Novos modelos para cálculo de energia livre de solvatação em simulações de dinâmica molecular

Combinando métodos computacionais da eletrostática e dinâmica molecular, este trabalho teve como objetivo descrever processos de solvatação em sistemas quimicamente importantes. Foram obtidas propriedades termodinâmicas necessárias para o entendimento do processo de solvatação. Estão descritos e testados modelos para descrever a interação soluto-solvente, possibilitando, assim, aprimorar a descrição físico-química dos processos de solvatação. Utilizaram-se programas desenvolvidos em nosso grupo e programas comerciais que permitem os cálculos de dinâmica molecular e química quântica. Uma nova abordagem para o cálculo de energia livre de solvatação foi desenvolvida proporcionando a obtenção acurada e eficiente dessa propriedade, dentro do enfoque da dinâmica molecular. Nessa nova abordagem, novas metodologias para a geração de cavidades moleculares foram propostas e avaliadas. As energias livres de solvatação obtidas estão em boa concordância com os valores experimentais.

Prevalência de infeção pelo Papiloma vírus humano de alto risco e de lesões associadas no colo uterino através da citologia convencional e do método de captura híbrida de segunda geração

Resumo não disponível.

Rede de modelos termodinâmicos locais

A simulação computacional de processos é uma ferramenta valiosa em diversas etapas da operação de uma planta química, tais como o projeto, a análise operacional, o estudo da estratégia de controle e a otimização, entre outras. Um programa simulador requer, freqüentemente, o cálculo das propriedades termofísicas que fazem parte das equações correspondentes aos balanços de massa, energia e quantidade de movimento. Algumas dessas quantidades, típicas de operações baseadas no equilíbrio de fases (tais como a destilação fracionada e a separação flash), são as fugacidades e entalpias das fases líquida e vapor em equilíbrio. Contudo, o uso de modelos e correlações cada vez mais sofisticadas para representar acuradamente as propriedades termofísicas dos sistemas reais fez com que grande parte do tempo gasto numa simulação de processos seja devida à avaliação destas propriedades. Muitas estratégias têm sido propostas na literaturas a fim de se reduzir a carga computacional envolvida na simulação, estática e dinâmica, dos problemas de Engenharia Química. Esta diminuição do tempo de processamento pode muitas vezes ser determinante na aplicação ou não da simulação de processos na prática industrial, como, por exemplo, no controle automático. Esta dissertação aborda uma das alternativas para a redução do tempo computacional gasto na simulação de processos: a aproximação das funções que descrevem as propriedades termofísicas através de funções mais simples, porém de fácil avaliação. Estas funções, a fim de se garantir uma aproximação adequada, devem ser corrigidas ou atualizadas de alguma forma, visto que se tratam de modelos estritamente válidos em uma pequena região do espaço das variáveis, sendo, por isto, chamados de modelos locais. Partindo-se do estado atual desta técnica, é proposta nesta dissertação uma nova metodologia para se efetuar esta aproximação, através da representação global da propriedade mediante múltiplas funções simples, constituindo, desse modo, uma rede de modelos locais. Algumas possibilidades para a geração efetiva destas redes são também discutidas, e o resultado da metodologia é testado em alguns problemas típicos de separação por equilíbrio de fases.

Simulação computacional por dinâmica molecular de propriedades de equilíbrio e espectroscópicas de misturas líquidas CS2/C6H6

