La Phoronomia (1716) de Jacob Hermann (1678 -1733): entre la filosofía natural y la mecánica analítica

La "Phoronomia", primer libro de mecánica escrito tras los "Principia", es representativo del proceso de transición que transformó la dinámica a principios del XVIII y que concluye con la "Mecánica" de Euler (1736). Está escrita en estilo geométrico y algebraico, y mezcla los conceptos y métodos de Leibniz y Newton de forma idiosincrásica. En esta obra se encuentra por primera vez la segunda ley de Newton escrita en la forma en que hoy la conocemos, así como un intento de construcción de la estática y la dinámica de sólidos y fluidos basado en reglas generales diferenciales.

Developing discontinuous Galerkin methods for the resolution of the incompressible Navier-Stokes equations

Informe de investigación elaborado a partir de una estancia en el Laboratorio de Diseño Computacional en Aeroespacial en el Massachusetts Institute of Technology (MIT), Estados Unidos, entre noviembre de 2006 y agosto de 2007. La aerodinámica es una rama de la dinámica de fluidos referida al estudio de los movimientos de los líquidos o gases, cuya meta principal es predecir las fuerzas aerodinámicas en un avión o cualquier tipo de vehículo, incluyendo los automóviles. Las ecuaciones de Navier-Stokes representan un estado dinámico del equilibrio de las fuerzas que actúan en cualquier región dada del fluido. Son uno de los sistemas de ecuaciones más útiles porque describen la física de una gran cantidad de fenómenos como corrientes del océano, flujos alrededor de una superficie de sustentación, etc. En el contexto de una tesis doctoral, se está estudiando un flujo viscoso e incompresible, solucionando las ecuaciones de Navier- Stokes incompresibles de una manera eficiente. Durante la estancia en el MIT, se ha utilizado un método de Galerkin discontinuo para solucionar las ecuaciones de Navier-Stokes incompresibles usando, o bien un parámetro de penalti para asegurar la continuidad de los flujos entre elementos, o bien un método de Galerkin discontinuo compacto. Ambos métodos han dado buenos resultados y varios ejemplos numéricos se han simulado para validar el buen comportamiento de los métodos desarrollados. También se han estudiado elementos particulares, los elementos de Raviart y Thomas, que se podrían utilizar en una formulación mixta para obtener un algoritmo eficiente para solucionar problemas numéricos complejos.

Variabilidade espacial e temporal da resistência mecânica do solo à penetração em áreas com e sem manejo químico localizado

O objetivo deste trabalho foi avaliar o comportamento das variabilidades (espacial e temporal) por meio da técnica de escalonamento de semivariogramas, da variável resistência mecânica do solo à penetração (RMSP) nas camadas de 0-0,1, 0,1-0,2, 0,2-0,3 m, para os anos de 1999 a 2001, sob duas formas de manejo: com manejo químico localizado (CML) e sem manejo químico localizado (SML). Os resultados demonstraram que a variável RMSP apresentou variabilidade espacial com comportamento distinto, conforme a camada e o ano de estudo. A variável RMSP apresentou variabilidade temporal tanto nas parcelas CML quanto nas parcelas SML. As duas formas de manejo (com manejo químico localizado (CML) e sem manejo químico localizado (SML)) não influenciaram o comportamento espacial da variável resistência mecânica do solo à penetração (RMSP). O escalonamento dos semivariogramas reduziu o tempo computacional de ajuste dos modelos, não apresentando diferenças no comportamento e amplitude da variabilidade espacial em relação aos semivariogramas não escalonados.

