Problemas inversos aplicados à identificação de parâmetros hidrodinâmicos de um modelo do estuário do rio Macaé

Esta tese tem por objetivo propor uma estratégia de obtenção automática de parâmetros hidrodinâmicos e de transporte através da solução de problemas inversos. A obtenção dos parâmetros de um modelo físico representa um dos principais problemas em sua calibração, e isso se deve em grande parte à dificuldade na medição em campo desses parâmetros. Em particular na modelagem de rios e estuários, a altura da rugosidade e o coeficiente de difusão turbulenta representam dois dos parâmetros com maior dificuldade de medição. Nesta tese é apresentada uma técnica automatizada de estimação desses parâmetros através deum problema inverso aplicado a um modelo do estuário do rio Macaé, localizado no norte do Rio de Janeiro. Para este estudo foi utilizada a plataforma MOHID, desenvolvida na Universidade Técnica de Lisboa, e que tem tido ampla aplicação na simulação de corpos hídricos. Foi realizada uma análise de sensibilidade das respostas do modelo com relação aos parâmetros de interesse. Verificou-se que a salinidade é uma variável sensível a ambos parâmetros. O problema inverso foi então resolvido utilizando vários métodos de otimização através do acoplamento da plataforma MOHID a códigos de otimização implementados em Fortran. O acoplamento foi realizado de forma a não alterar o código fonte do MOHID, possibilitando a utilização da ferramenta computacional aqui desenvolvida em qualquer versão dessa plataforma, bem como a sua alteração para o uso com outros simuladores. Os testes realizados confirmam a eficiência da técnica e apontam as melhores abordagens para uma rápida e precisa estimação dos parâmetros.

Adsorção de quinolina em sílica-alumina a partir de soluções com n-hexadecano por calorimétrica: estudo da cinética e da isoterma

As legislações ambientais estão cada vez mais severas em relação à quantidade de compostos sulfurados eliminada na atmosfera pela queima de combustíveis fósseis. Os processos de adsorção têm se destacado como uma alternativa promissora na remoção de sulfurados presentes em combustíveis. Nos estudos de adsorção, ensaios de cinética e isoterma usando banhos agitados são frequentemente utilizados na avaliação do desempenho dos adsorventes na remoção desejada. Apesar de úteis, tais ensaios apresentam algumas limitações quando os sistemas analisados envolvem elevadas relações entre a concentração inicial de soluto e massa de adsorvente. Alternativamente, este trabalho apresenta uma estratégia envolvendo a técnica da adsorção utilizando a calorimetria para o estudo de cinética e isoterma térmica de quinolina em uma sílica-alumina comercial a partir de soluções em n-hexadecano. Diferentemente das outras técnicas citadas, a adsorção por calorimetria possibilitou, em um único ensaio e com menos amostra, a obtenção da cinética térmica de adsorção, e de um ponto da isoterma térmica de adsorção. Adicionalmente, foi proposta uma modelagem dos fenômenos de transferência de calor e massa envolvidos durante o ensaio, visando simular a curva calorimétrica. Valores de coeficiente de difusão efetivo da quinolina na sílica-alumina em diferentes condições de concentração inicial de quinolina em n-hexadecano, a uma mesma temperatura, foram obtidos a partir do ajuste do modelo da curva calorimétrica aos dados experimentais

Aplicação da técnica simulated annealing na investigação da ciclagem de nitrogênio na inteface água-sedimento

Neste trabalho é apresentado a aplicação de um método de otimização a fim de estimar parâmetros que normalmente estão presentes na modelagem matemática da dinâmica de espécies químicas na interface água-sedimento. O Problema Direto aqui consistiu na simulação das concentrações das espécies orgânicas e inorgânicas (amônia e nitrato) de nitrogênio, num ambiente idealizado, o qual foi fracionado em quatro camadas: uma camada de água (1 metro) e três camadas de sedimento (0-1 cm, 1-2 cm e 2-10 cm). O Problema Direto foi resolvido pelo Método de Runge Kutta, tendo sido gerada uma simulação de 50 dias. Na estimativa dos coeficientes de difusão e porosidade foi aplicado o Método Simulated Annealing (SA). A eficiência da estratégia aqui adotada foi avaliada através do confronto entre dados experimentais sintéticos e as concentrações calçadas pela solução do Problema Direto, adotando-se os parâmetros estimados pela SA. O melhor ajuste entre dados experimentais e valores calculados se deu quando o parâmetro estimado foi a porosidade. Com relação à minimização da função objetivo, a estimativa desse parâmetro também foi a que exigiu menor esforço computacional. Após a introdução de um ruído randômico às concentrações das espécies nitrogenadas, a técnica SA não foi capaz de obter uma estimativa satisfatória para o coeficiente de difusão, com exceção da camada 0-1 cm sedimentar. Para outras camadas, erros da ordem de 10 % foram encontrados (para amônia na coluna dágua, pro exemplo). Os resultados mostraram que a metodologia aqui adotada pode ser bastante promissora enquanto ferramenta de gestão de corpos dágua, especialmente daqueles submetidos a um regime de baixa energia, como lagos e lagoas costeiras.