Propriedades de equilíbrio e espectroscópicas são determinadas para a mistura líquida CS2/C6H6 na temperatura de 298K e nas frações molares de benzeno iguais a 0,25, 0,50 e 0,75, usando simulação computacional por Dinâmica Molecular. As interações intermoleculares são descritas em relaçãao a todos os átomos por um potencial Lennard-Jones (12/6), com as interações eletrostáticas representadas por quadrupolos pontuais, localizados nos centros de massa das mol´eculas. Um segundo potencial também é considerado, onde a distribuição de cargas na molécula é usada para descrever as interações eletrostáticas. Dados termodinâmicos e propriedades estruturais, descritas através de funções de distribuição radial e de correlação angular, são calculados. Os resultados obtidos com os dois potenciais mostram boa concordância com os dados experimentais. A análise das frações molares locais e das energias internas indica que a mistura líquida CS2/C6H6 apresenta comportamento aproximadamente ideal. As funções de distribuição radial e de correlação angular evidenciam uma configuração preferencialmente paralela entre as moléculas de CS2 e C6H6 a distâncias menores em relação a distância do máximo da função de distribução , correspondente a primeira camada de coordenação . Nesta região, a configuração perpendicularé fracamente favorecida em relação as demais orientações. Funções de correlação temporal da polarizabilidade coletiva e da polarizabilidade molecular, correspondentes aos espalhamentos Rayleigh e Raman, respectivamente, são calculadas a partir do modelo de interação dipolo induzido por dipolo de 1a ordem. As funções de correlação são divididas nas contribuições orientacional, induzida por colisão e cruzada, e nas contribuições dos componentes. Propriedades de equilíbrio como anisotropia efetiva e intensidades integradas são determinadas para as misturas e líquidos puros. Os resultados indicam que a correlação orientacional entre as moléculas de CS2 é a maior responsável pelos espectros Rayleigh e espectros Raman deste componente. A maior participação do benzeno ocorre no espalhamento Raman com uma maior correlação na contribuição induzida por colisão. A separação na escala temporal entre a dinâmica reorientacional e induzida por colisão determinada na simulação é menor em relação ao experimento. Tempos de correlação da contribuição induzida por colisão são maiores nas misturas em relação aos líquidos puros no espalhamento Rayleigh, conforme o experimento, e estão relacionados a contribuições significativas das funções de correlação entre os componentes CS2 e benzeno a tempo longo. Funções de correlação temporal do momento dipolar coletivo são determinadas a partir do modelo dipolo induzido por quadrupolo e analisadas em termos de contribuições isotrópicas, anisotrópicas e cruzadas, como também de contribuições dos componentes. A relação entre estes termos é concordante com os parâmetros moleculares de anisotropia e quadrupolo dos componentes. Os resultados da simulação indicam absorbância de excesso para as misturas em uma ordem semelhante a do experimento. O tempo de correlação maior na mistura de fração molar de benzeno igual a 0,25, também encontrado no experimento, está relacionado a elevada contribuição a tempo longo da função de correlação entre dipolos induzidos em moléculas de CS2 por moléculas de C6H6. Os espectros calculados na simulação e os espectros experimentais do espalhamento de luz despolarizado Rayleigh apresentam boa concordância, validando os modelos de potenciais de interação e de indução usados. No entanto, diferenças são encontradas no infravermelho longínquo. Modi cações no modelo simplificado de indução são propostas.

Modelagem e simulação da câmara de reação de uma caldeira a carvão pulverizado

O presente trabalho é parte integrante de um projeto multidisciplinar cujo objetivo é construir uma ferramenta computacional capaz de simular a operação de uma Usina Termoelétrica tratando, especificamente, da câmara de reação (local da caldeira onde se desenvolve a queima do combustível). Foi desenvolvido um modelo matemático dinâmico, pseudo-homogêneo, unidimensional e, com propriedades físicas variáveis, com o objetivo de descrever a conversão do calor gerado pela combust em energia térmica, que está baseado em balanços de massa e energia. Este modelo foi implementado no simulador gPROMS e seus parâmetros foram estimados utilizando o módulo gEST deste software (método da máxima verossimilhança), com base em dados de operação da Usina e dados cinéticos de literatura. Para a simulação dinâmica da câmara de reação foi utilizado um método de integração implícita de passos múltiplos com ordem e passo variáveis. A câmara de combustão foi dividida em três zonas, sendo realizados, em cada zona, os balanços de massa e energia, adotando-se a hipótese de mistura perfeita. O modelo desenvolvido prevê o perfil de temperatura ao longo da câmara, as correntes de saída e a composição dos gases de combustão em cada zona; incluindo uma previsão aproximada da concentração dos poluentes formados, principalmente monóxido de nitrogênio e dióxido de enxofre. Os resultados apresentados mostraram que o modelo prediz satisfatoriamente a composição do gás de combustão na saída da câmara de reação e que a divisão da câmara em diferentes zonas de combustão é apropriada para avaliar a geração e o aproveitamento energético na caldeira.