Penetrômetro de impacto stolf - programa computacional de dados em EXCEL-VBA

Há dois principais tipos de penetrômetro, o estático e o dinâmico. No primeiro, uma haste com uma ponta cônica é introduzida contínua e lentamente (quase estático), registrando-se concomitantemente a força de reação que é igual à resistência do solo. No segundo, utiliza-se a mesma haste. Contudo, esta é introduzida por meio da promoção de uma massa de impacto em queda livre. Dessa forma, a teoria pode ser tratada pela dinâmica newtoniana para obtenção da resistência. O objetivo do programa é proporcionar uma ferramenta rápida, facilitadora da computação de dados de resistência do solo, para esse último penetrômetro, resultando tabelas e gráficos já no formato científico. Desenvolvido em linguagem de programação Visual Basic Aplication (VBA), escolheu-se o aplicativo Excel como interface com o usuário pela sua popularidade. É constituído por quatro planilhas, duasauxiliares, sendo duas delas essenciais, Plan1 e 2: Plan1 - dados de entrada (número de impactos e profundidade). Concomitante à digitação, a tabela de resistência é confeccionada com o respectivo gráfico, podendo tabelar 40 perfis. Plan2 - cumpre função especial de equalizar, ou seja, padronizar a profundidade em camadas constantes, permitindo unificar todos os perfis em uma única tabela. Para tal, escolhe-se uma espessura de camada (exemplo: 5 cm); em seguida, o programa coleta os dados de resistência (MPa) da Plan1 e interpola os valores para a profundidade de 5 em 5 cm. Após realizar esse procedimento para todas as tabelas da Plan1, o programa gera, na Plan2, uma única tabela com todos os perfis, a média geral e os respectivos gráficos. É possível selecionar os perfis; por exemplo, apenas os medidos na linha ou entrelinha de plantio e eliminar perfis a critério do usuário. Como objetivo complementar, descreve-se a evolução do projeto "Penetrômetro de impacto", iniciado em 1982, cuja técnica passou a ser adotada no meio científico, após a publicação da teoria nesta revista em 1991. Apresenta-se também levantamento no meio científico nos últimos três anos (2010-2012), propiciando uma visão das principais aplicações na atualidade.

Estudi i simulació aerodinàmica amb programari de dinàmica de fluids computacional (CFD) en un model bàsic de vehicle de competició de la categoria CM (curses de muntanya)

Aquest projecte té com a objectiu la simulació numérica de la carrosseria d’ un vehicle de curses de muntanya de categoria CM

Modelización constitutiva y computacional del daño y la fractura de materiales compuestos

En el trabajo se definen modelos constitutivos que permiten reproducir el proceso de fallo de estructuras de materiales compuestos en distintas escalas bajo cargas estáticas. Se define un modelo constitutivo para determinar la respuesta de estructuras de materiales compuestos mediante la teoría de laminados. El modelo es validado mediante un programa de ensayos experimentales con probetas con un agujero central geométricamente similares. Se muestra la capacidad del modelo de detectar el efecto tamaño. Se define un modelo constitutivo para materiales transversalmente isótropos bajo estados tridimensionales de tensión. El modelo se valida analizando numéricamente el proceso de agrietamiento de la matriz. Finalmente se desarrolla un modelo analítico para determinar el agrietamiento de la matriz y la delaminación entre las capas.

