Solução da equação de transporte multidimensional em geometria cartesiana e meio infinito usando derivada fracionária

Neste trabalho, foi construída uma forma integral para a solução das equações de transporte em uma, duas e três dimensões, considerando o núcleo de espalhamento de Klein-Nishina, espalhamento isotrópico e o núcleo de espalhamento de Rutherford, respectivamente, seguindo a mesma idéia proposta em trabalhos recentes, nos quais foi construída uma solução para a equação de transporte de nêutrons em geometria cartesiana, usando derivada fracionária. A metodologia consiste em igualar a derivada fracionária do fluxo angular à equação integral, determinar a ordem da derivada fracionária comparando o núcleo da equação integral com o da definição de Riemann-Liouville. Essa formulação foi aplicada ao cálculo de dose absorvida. São apresentadas soluções geradas a partir do emprego do método da derivada fracionária e comparadas a resultados disponíveis na literatura.

Simulação numérica de esteiras em transição utilizando o método dos contornos virtuais

Simulações Numéricas são executadas em um código numérico de alta precisão resolvendo as equações de Navier-Stokes e da continuidade para regimes de escoamento incompressíveis num contexto da turbulência bidimensional. Este código utiliza um esquema compacto de diferenças finitas de sexta ordem na aproximação das derivadas espaciais. As derivadas temporais são calculadas usando o esquema de Runge-Kuta de terceeira ordem com baixo armazenamento. Tal código numérico fornece uma representação melhorada para uma grande faixa de escalas de comprimento e de tempo. As técnicas dos contornos imersos acopladas ao método dos contornos virtuais permitem modelar escoamentos não-estacionários sobre geometrrias complexas, usando simplesmente uma malha Cartesiana uniforme. Por meio de procedimentos de aproximação/interpolação, as técnicas dos contornos imersos (aproximação Gaussiana, interpolação bilinear e redistribuição Gaussiana), permitem a representação do corpo sólido no interior do campo de escoamento, com a superfície não coincidindo com a malha computacional. O método dos contornos virtuais, proposto originalmente por Peskin, consiste, basicamente, na imposição na superfície e/ou no interior do corpo, de um termo de força temporal acrescentando às equações do momento. A aplicação deste campo de força local leva o fluido ao repouso na superfície do corpo, permitindo obter as condições de contorno de não-deslizamento e de não penetração de fluido na parede. A análise das oscilações induzidas no escoamento-contorno pelo processo de desprendimento de vórtices na esteira do cilindro circular e de geometria retangulares na incidência, para números de Reybolds variando de 40 a 400, confirma a eficiência computacional e a aplicabilidade das técncias implementadas.

Modelagem física de correntes de densidade não conservativas em canal tridimensional de geometria simplificada

Este trabalho apresenta simulações físicas de correntes de densidade não conservativas em canal bidimensional e tridimensional. Primeiramente, foram desenvolvidas a seleção e caracterização de materiais granulares, bem como a classificação de tamanhos de grãos adequados capazes de simular tais correntes. Foram desenvolvidas também, metodologias de ensaios, abordando os detalhes como a preparação de materiais, equipamentos e instalações. Como resultados foram selecionados cinco materiais para as simulações, a areia (0,125mm a 0,063mm); os calcários B e C (0,125mm a 0,063mm) e os carvões 205 e carvão 207 (0,354mm a 0,063mm). Através de ensaios por fluxo contínuo de material, caracterizado por uma injeção de mistura durante um período de tempo, foram estudados as características geométricas, dinâmicas e os padrões de deposição destas correntes. Nestes ensaios foram variados o material granular e seu tamanho de grão utilizado na mistura e a concentração da mistura. Observou-se que: a velocidade da corrente aumenta à medida que a massa específica/concentração da mistura aumenta; que à medida que o tamanho do grão diminui, para um mesmo material com a mesma massa específica na mistura, a velocidade aumenta; a altura da cabeça da corrente aumenta à medida que a massa específica/concentração da mistura diminui; a distribuição dos volumes de depósitos apresentou uma tendência geral, com acúmulo de material, da ordem de 90%, nas regiões mais proximais do canal (0-75cm) e acúmulo de material, da ordem de 5%, canal nas regiões mais distais do canal (150-250cm). A distribuição dos grãos indica que o tamanho dos grãos vai diminuindo com a distância, estando as frações maiores (correspondentes a areia fina) presentes nas zonas mais proximais do canal (até 50cm) e com os grãos mais finos chegando até as regiões mais distais do canal (250cm). Foi avaliada, também, a influência da vazão inicial e do volume total de material sobre o desenvolvimento e depósitos das correntes de densidade não conservativas. As características medidas foram a evolução e as velocidades da corrente, além da espessura, granulometria e formas de fundo dos depósitos gerados. Como resultados foi verificado que a velocidade de avanço, espessuras, formas de fundo e distribuição granulométricas do material estão intimamente mais ligada à vazão de entrada do que ao volume total. Nota-se que, a vazão condiciona a tendência geral da evolução da corrente (padrão de variação da velocidade e da deposição) e as formas de fundo, enquanto que o volume de material injetado é responsável apenas pela magnitude dessas variações.