Simulações da dinâmica de fitoplâncton no sistema hidrológico do Taim (RS)

A variação temporal e espacial da ecologia de lagos, estuários e reservatórios está relacionada com a variação na composição da população de fitoplâncton, já que esta comunidade é a base da cadeia alimentar marinha e lacustre. Esta pesquisa desenvolveu um modelo para estimativa da dinâmica de biomassa de fitoplâncton, considerando os mecanismos de transporte no meio aquático, crescimento e perdas de sua biomassa. O modelo possui três módulos: (a) hidrodinâmico, que trata dos fluxos quantitativos do meio, associado a um algoritmo de secagem/inundação; (b) de transporte, que trata dos mecanismos de transporte das substâncias no meio; e (c) biológico, que retrata os mecanismos biológicos relacionados ao fitoplâncton. O módulo hidrodinâmico foi resolvido por um esquema semi-implícito de diferenças finitas, com uma abordagem mista Euleriana-Lagrangiana para os termos advectivos. Para os módulos restantes foi utilizado um esquema mais simples, de diferenças centrais. O modelo foi aplicado no sistema formado pela Lagoa Mangueira e Banhado do Taim localizado na parte sul costeira do estado do Rio Grande do Sul. Este sistema está inserido no Sistema Hidrológico do Taim como unidade de conservação federal, onde se desenvolve o projeto PELD (Pesquisas Ecológicas de Longa Duração). A hidrodinâmica do sistema foi ajustada e verificada apresentando bons resultados. Testes de secagem e inundação mostraram que as tendências esperadas foram obtidas. O aprimoramento da solução numérica do modelo foi comprovado através de testes de preservação de volume e massa em sistemas conservativos. A análise de sensibilidade dos parâmetros do módulo biológico mostrou que os parâmetros para os quais o modelo é mais sensível a alterações são aqueles relacionados aos efeitos de temperatura nas algas e as perdas por respiração e consumo por zooplâncton. Os cenários de análise propostos proporcionaram uma maior compreensão do transporte do material particulado suspenso e do material escalar genérico, assim como a dinâmica e as florações de algas no sistema em condições físicas e meteorológicas reais.

Gerência dinâmica de memória em aplicações Java embarcadas

Esta dissertação apresenta duas implementações de algoritmos para gerência dinâmica de memória em software, as quais foram desenvolvidas utilizando como alvo uma plataforma embarcada Java. Uma vez que a plataforma utilizada pertence a uma metodologia para geração semi-automática de hardware e software para sistemas embarcados, os dois algoritmos implementados foram projetados para serem integrados ao contexto desta mesma metodologia. Como forma de estabelecer comparações detalhadas entre as duas implementações desenvolvidas, foram realizadas diversas estimativas em desempenho, uso de memória, potência e energia para cada implementação, utilizando para isto duas versões existentes da plataforma adotada. Através da análise dos resultados obtidos, observou-se que um dos algoritmos desenvolvidos obteve um desempenho melhor para realização da gerência dinâmica da memória. Em contrapartida, o outro algoritmo possui características de projeto que possibilitam sua utilização com aplicações de tempo-real. De um modo geral, os custos adicionais resultantes da utilização do algoritmo de tempo-real, em relação ao outro algoritmo também implementado, são de aproximadamente 2% para a potência média dissipada, 16% para o número de ciclos executados, 18% para a energia consumida e 10% sobre a quantidade de total memória utilizada. Isto mostra que o custo extra necessário para utilização do algoritmo de tempo real é razoavelmente baixo se comparado aos benefícios proporcionados pela sua utilização. Como impactos finais produzidos por este trabalho, obteve-se um acréscimo de 35% sobre o número total de instruções suportadas pela arquitetura utilizada. Adicionalmente, 12% das instruções que já existiam no conjunto desta arquitetura foram modificadas para se adaptarem aos novos mecanismos implementados. Com isto, o conjunto atual da arquitetura passa a corresponder a 44% do total de instruções existentes na arquitetura da máquina virtual Java. Por último, além das estimativas desenvolvidas, foram também realizadas algumas sugestões para melhoria global dos algoritmos implementados. Em síntese, alguns pontos cobertos por estas sugestões incluem: a migração de elementos do processamento do escopo dinâmico para o estático, o desenvolvimento de mecanismos escaláveis para compactação de memória em tempo-real, a integração de escalonadores ao processo de gerência de memória e a extensão do processo de geração semi-automática de software e hardware para sistemas embarcados.