Desenvolupament computacional de la semblança molecular quàntica

La present Tesi Doctoral, titulada desenvolupament computacional de la semblança molecular quàntica, tracta, fonamentalment, els aspectes de càlcul de mesures de semblança basades en la comparació de funcions de densitat electrònica.El primer capítol, Semblança quàntica, és introductori. S'hi descriuen les funcions de densitat de probabilitat electrònica i llur significança en el marc de la mecànica quàntica. Se n'expliciten els aspectes essencials i les condicions matemàtiques a satisfer, cara a una millor comprensió dels models de densitat electrònica que es proposen. Hom presenta les densitats electròniques, mencionant els teoremes de Hohenberg i Kohn i esquematitzant la teoria de Bader, com magnituds fonamentals en la descripció de les molècules i en la comprensió de llurs propietats.En el capítol Models de densitats electròniques moleculars es presenten procediments computacionals originals per l'ajust de funcions densitat a models expandits en termes de gaussianes 1s centrades en els nuclis. Les restriccions físico-matemàtiques associades a les distribucions de probabilitat s'introdueixen de manera rigorosa, en el procediment anomenat Atomic Shell Approximation (ASA). Aquest procediment, implementat en el programa ASAC, parteix d'un espai funcional quasi complert, d'on se seleccionen variacionalment les funcions o capes de l'expansió, d'acord als requisits de no negativitat. La qualitat d'aquestes densitats i de les mesures de semblança derivades es verifica abastament. Aquest model ASA s'estén a representacions dinàmiques, físicament més acurades, en quant que afectades per les vibracions nuclears, cara a una exploració de l'efecte de l'esmorteïment dels pics nuclears en les mesures de semblança molecular. La comparació de les densitats dinàmiques respecte les estàtiques evidencia un reordenament en les densitats dinàmiques, d'acord al que constituiria una manifestació del Principi quàntic de Le Chatelier. El procediment ASA, explícitament consistent amb les condicions de N-representabilitat, s'aplica també a la determinació directe de densitats electròniques hidrogenoides, en un context de teoria del funcional de la densitat.El capítol Maximització global de la funció de semblança presenta algorismes originals per la determinació de la màxima sobreposició de les densitats electròniques moleculars. Les mesures de semblança molecular quàntica s'identifiquen amb el màxim solapament, de manera es mesuri la distància entre les molècules, independentment dels sistemes de referència on es defineixen les densitats electròniques. Partint de la solució global en el límit de densitats infinitament compactades en els nuclis, es proposen tres nivells de aproximació per l'exploració sistemàtica, no estocàstica, de la funció de semblança, possibilitant la identificació eficient del màxim global, així com també dels diferents màxims locals. Es proposa també una parametrització original de les integrals de recobriment a través d'ajustos a funcions lorentzianes, en quant que tècnica d'acceleració computacional. En la pràctica de les relacions estructura-activitat, aquests avenços possibiliten la implementació eficient de mesures de semblança quantitatives, i, paral·lelament, proporcionen una metodologia totalment automàtica d'alineació molecular. El capítol Semblances d'àtoms en molècules descriu un algorisme de comparació dels àtoms de Bader, o regions tridimensionals delimitades per superfícies de flux zero de la funció de densitat electrònica. El caràcter quantitatiu d'aquestes semblances possibilita la mesura rigorosa de la noció química de transferibilitat d'àtoms i grups funcionals. Les superfícies de flux zero i els algorismes d'integració usats han estat publicats recentment i constitueixen l'aproximació més acurada pel càlcul de les propietats atòmiques. Finalment, en el capítol Semblances en estructures cristal·lines hom proposa una definició original de semblança, específica per la comparació dels conceptes de suavitat o softness en la distribució de fonons associats a l'estructura cristal·lina. Aquests conceptes apareixen en estudis de superconductivitat a causa de la influència de les interaccions electró-fonó en les temperatures de transició a l'estat superconductor. En aplicar-se aquesta metodologia a l'anàlisi de sals de BEDT-TTF, s'evidencien correlacions estructurals entre sals superconductores i no superconductores, en consonància amb les hipòtesis apuntades a la literatura sobre la rellevància de determinades interaccions.Conclouen aquesta tesi un apèndix que conté el programa ASAC, implementació de l'algorisme ASA, i un capítol final amb referències bibliogràfiques.

Ferramenta computacional para a medição de campos de velocidade utilizando processamento digital de imagens