Um estudo da otimização da geometria de um pára-quedas simplificado

Neste trabalho desenvolve-se um estudo numérico do fluxo de ar em torno da geometria de um pára-quedas tradicional simplificado, para alguns valores de Reynolds. O método baseia-se na solução das equações incompressíveis de Navier- Stokes discretizadas pelo método de diferenças finitas e integradas pelo método de Runge-Kutta. Utiliza-se o método dos contornos virtuais para representar a geometria numa malha cartesiana e o método de otimização não-linear dos poliedros flexíveis para otimização do coeficiente de arraste calculado através do código de dinâmica de fluidos computacional; esteé um método de busca multivariável, onde o pior vértice de um poliedro com n + 1 vérticesé substituído por um novo.

Relacao entre o angulo da ponta do eletrodo e a geometria do cordao de solda no processo de soldagem tig

No processo de soldagem TIG (Tungstênio Inerte Gás), um dos fatores que influenciam o formato do cordão de solda é o ângulo da extremidade do eletrodo. Para estudar o comportamento do arco elétrico em função da geometria de ponta do eletrodo e suas conseqüências nos cordões de solda, efetuaram-se soldagens sobre corpos de prova sem deposição de material (bead-on-plate) através de parâmetros controlados e a mecanização do processo. Parâmetros tais como vazão do gás, velocidade de avanço da tocha e comprimento do arco foram testados para verificar a atuação em conjunto com o ângulo do eletrodo. Pela análise metalográfica (macrografia) estudaram-se os perfis dos cordões de solda, verificando-se que o ângulo exerce uma influência significativa na característica do arco tensão-corrente, na largura e profundidade de penetração da solda. Para maiores ângulos de extremidade do eletrodo obteve-se aumento na penetração, diminuição da tensão e largura do cordão de solda para uma mesma intensidade de corrente.

Geração de sombras em objetos modelados por geometria sólida construtiva

Atualmente os sistemas computacionais mais sofisticados são aqueles que apresentam imagens gráficas. Devido às características de alta velocidade de processamento e excelente resultado na geração de imagens o uso da Computação Gráfica se dá em diversas áreas como a indústria, pesquisa, publicidade, entretenimento, medicina, treinamento, dentre outras. Este trabalho aborda dois assuntos clássicos na Computação Gráfica, Geometria Sólida Construtiva (CSG) e Sombras Projetadas. Ambos são muito importantes para esta linha de pesquisa da Ciência da Computação. A Geometria Sólida Construtiva é utilizada na modelagem de objetos e as sombras projetadas são necessárias para aumentar o realismo das imagens. Geometria sólida construtiva (CSG) é uma técnica para a modelagem de sólidos, que define sólidos complexos pela composição de sólidos simples (primitivas). Isso inclui também a composição de objetos já combinados, até que se chegue a um objeto mais complexo. Um fator muito importante e necessário na obtenção de imagens realistas e que deve ser considerado é a utilização de sombras, pois estas são eficazes no realismo e impressão espacial de objetos tridimensionais. As sombras estabelecem diversos níveis de profundidade na imagem, fazem uma pontuação geométrica na cena de modo a evitar que os objetos não pareçam estar flutuando no ar. Este trabalho consiste em apresentar uma proposta para a geração de sombras em objetos modelados pela Geometria Sólida Construtiva. Para tanto foram estudados os assuntos referentes à modelagem de objetos por CSG, algoritmos para a geração de sombras “bem delimitadas” e formas de gerar sombras na Geometria Sólida Construtiva. O processo de geração de sombras em cenas modeladas por CSG, através da aplicação das mesmas operações booleanas envolvidas na modelagem dos objetos, sobre as sombras nem sempre apresenta resultados corretos. Diante disso, foram investigadas outras formas de solucionar o problema. Dentre estas, uma alternativa é a realização de transformações na árvore binária CSG, através de outras operações, envolvendo o uso de complemento com operações de união e interseção, para a modelagem do objeto e geração da sombra correspondente. Com base nos estudos realizados foram implementados dois protótipos que exibem a sombra projetada de objetos modelados por CSG. Na implementação do protótipo A utilizaram-se as técnicas tradicionais de modelagem de sólidos e sombra projetada. Os resultados obtidos com este protótipo serviram de referência. No protótipo B os resultados foram obtidos através da aplicação da zona ativa das primitivas na modelagem dos objetos e a sombra é projetada durante o processo de avaliação de contornos do sólido. Os resultados obtidos com este protótipo são comparados com os resultados do protótipo A e são apresentados como forma de exibir a aplicação do método proposto.