Avaliação por ressonância magnética funcional da necrose coagulativa por ablação de radiofrequência nas metástases hepáticas colorretais

A maioria dos pacientes que apresentam metástases hepáticas colorretais (MHCR) não são elegíveis para ressecção. Por isso, outras técnicas para se alcançar o controle locorregional da doença têm sido utilizadas. A Ablação por Radiofrequência (ARF) hepática tem sido empregada frequentemente para o tratamento desta condição devido às boas taxas de resposta, principalmente quando associada ao emprego de quimioterápicos modernos. Apesar da caracterização das MHCR no pré-operatório estar bem estabelecida, os parâmetros de ressonância magnética (RM) após ARF no período pós-cirúrgico requerem maior padronização objetiva. O coeficiente de difusão aparente de água (CDA) tem sido usado na RM como um parâmetro de isquemia e necrose. Entretanto, não está ainda bem definido seu papel e das imagens ponderadas de difusão (DWI) na avaliação da necrose coagulativa gerada pela ARF, especificamente em pacientes com MHCR. O objetivo deste estudo consiste em avaliar o espectro de mudança em RM funcional após a ARF de MHCR. Foi realizado estudo retrospectivo entre 2001 e 2006, avaliando 51 pacientes que foram submetidos à ARF por MHCR no Hospital Johns Hopkins (Baltimore, EUA) dos quais 16 preencheram os critérios de inclusão. Os critérios de inclusão foram: (1) apresentar MHCR tratada cirurgicamente com intenção curativa por ARF guiados por ultrassom per-operatório, e (2) ter uma RM anterior e imediatamente após a cirurgia (até 10 dias). As imagens de RMs antes e após a ablação hepática para MCHR foram identificadas e revistas. As imagens de RM de difusão e captação de contraste foram feitas numa unidade de 1.5 T. Imagens em T2 e T1 foram realizadas na presença e ausência de contraste venoso. Todos os exames tiveram a espessura de 4 a 6 mm e um intervalo de 2 mm, apresentando um angulo de rotação de 150. O índice de difusão foi determinado com um b-valor (intensidade do gradiente de difusão) de 500 seg/mm2. As análises de parâmetros para avaliar e comparar o pré e pós ARF através da RM funcional incluiram: (1) valores do mapa de CDA, (2) captação de contraste, (3) difusão e (4) mudança no tamanho da lesão. Em adição, a sobrevida mediana global e tempo para recorrência local foram calculados. As imagens foram avaliadas por um consenso de dois radiologistas/cirurgiões. Foram avaliados no total 65 lesões, com tamanho médio pré-ablação de 1,7 cm. Após ablação o tamanho médio da lesão aumentou para 3,5 cm (p<0,001). A captação de contraste nas fases arterial e venosa diminuíram significativamente após ARF (diminuição média 10% e 17,5%, respectivamente, p = 0,002 e <0,001). O valor médio do mapa de CDA da lesão foi de 2.79 x 10-3 mm2/seg pré-ARF, e após ARF diminui em média para 1.75 x 10-3 mm2/seg (p<0.001). A sobrevida mediana global foi de 34,7 meses. A ressonância magnética funcional através da captação de contraste e difusão pode prover uma estimativa subjetiva e objetiva da necrose coagulativa tissular e da desidratação celular na área ablada por radiofrequência. Quando combinada ao aumento no tamanho do tumor, podem atuar como um marcador adicional de resposta tumoral.

Formação de nanopadrões em superfícies por sputtering iônico: Estudo numérico da equação anisotrópica amortecida de Kuramoto-Sivashinsky.

Apresenta-se uma abordagemnumérica para ummodelo que descreve a formação de padrões por sputtering iônico na superfície de ummaterial. Esse processo é responsável pela formação de padrões inesperadamente organizados, como ondulações, nanopontos e filas hexagonais de nanoburacos. Uma análise numérica de padrões preexistentes é proposta para investigar a dinâmica na superfície, baseada em ummodelo resumido em uma equação anisotrópica amortecida de Kuramoto-Sivashinsky, em uma superfície bidimensional com condições de contorno periódicas. Apesar de determinística, seu caráter altamente não-linear fornece uma rica gama de resultados, sendo possível descrever acuradamente diferentes padrões. Umesquema semi implícito de diferenças finitas com fatoração no tempo é aplicado na discretização da equação governante. Simulações foram realizadas com coeficientes realísticos relacionados aos parâmetros físicos (anisotropias, orientação do feixe, difusão). A estabilidade do esquema numérico foi analisada por testes de passo de tempo e espaçamento de malha, enquanto a verificação do mesmo foi realizada pelo Método das Soluções Manufaturadas. Ondulações e padrões hexagonais foram obtidos a partir de condições iniciais monomodais para determinados valores do coeficiente de amortecimento, enquanto caos espaço-temporal apareceu para valores inferiores. Os efeitos anisotrópicos na formação de padrões foramestudados, variando o ângulo de incidência.