A proposta deste trabalho, consiste na elaboração de uma ferramenta computacional para a medição de campos de velocidades em escoamentos com baixas velocidades (< 0,5 m/s) utilizando o processamento digital de imagens. Ao longo dos anos, inúmeras técnicas foram desenvolvidas com este objetivo. Para cada tipo de aplicação, uma técnica se aplica com maior ou menor eficiência do que outras. Para o caso de estudos em fluídos transparentes, onde o escoamento pode ser visualizado, técnicas que utilizam processamento digital de imagens vêm ganhando um grande impulso tecnológico nos últimos anos. Este impulso, é devido a fatores como: câmaras vídeo filmadoras de última geração, dispositivos de aquisição de imagens e componentes de processamento e armazenamento de dados cada vez mais poderosos. Neste contexto, está a velocimetria por processamento de imagens de partículas cuja sigla é PIV (particle image velocimetry). Existem várias formas de se implementar um sistema do tipo PIV. As variantes dependem, basicamente, do equipamento utilizado. Para sua implementação é necessário, inicialmente, um sistema de iluminação que incide em partículas traçadoras adicionadas ao fluido em estudo. Após, as partículas em movimento são filmadas ou fotografadas e suas imagens adquiridas por um computador através de dispositivos de captura de imagens. As imagens das partículas são então processadas, para a obtenção dos vetores velocidade. Existem diferentes formas de processamento para a obtenção das velocidades. Para o trabalho em questão, devido às características dos equipamentos disponíveis, optou-se por uma metodologia de determinação da trajetória de partículas individuais, que, apesar de limitada em termos de módulo de velocidade, pode ser aplicada a muitos escoamentos reais sob condições controladas Para validar a ferramenta computacional desenvolvida, imagens ideais de partículas foram simuladas como se estivessem em escoamento, através do deslocamento conhecido de vários pixels. Seguindo o objetivo de validação, foi utilizada ainda uma imagem real de partículas, obtida com o auxílio de um plano de iluminação de luz coerente (LASER) e câmaras de vídeo tipo CCD. O programa desenvolvido foi aplicado em situações de escoamento real e os resultados obtidos foram satisfatórios dentro da escala de velocidades inicialmente presumida.

Estudo computacional de líquidos iônicos do tipo dialquilimidazólio

Neste trabalho foram desenvolvidos parâmetros de campo de força dos ânions tetrafenilborato (BPh4 -) e hexafluorfosfato (PF6 -) dentro da metodologia AMBER para a simulação computacional por dinâmica molecular de Líquidos Iônicos formados por estes ânions e cátions do tipo dialquilimidazólio, o 1-n-butil-3-metilimidazólio (BMI+), o 1-etil-3-metilimidazólio (EMI+) e o 1,3-dimetilimidazólio (MMI+). A validação destes parâmetros foi realizada por comparação entre as freqüências dos modos normais obtido por cálculo ab initio com aquelas obtidas por mecânica molecular, juntamente com uma comparação entre as estruturas moleculares e momentos multipolares obtidos pelas duas metodologias. Seguiu-se então a validação por comparação dos resultados dos cálculos de dinâmica molecular com dados experimentais, como densidades, entalpias de vaporização, condutividade elétrica, estrutura radial e espacial e também dados de difração de nêutrons. Foi atingida uma concordância bastante grande entre dados experimentais e cálculo teórico principalmente no que diz respeito à estrutura dos Líquidos Iônicos e foi possível racionalizar em termos de tamanho do grupo alquila do cátion (n-butil, metil ou etil) e do tamanho do ânion tanto propriedades estruturais deste líquidos quanto características dinâmicas dos mesmos.

O modelo de Gurson para dano dúctil : estratégia computacional e aplicações

Este trabalho trata do emprego do modelo de dano dúctil de Gurson e de alguns aspectos relativos a sua implementação computacional. Emprega-se como ponto de partida o programa Metafor, código de elementos finitos voltado para a simulação de problemas de conformação mecânica, contemplando portanto grandes deformações plásticas. Estudam-se alguns casos simples procurando identificar a influência de cada parâmetro do modelo de Gurson na resposta. É discutida a aplicação dos modelos de nucleação de vazios usualmente empregados em conjunto com a superfície de escoamento de Gurson em situações onde há reversão de solicitação. São propostas alterações nos modelos usuais de nucleação de forma a minorar resultados incoerentes verificados. Apresenta-se um algoritmo alternativo ao método de Newton-Raphson para a solução do sistema de equações associado à forma fraca das equações de equilíbrio, em situações onde a rigidez fica muito pequena. Tal algoritmo é implementado e testado. Um algoritmo de integração de tensões é apresentado e implementado, mostrando-se sua vantagem do ponto de vista de robustez, ou seja, obtenção da resposta correta a despeito do tamanho de incremento empregado. Também é discutido um procedimento para desconsiderar elementos que apresentem ruptura local Estudam-se problemas envolvendo geração de calor por deformação plástica em conjunto com a formulação do modelo de Gurson, mostrando que a consideração de acoplamento termo-mecânico com dano traz vantagens em algumas simulações. É discutida a implementação do modelo de Gurson sobre a versão tridimensional do Metafor, que contempla a formulação lagrangiana-euleriana arbitrária (LEA). Ao final, é feita uma simulação inicial do comportamento de espumas metálicas.