Um Sistema para aprendizagem de demonstrações dedutivas em geometria euclidiana

O objetivo do presente trabalho é realizar a concepção de um sistema para a aprendizagem de demonstrações da Geometria Euclidiana Plana e a implementação de um protótipo deste sistema, denominado LEEG - Learning Environment on Euclidean Geometry, desenvolvido para validar as idéias utilizadas em sua especificação. Nos últimos anos, tem-se observado uma crescente evolução dos sistemas de ensino e aprendizagem informatizados. A preocupação com o desenvolvimento de ambientes cada vez mais eficientes, tanto do ponto de vista computacional quanto pedagógico, tem repercutido em um salto de qualidade dos software educacionais. Tais sistemas visam promover, auxiliar e motivar a aprendizagem das mais diversas áreas do conhecimento, utilizando técnicas de Inteligência Artificial para se aproximarem ao máximo do comportamento de um tutor humano que se adapte e atenda às necessidades de cada aluno. A Geometria pode ser vista sob dois aspectos principais: considerada como uma ciência que estuda as representações do plano e do espaço e considerada como uma estrutura lógica, onde a estrutura matemática é representada e tratada no mais alto nível de rigor e formalismo. Entretanto, o ensino da Geometria, nos últimos anos, abandonou quase que totalmente sua abordagem dedutiva. Demonstrações de teoremas geométricos não são mais trabalhadas na maioria das escolas brasileiras, o que repercute em um ensino falho da Matemática, que não valoriza o desenvolvimento de habilidades e competências relacionadas à experimentação, observação e percepção, realização de conjecturas, desenvolvimento de argumentações convincentes, entre outras. Levando-se em conta este cenário, desenvolveu-se o LEEG, um sistema para a aprendizagem de demonstrações geométricas que tem como objetivo auxiliar um aprendiz humano na construção de demonstrações da Geometria Euclidiana Plana. O sistema foi modelado sobre uma adaptação do protocolo de aprendizagem MOSCA, desenvolvido para suportar ambientes de ensino informatizados, cuja aprendizagem é baseada na utilização de exemplos e contra-exemplos. Este protocolo propõe um ambiente de aprendizagem composto por cinco agentes, dentre os quais um deles é o aprendiz e os demais assumem papéis distintos e específicos que completam um quadro de ensino-aprendizagem consistente. A base de conhecimento do sistema, que guarda a estrutura lógica-dedutiva de todas as demonstrações que podem ser submetidas ao Aprendiz, foi implementada através do modelo de autômatos finitos com saída. A utilização de autômatos com saída na aplicação de modelagem de demonstrações dedutivas foi extremamente útil por permitir estruturar os diferentes raciocínios que levam da hipótese à tese da proposição de forma lógica, organizada e direta. As demonstrações oferecidas pelo sistema são as mesmas desenvolvidas por Euclides e referem-se aos Fundamentos da Geometria Plana. São demonstrações que priorizam e valorizam a utilização de objetos geométricos no seu desenvolvimento, fugindo das demonstrações que apelam para a simples manipulação algébrica e que não oferecem uma construção significativa do ponto de vista da Geometria. Porém, mesmo sendo consideradas apenas as demonstrações contidas em Elements, todos os diferentes raciocínios para uma mesma demonstração são aceitos pelo sistema, dando liberdade ao aprendiz no processo de construção da demonstração.