Contribuições para o estudo teórico e experimental de sistemas de geração distribuída

Diretorio TesteAs recentes mudanças de estrutura no sistema elétrico (geração, transmissão, distribuição e comercialização de energia) têm motivado o uso da geração distribuída e, em particular, pequenos produtores independentes conectados ao sistemas de distribuição e subtransmissão. Sendo recente, ainda há muitas lacunas quanto ao entendimento do impacto desta nova topologia na estabilidade e outros índices de desempenho do sistema. O presente trabalho está focado na conexão dos produtores independentes aos sistemas de distribuição e subtransmissão e visa contribuir quanto ao estudo teórico-prático deste problema, com ênfase nos aspectos de modelagem dos componentes do sistema. Este estudo faz parte do projeto de pesquisa “Impacto de Produtores Independentes e Autoprodutores Conectados aos sistemas de distribuição e subtransmissão", desenvolvido pela UFRGS com financiamento da CEEE. Como as unidades de geração distribuída são conectadas às redes de distribuição e transmissão, a distância entre estes geradores e as cargas é menor comparativamente às usinas de grande porte. Existe ainda a questão dos produtores independentes serem de potências menores e, portanto, mais suscetíveis às variações de carga da rede em que estão ligados. Devido a estes e outros fatores, uma melhor análise dos modelos estáticos e dinâmicos dos diversos componentes do sistema de potência dentro desta nova topologia se faz necessária. Um dos aspectos considerados neste trabalho, foi o estudo da influência da resistência da linha na análise da geração distribuída nas linhas de distribuição. Esta foi uma das contribuições deste trabalho e foi realizada por meio de simulações considerando vários modelos de geradores e cargas. Outra contribuição foi a construção do sistema consistindo de um protótipo de um produtor independente conectado a rede de distribuição, composto de um gerador de 100kVA conectado à rede elétrica, contendo cargas resistivas e indutivas, podendo serem ligadas/desligadas, emulando condições de operação similares às reais. A construção do protótipo também envolveu um sistema para simulação, um sistema supervisório para operação e realização de ensaios, e os algoritmos necessários para tal. Este sistema permite a simulação dinâmica de modelos de sistemas elétricos de potência em diversos cenários e a verificação experimental do comportamento dos grupos geradores em diversas condições de operação, incluindo a análise de desempenho estático, ensaios de curto circuito e as variações de despacho ativo e reativo de potência. Obtendo com isso uma melhor identificação e quantificação do impacto dos produtores independentes e autoprodutores na análise de sistemas elétricos de potência.

Programa computacional para análise dinâmica de estruturas incluindo amortecimento viscoelástico

Neste trabalho apresenta-se a implementação da matriz de amortecimento viscoelástica para um programa computacional de análise de cascas laminadas de materiais compósitos. A formulação apresentada permite realizar análises dinâmicas de estruturas laminadas com a consideração do efeito do amortecimento para dois modelos diferentes: Kelvin e Zener. A matriz de amortecimento foi implementada de duas formas: proporcional à massa ou proporcional à rigidez. A equação do movimento do sistema dinâmico foi resolvida utilizando-se o método de Newmark para integração direta. Para o modelo Zener foi desenvolvida uma análise para um elemento com 1 grau de liberdade. Apresentam-se exemplos de aplicações da formulação para modelos viscosos, implementadas no programa de elementos finitos, submetidos a diferentes tipos de carregamentos, como carga distribuída e cargas de impacto com diferentes tipos de excitações. Comparações entre o comportamento dos modelos Kelvin e Zener foram realizadas para validar os resultados obtidos.