Influência de parâmetros moleculares em funções de correlação temporal na dinâmica de solvatação mecânica

No presente trabalho descrevemos nossos resultados relativos à investigação da dinâmica de solvatação mecânica por meio de simulações por dinâmica molecular, respeitando o regime da resposta linear, em sistemas-modelo de argônio líquido com um soluto monoatômico ou diatômico dissolvido. Estudamos sistematicamente a influência dos parâmetros moleculares dos solutos (tamanho, polarizabilidade) e da densidade frente a vários modelos de solvatação. Funções de Correlação Temporal da Energia de Solvatação foram calculadas com relação à correlações de n-corpos (n = 2; 3) distinguindo interações repulsivas e atrativas para ambos os sistemas líquidos. Também obtivemos segundas derivadas temporais dessas funções referindo-se à parcelas translacionais, rotacionais e roto-translacionais na solução do diatômico. Encontramos que funções de correlação temporal coletivas podem ser razoavelmente bem aproximadas por correlações binárias a densidades baixas e, a densidades altas, correlações ternárias tornam-se mais importantes produzindo um descorrelacionamento mais rápido das funções coletivas devido a efeitos de cancelamento parciais. As funções de correlação para interações repulsivas e atrativas exibem comportamentos dinâmicos independentes do modelo de solvatação devido a fatores de escalonamento linear que afetam apenas as amplitudes das dessas funções de correlação temporal. Em geral, os sistemas com grau de liberdade rotacional apresentam tempos de correlação mais curtos para a dinâmica coletiva e tempos de correlação mais longos para as funções binárias e ternárias. Finalmente, esse estudo mostra que os sistemas contendo o diatômico relaxam-se predominantemente por mecanismos translacionais binários em modelos de solvatação envolvendo alterações apenas na polarizabilidade do soluto, e por mecanismos rotacionais atrativos binários em modelos envolvendo alterações no comprimento de ligação.

Simulação computacional como ferramenta de auxílio ao projeto: aplicação em edifícios naturalmente ventilados no clima de Natal/RN

Natural air ventilation is the most import passive strategy to provide thermal comfort in hot and humid climates and a significant low energy strategy. However, the natural ventilated building requires more attention with the architectural design than a conventional building with air conditioning systems, and the results are less reliable. Therefore, this thesis focuses on softwares and methods to predict the natural ventilation performance from the point of view of the architect, with limited resource and knowledge of fluid mechanics. A typical prefabricated building was modelled due to its simplified geometry, low cost and occurrence at the local campus. Firstly, the study emphasized the use of computational fluid dynamics (CFD) software, to simulate the air flow outside and inside the building. A series of approaches were developed to make the simulations possible, compromising the results fidelity. Secondly, the results of CFD simulations were used as the input of an energy tool, to simulate the thermal performance under different rates of air renew. Thirdly, the results of temperature were assessed in terms of thermal comfort. Complementary simulations were carried out to detail the analyses. The results show the potentialities of these tools. However the discussions concerning the simplifications of the approaches, the limitations of the tools and the level of knowledge of the average architect are the major contribution of this study

Otimização e análise mecânica de pastas geopoliméricas para uso em poços sujeitos à injeção cíclica de vapor