Os ambientes de geometria dinâmica e o pensamento hipotético-dedutivo

O processo de demonstração é axial na construção do conhecimento matemático. Na geometria euclidiana, ele é um dos aspectos que apresenta grandes obstáculos aos alunos. Uma das dificuldades aparece na transição, necessária, entre o conhecimento de natureza empírica, já adquirido, e aquele a ser construído: a geometria euclidiana enquanto modelo teórico, organizado em axiomas, teoremas e demonstrações. Os recursos informáticos hoje disponíveis provocam a busca de estratégias pedagógicas favoráveis à construção deste conhecimento. Entender as suas potencialidades torna-se um objeto de investigação: o que acontece com os processos cognitivos quando ao sujeito em interação com a máquina é possibilitada a concretização de seus construtos e ações mentais, e quando, mediante realimentação imediata, ele é levado a novas reelaborações e construções mentais? E como tais processos concorrem para um novo conhecimento? Esta tese propõe uma engenharia didática, em ambiente de geometria dinâmica, que favorece a ascensão dos alunos em patamar de conhecimento — de empírico a hipotético-dedutivo. Toma-se como referencial a teoria piagetiana, bem como a teoria da situação didática em matemática desenvolvida pela escola francesa. A engenharia se desenrola em três níveis: no primeiro, o propósito é a compreensão do significado e da necessidade de demonstração por via de construções geométricas; no segundo nível, pretende-se o desenvolvimento das primeiras habilidades na produção de demonstrações; e, no terceiro, os problemas propostos ao alunos exigem mais de seus funcionamentos cognitivos no tratamento adequado de uma figura geométrica — trata-se das extensões de desenho e concomitantes apreensões operativas responsáveis pela identificação de subconfigurações geométricas que dão suporte à argumentação dedutiva. Análise a posteriori do desenrolar dos trabalhos dos alunos confirma as expectativas anunciadas na análise a priori apresentada na fase de concepção da situação didática cuja implementação é proposta: o progresso dos alunos na construção de conhecimento em geometria, como modelo matemático, foi expressivo.

Dinâmica de gases rarefeitos e transferência radiativa : aplicações em geometria cilíndrica

Neste trabalho são investigados problemas formulados em geometria cilíndrica na área da dinâmica de gases rarefeitos bem como na área de transferência radiativa. Com relação á dinâmica de gases rarefeitos, primeiramente são abordadas duas formas diferenciadas de se avaliar numericamente as funções de Chapmann-Enskog e de Burnett, necessárias na composição de soluções gerais nessa geometria. Em seguida é apresentada a derivação de uma equação integral baseada no modelo BGK para descrever o fluxo de um gás rarefeito em um tubo cilíndrico. Problemas relacionados á transferência radiativa, incluindo o caso não-linear acoplado radiação-condução, são solucionados com a aplicação de uma versão reformulada do método de ordenadas discretas, sendo que resultados numéricos relevantes a estes problemas são também apresentados.

Desprendimento de vórtices e controle em esteira de cilindros por simulação numérica direta

O desprendimento de vórtices é responsável por vibrações prejudiciais a estruturas e pelo aumento de seus coeficientes de arraste. Portanto o correto entendimento e o controle do desprendimento de vórtices é de grande interesse de modo a diminuir custos de manutenção de estruturas estáticas e custos com combustíveis de estruturas móveis, por exemplo. O caráter tridimensional do desprendimento de vórtices a baixos números de Reynolds, entre 100 e 300, é aqui estudado através de Simulações Numéricas Diretas (DNS) do escoamento ao redor de cilindros circulares em duas e três dimensões. O controle do desprendimento de vórtices foi estudado nesta dissertação, através do uso de placas de separação do escoamento em simulações numéricas bidimensionais para números de Reynolds 100, 160 e 300, mostrando que para estes números de Reynolds é possível reduzir as freqüências de desprendimento, e em alguns casos até suprimi-las. A simulação tridimensional para Re = 300 mostrou um escoamento aparentemente bidimensional que afeta sensivelmente a freqüência de desprendimento quando em comparação o caso 2D. Para a realização das simulação numéricas foi utilizado um esquema compacto de diferenças finitas em associação com um método de representação virtual de obstáculos imersos em escoamentos, que permite a representação de geometrias complexas sobre uma malha cartesiana.