Um modelo para configuração de produtos oferecidos em um ambiente de customização em massa

A Customização em massa é um conceito emergente na indústria orientada a fornecer produtos e serviços customizados através de processos flexíveis, em grandes volumes e a custos razoavelmente baixos. A customização de produtos é uma estratégia chave para conseguir a satisfação do cliente com produtos exclusivos e preços razoáveis. Este trabalho de tese propõe um modelo de customização de produtos para facilitar o projeto e colaboração do cliente no processo de selecionar a configuração de um produto. O modelo integra as técnicas de modelagem orientada a objetos, análise de decisão multi-atributo e programação linear inteira. O objetivo do modelo é dar suporte à customização de produtos/serviços, em que as escolhas do cliente são gerenciadas pela relevância relativa de um conjunto de atributos sobre um conjunto de combinações de componentes oferecidas pela empresa, e com a limitação de restrições técnicas, estéticas e financeiras, que definem interativamente projetistas e consumidores. A integração das técnicas resulta em uma representação do processo de configuração que considera, simultaneamente, a abordagem técnica, explícita e objetiva dos projetistas e a abordagem baseada em intenções e preferências do consumidor. Com o modelo desenvolvido, o cliente pode definir regras e fornecer informação que pode ser utilizada para representar o conhecimento tácito em um modelo de programação linear que otimiza a sua utilidade específica. O modelo computacional é capaz de implementar o processo cognitivo que caracteriza a configuração de produtos em um ambiente de customização em massa de forma explícita, dinâmica e flexível. Experimentos foram realizados para exemplificar como é utilizado o programa e um estudo de caso foi desenvolvido para validar o modelo.

Mecanismos de reconfiguração dinâmica aplicados ao projeto de um processador de imagens reconfigurável

As modernas aplicações em diversas áreas como multimídia e telecomunicações exigem arquiteturas que ofereçam altas taxas de processamento. Entretanto, os padrões e algoritmos mudam com incrível rapidez o que gera a necessidade de que esses sistemas digitais tenham também por característica uma grande flexibilidade. Dentro desse contexto, tem-se as arquiteturas reconfiguráveis em geral e, mais recentemente, os sistemas reconfiguráveis em um único chip como soluções adequadas que podem oferecer desempenho, sendo, ao mesmo tempo, adaptáveis a novos problemas e a classes mais amplas de algoritmos dentro de um dado escopo de aplicação. Este trabalho apresenta o estado-da-arte em relação a arquiteturas reconfiguráveis nos meios acadêmcio e industrial e descreve todas as etapas de desenvolvimento do processador de imagens reconfigurável DRIP (Dynamically Reconfigurable Image Processor), desde suas origens como um processador estático até sua última versão reconfigurável em tempo de execução. O DRIP possui um pipeline composto por 81 processadores elementares. Esses processadores constituem a chave do processo de reconfiguração e possuem a capacidade de computar um grande número de algoritmos de processamento de imagens, mais específicamente dentro do domínio da filtragem digital de imagens. Durante o projeto, foram desenvolvidos uma série de modelos em linguagem de descrição de hardware da arquitetura e também ferramentas de software para auxiliar nos processos de implementação de novos algorimos, geração automática de modelos VHDL e validação das implementações. O desenvolvimento de mecanismos com o objetivo de incluir a possibilidade de reconfiguração dinâmica, naturalmente, introduz overheads na arquitetura. Contudo, o processo de reconfiguração do DRIP-RTR é da ordem de milhões de vezes mais rápido do que na versão estaticamente reconfigurável implementada em FPGAs Altera. Finalizando este trabalho, é apresentado o projeto lógico e elétrico do processador elementar do DRIP, visando uma futura implementação do sistema diretamente como um circuito VLSI.

