and the reactions of protonation/ deprotanaç~ao and zeta potential obtained in modeling nanoscopic arise in microscopic scale through interface conditions in the problem of Stokes and Nerst-Planck equations respectively governing the movement of the aqueous solution and transport of ions. We developed the process of upscaling the problem nano/microscopic using the homogenization technique of periodic structures by deducing the macroscopic model with their respectives cell problems for effective parameters of the macroscopic equations. Considering a clayey porous medium consisting of kaolinite clay plates distributed parallel, we rewrite the macroscopic model in a one-dimensional version. Finally, using a sequential algorithm, we discretize the macroscopic model via the finite element method, along with the interactive method of Picard for the nonlinear terms. Numerical simulations on transient regime with variable pH in one-dimensional case are obtained, aiming computational modeling of the electroremediation process of clay soils contaminated

Aplicação da modelagem estrutural computacional direta na análise da geometria de falhas: exemplo da falha de Baixa Grande (Bacia Potiguar - NE do Brasil)

The Baixa grande fault is located on the edge of the S-SW Potiguar Rift. It limits the south part of Umbuzeiro Graben and the Apodi Graben. Although a number of studies have associated the complex deformation styles in the hanging wall of the Baixa Grande Fault with geometry and displacement variations, none have applied the modern computational techniques such as geometrical and kinematic validations to address this problem. This work proposes a geometric analysis of the Baixa Fault using seismic interpretation. The interpretation was made on 3D seismic data of the Baixa Grande fault using the software OpendTect (dGB Earth Sciences). It was also used direct structural modeling, such as Analog Direct Modeling know as Folding Vectors and, 2D and 3D Direct Computational Modeling. The Folding Vectors Modeling presented great similarity with the conventional structural seismic interpretations of the Baixa Grande Fault, thus, the conventional interpretation was validated geometrically. The 2D direct computational modeling was made on some sections of the 3D data of the Baixa Grande Fault on software Move (Midland Valley Ltd) using the horizon modeling tool. The modeling confirms the influence of fault geometry on the hanging wall. The Baixa Grande Fault ramp-flat-ramp geometry generates synform on the concave segments of the fault and antiform in the convex segments. On the fault region that does not have segments angle change, the beds are dislocated without deformation, and on the listric faults occur rollover. On the direct 3D computational modeling, structural attributes were obtained as horizons on the hanging wall of the main fault, after the simulation of several levels of deformation along the fault. The occurrence of structures that indicates shortening in this modeling, also indicates that the antiforms on the Baixa Grande Fault were influenced by fault geometry

Modelagem e avaliação comparativa dos métodos Luus-Jaakola e R2W aplicados na estimativa de parâmetros cinéticos de adsorção

As técnicas inversas têm sido usadas na determinação de parâmetros importantes envolvidos na concepção e desempenho de muitos processos industriais. A aplicação de métodos estocásticos tem aumentado nos últimos anos, demonstrando seu potencial no estudo e análise dos diferentes sistemas em aplicações de engenharia. As rotinas estocásticas são capazes de otimizar a solução em uma ampla gama de variáveis do domínio, sendo possível a determinação dos parâmetros de interesse simultaneamente. Neste trabalho foram adotados os métodos estocásticos Luus-Jaakola (LJ) e Random Restricted Window (R2W) na obtenção dos ótimos dos parâmetros cinéticos de adsorção no sistema de cromatografia em batelada, tendo por objetivo verificar qual método forneceria o melhor ajuste entre os resultados obtidos nas simulações computacionais e os dados experimentais. Este modelo foi resolvido empregando o método de Runge- Kutta de 4 ordem para a solução de equações diferenciais ordinárias.