Solução da equação de condução de calor bidimensional, em meios multicompostos, pelos métodos nodal, com parâmetros concentrados, e a técnica da transformada de Laplace

Neste trabalho, desenvolvemos uma metodologia semi-analítica para solução de problemas de condução de calor bidimensional, não-estacionária em meios multicompostos. Esta metodologia combina os métodos nodal, com parâmetros concentrados, e a técnica da transformada de Laplace. Inicialmente, aplicamos o método nodal. Nele, a equação diferencial parcial que descreve o problema é integrada, transversalmente, em relação a uma das variáveis espaciais. Em seguida, é utilizado o método de parâmetros concentrados, onde a distribuição de temperatura nos contornos superior e inferior é substituída pelo seu valor médio. Os problemas diferenciais unidimensionais resultantes são então resolvidos com o uso da técnica da transformada de Laplace, cuja inversão é avaliada numericamente. O método proposto é usado na solução do problema de condução de calor, em paredes de edificações. A implementação computacional é feita, utilizando-se a linguagem FORTRAN e os resultados numéricos obtidos são comparados com os disponíveis na literatura.

Animação bidimensional para World Wide Web baseada em autômatos finitos

Este trabalho aplica a Teoria de Autômatos na proposição de uma nova alternativa para prover animações 2D na World Wide Web, verificando as contribuições alcançadas para as questões relacionadas ao espaço de armazenamento, reutilização e manutenção do conteúdo e suporte à recuperação de informação. Para este objetivo, é proposto o modelo AGA (Animação Gráfica baseada em Autômatos Finitos), o qual especifica a animação a partir de uma estrutura baseada em autômatos finitos com saída. Esse modelo é definido de tal forma que os mesmos autômatos utilizados na especificação, ao serem simulados, realizam o controle da animação durante a apresentação. O modelo AGA apresenta características que favorecem a redução do espaço de armazenamento da animação, provêem suporte à recuperação de informação, colaboram com a reutilização e manutenção do conteúdo das animações. Uma implementação multiplataforma foi desenvolvida para apresentar animações especificadas nesse modelo na Web. Essa implementação proporciona a elaboração de consultas ao conteúdo da animação, além dos recursos tradicionais de reprodução. A partir dessa implementação, o AGA foi submetido a um estudo de caso prático, onde os resultados obtidos são comparados com o produzidos pelo GIF (Graphic Interchange Format). Esse comparativo demonstra que o AGA possui várias vantagens em relação à estrutura adotada pelo GIF. O modelo AGA é estendido utilizando autômatos temporizados para prover restrições temporais às especificações e também ampliar as funcionalidades de interação com o observador da animação. Essa extensão, chamada de modelo AGA-S (Animação Gráfica baseada em Autômatos Temporizados Sincronizados), é definida a partir do autômato temporizado proposto por Alur e Dill. Para esse modelo, é definida uma operação formal para sincronização dos componentes da animação e adicionada uma estrutura baseada em autômatos finitos para controlar a interação do observador com a animação.

Modelagem estratigráfica de clinoformas deposicionais : construção e aplicação de um modelo computacional baseado em mecânica estatística