Morfogênese e dinâmica de acúmulo de forragem em pastagens de azevém anual manejadas sob intensidades e métodos de pastejo

O trabalho foi conduzido na EEA/UFRGS em 2003. O objetivo foi avaliar a eficiência do disco medidor de forragem, do bastão graduado e do medidor de capacitância em predizer a massa de forragem de azevém bem como o de avaliar as diferenças nas variáveis morfogênicas (taxa de elongação de folhas, taxa de surgimento de folhas, tempo de vida da folha) e estruturais da pastagem (numero de folhas verdes, comprimento de folhas e densidade de perfilhos) pela técnica de perfilhos marcados em função dos tratamentos adotados (intensidades e métodos de pastejo). Para determinar a eficiência dos instrumentos foram realizados dois experimentos: o experimento 1 avaliandose a eficiência do disco, bastão e medidor de capacitância em predizer a massa de forragem da pastagem na fase de estabelecimento num delineamento completamente casualizado com 32 repetições e três tratamentos e o experimento 2 avaliando-se a eficiência do disco medidor e do bastão graduado como preditores da massa de forragem sob lotação rotacionada em duas intensidades de pastejo (baixa e moderada) definidas por ofertas de forragem representando, respectivamente, 2,5 ou 5,0 vezes o potencial de consumo dos cordeiros num delineamento em blocos casualizados em arranjo fatorial com quatro repetições. Para determinar as variáveis morfogênicas, estruturais e o fluxo de tecidos os tratamentos foram duas intensidades (baixa e moderada) e dois métodos de pastejo (pastejo com lotação contínua e rotacionada). No experimento 1 o bastão graduado apresentou a melhor correlação com a massa de forragem (r2=0,65). No 2 as melhores correlações foram obtidas quando avaliadas as faixas de pós-pastejo para o disco medidor (r2=0,47) e as de pré-pastejo para o bastão graduado (r2=0,36). Para as variáveis morfogênicas e estruturais as intensidades de pastejo foram responsáveis por diferenças na taxa de elongação de folhas (intensidade baixa resultou em maior taxa de elongação) e nas características estruturais (intensidade baixa resultou em menor densidade de perfilhos, maior comprimento e número de folhas vivas). Os métodos de pastejo influenciaram as características morfogênicas (lotação contínua resultou em maior taxa de elongação de folhas, maior taxa de surgimento e tempo de vida das folhas no ciclo de observação I) e estruturais (lotação contínua resultou em maior densidade de perfilhos); bem como foi obtida interação com as intensidades e com os ciclos de avaliação. O fluxo de crescimento (favorecido por lotação rotacionada a baixa intensidade) e de senescência (favorecido por lotação contínua a baixa intensidade) foram afetados pelos tratamentos, enquanto que o fluxo de consumo não foi alterado pelos tratamentos.

Análise estática e dinâmica de placas e cascas de materiais compósitos laminados usando elementos finitos hexaédricos de oito nós com integração reduzida

Neste trabalho implementou-se o elemento hexaédrico com um ponto de integração para análise estática e dinâmica de placas e cascas de materiais compósitos laminados com ou sem enrijecedores. O elemento está livre de travamento volumétrico e travamento de cisalhamento, não apresentando modos espúrios. São também incluídos problemas com não-linearidade geométrica A matriz de rigidez e de massa são dadas de forma explícita, reduzindo o tempo computacional, especialmente na análise não-linear. Para evitar o travamento de cisalhamento as componentes de deformações são referidas a um sistema co-rotacional. O travamento volumétrico é também eliminado, já que a parte dilatacional (esférica) da matriz gradiente é avaliada apenas no ponto central do elemento. Para a solução das equações de equilíbrio na análise estática, utilizam-se um método direto baseado na eliminação de Gauss ou um método iterativo de gradientes conjugados com precondicionamento executado através da eliminação incompleta de Choleski. Para a análise dinâmica, as equações de equilíbrio são integradas através do método explícito ou implícito de Taylor-Galerkin ou do método implícito de Newmark. Para análise não-linear utiliza-se o Método Generalizado de Controle dos Deslocamentos. Através de exemplos numéricos demonstra-se a eficiência e o potencial do elemento tridimensional na análise linear e não-linear de placas e cascas de materiais laminados. Os resultados são comparados com trabalhos que utilizam diferentes elementos de placas e cascas.