Sob a premissa de que a geometria do perfil deposicional das clinoformas pode conter informações sobre a composição textural dos sedimentos que as compõem, bem como sobre a energia da coluna d’água, foi desenvolvido um modelo computacional para a análise teórica dos fatores controladores do tipo de curvatura dos foresets das clinoformas, e, por extensão dos taludes submarinos. Um modelo análogo de suspensão dinâmica foi implementado experimentalmente com um programa em código Matlab, denominado MAXWELL, e é classificado como um modelo estratigráfico, bidimensional, analítico, determinístico, dinâmico, parcialmente dedutivo e parcialmente baseado em regras. Contém um modelo de escoamento de fluido em linhas de corrente, e trata indiretamente a tensão de cisalhamento no domínio de um sistema fechado bifásico líquido-vapor análogo, a partir a proposta de analogias entre os processos de evaporação e de suspensão de sedimentos. É uma abordagem baseada na competência de transporte do fluxo d’água, pois considera temperatura e velocidade de fluxo combinado onda-corrente como variáveis controladoras análogas da intensidade de transferência de energia. Os processos deposicionais marinhos são reduzidos a um fenômeno da superfície deposicional, que é considerada análoga a uma interface líquidovapor dentro de um sistema fechado. A equação de distribuição estatística de velocidades moleculares de Maxwell é usada para calcular a proporção de moléculas na fase líquida, considerada análoga à proporção de sedimentos depositados, bem como a proporção na fase vapor, tomada como análoga à proporção de sedimentos em suspensão. O estado energético do sistema é parametrizado por três potenciais: energia interna, como função do tamanho de grão (areia, silte ou argila); energia térmica do meio, como função da energia hidrodinâmica, e energia gravitacional, como função do declive topográfico As simulações indicam que os principais fatores controladores do perfil deposicional das clinoformas, e por extensão, dos taludes submarinos em geral, são a energia hidrodinâmica da coluna d’água e a granulometria (ou coesão) do sedimento, que podem ser consideradas dois parâmetros comutáveis, isto é, grãos grossos ou coesos podem produzir sobre a geometria das clinoformas o mesmo efeito da baixa energia hidrodinâmica, e vice-versa. Com base no fator de decaimento da energia hidrodinâmica com o aumento da batimetria, foram definidas três ordens de grandeza da intensidade da energia da coluna d’água: baixa energia (10–1), alta x energia (10-2) e muito alta energia (10-3). Com base nesse critério, foram caracterizados quatro tipos de perfis deposicionais de clinoformas: dois tipos sigmoidais e dois tipos exponenciais. Os tipos sigmoidais podem ser de alta energia ou de muito alta energia, e distinguem-se pela granulometria do sedimento e pela distribuição de declividades em relação à dimensão na direção horizontal. Os perfis de tipo exponencial podem ser tanto de baixa energia, quanto de alta energia. A subida relativa do nível do mar afeta o tipo geométrico do perfil deposicional apenas de forma indireta, a partir da retenção da fração grossa do influxo sedimentar na plataforma ou topset. Os principais fatores controladores do ângulo de declividade do perfil das clinoformas são a granulometria do sedimento, a energia hidrodinâmica, a profundidade d’água da bacia e o desvio lateral da corrente de fundo. A dedução da litofácies a partir da geometria das clinoformas parece promissora apenas para os tipos teóricos sigmoidais, que são distintos na forma e no conteúdo sedimentar.

Solução LTSn para problemas de transferência radiativa com polarização em geometria plana

O método LTSN tem sido utilizado na resolução de uma classe abrangente de problemas de transporte de partículas neutras que são reduzidos a um sistema linear algébrico depois da aplicação da transformada de Laplace. Na maioria dos casos estudados os autovalores associados são reais e simétricos. Para o problema de criticalidade os autovalores associados são reais ou imaginários puros e simétricos, e para o o problema de multigrupo podem aparecer autovalores complexos. O objetivo deste trabalho consiste na generalização da formulação LTSN para problemas de transporte com autovalores complexos. Por esse motivo é focada a solução de um problema radiativo de transporte com polarização em uma placa plana. A solução apresentada fundamenta-se na aplicação da transformada de Laplace ao conjunto de equações SN dos problemas resultantes da decomposição da equação de transferência radiativa com polarização em série de Fourier, seguindo o procedimento de Chandrasekhar. Esse procedimento gera 2L + 2 sistemas lineares de ordem 4N dependentes do parâmetro complexo "s". Aqui, L é o grau de anisotropia e N a ordem de quadratura. A solução desse sistema simbólico é obtida através da aplicação da transformada inversa de Laplace depois da inversão da matriz simbólica pelo método da diagonalização. Para a obtenção das constantes de integração é assumido que os componentes do vetor de Stokes são reais e as matrizes dos autovalores e autovetores são separadas em suas partes real e imaginária. A solução LTSN para autovalores complexos é validada através da comparação da solução para uma placa com espessura unitária, grau de anisotropia L = 13, albedo de espalhamento simples $ = 0:99, coe ciente de re exão de Lambert ¸0 = 0:1 e N = 150, segundo dados da literatura consultada.