Oil wells subjected to cyclic steam injection present important challenges for the development of well cementing systems, mainly due to tensile stresses caused by thermal gradients during its useful life. Cement sheath failures in wells using conventional high compressive strength systems lead to the use of cement systems that are more flexible and/or ductile, with emphasis on Portland cement systems with latex addition. Recent research efforts have presented geopolymeric systems as alternatives. These cementing systems are based on alkaline activation of amorphous aluminosilicates such as metakaolin or fly ash and display advantageous properties such as high compressive strength, fast setting and thermal stability. Basic geopolymeric formulations can be found in the literature, which meet basic oil industry specifications such as rheology, compressive strength and thickening time. In this work, new geopolymeric formulations were developed, based on metakaolin, potassium silicate, potassium hydroxide, silica fume and mineral fiber, using the state of the art in chemical composition, mixture modeling and additivation to optimize the most relevant properties for oil well cementing. Starting from molar ratios considered ideal in the literature (SiO2/Al2O3 = 3.8 e K2O/Al2O3 = 1.0), a study of dry mixtures was performed,based on the compressive packing model, resulting in an optimal volume of 6% for the added solid material. This material (silica fume and mineral fiber) works both as an additional silica source (in the case of silica fume) and as mechanical reinforcement, especially in the case of mineral fiber, which incremented the tensile strength. The first triaxial mechanical study of this class of materials was performed. For comparison, a mechanical study of conventional latex-based cementing systems was also carried out. Regardless of differences in the failure mode (brittle for geopolymers, ductile for latex-based systems), the superior uniaxial compressive strength (37 MPa for the geopolymeric slurry P5 versus 18 MPa for the conventional slurry P2), similar triaxial behavior (friction angle 21° for P5 and P2) and lower stifness (in the elastic region 5.1 GPa for P5 versus 6.8 GPa for P2) of the geopolymeric systems allowed them to withstand a similar amount of mechanical energy (155 kJ/m3 for P5 versus 208 kJ/m3 for P2), noting that geopolymers work in the elastic regime, without the microcracking present in the case of latex-based systems. Therefore, the geopolymers studied on this work must be designed for application in the elastic region to avoid brittle failure. Finally, the tensile strength of geopolymers is originally poor (1.3 MPa for the geopolymeric slurry P3) due to its brittle structure. However, after additivation with mineral fiber, the tensile strength became equivalent to that of latex-based systems (2.3 MPa for P5 and 2.1 MPa for P2). The technical viability of conventional and proposed formulations was evaluated for the whole well life, including stresses due to cyclic steam injection. This analysis was performed using finite element-based simulation software. It was verified that conventional slurries are viable up to 204ºF (400ºC) and geopolymeric slurries are viable above 500ºF (260ºC)

Simulação do escoamento monofásico em um estágio de uma bomba centrífuga utilizando técnicas de fluidodinâmica computacional

Oil production and exploration techniques have evolved in the last decades in order to increase fluid flows and optimize how the required equipment are used. The base functioning of Electric Submersible Pumping (ESP) lift method is the use of an electric downhole motor to move a centrifugal pump and transport the fluids to the surface. The Electric Submersible Pumping is an option that has been gaining ground among the methods of Artificial Lift due to the ability to handle a large flow of liquid in onshore and offshore environments. The performance of a well equipped with ESP systems is intrinsically related to the centrifugal pump operation. It is the pump that has the function to turn the motor power into Head. In this present work, a computer model to analyze the three-dimensional flow in a centrifugal pump used in Electric Submersible Pumping has been developed. Through the commercial program, ANSYS® CFX®, initially using water as fluid flow, the geometry and simulation parameters have been defined in order to obtain an approximation of what occurs inside the channels of the impeller and diffuser pump in terms of flow. Three different geometry conditions were initially tested to determine which is most suitable to solving the problem. After choosing the most appropriate geometry, three mesh conditions were analyzed and the obtained values were compared to the experimental characteristic curve of Head provided by the manufacturer. The results have approached the experimental curve, the simulation time and the model convergence were satisfactory if it is considered that the studied problem involves numerical analysis. After the tests with water, oil was used in the simulations. The results were compared to a methodology used in the petroleum industry to correct viscosity. In general, for models with water and oil, the results with single-phase fluids were coherent with the experimental curves and, through three-dimensional computer models, they are a preliminary evaluation for the analysis of the two-phase flow inside the channels of centrifugal pump used in ESP systems

Desenvolvimento de uma ferramenta computacional para aplicação em métodos de elevação por bombeio centrífugo submerso

The Electrical Submersible Pump (ESP) has been one of the most appropriate solutions for lifting method in onshore and offshore applications. The typical features for this application are adverse temperature, viscosity fluids and gas environments. The difficulties in equipments maintenance and setup contributing to increasing costs of oil production in deep water, therefore, the optimization through automation can be a excellent approach for decrease costs and failures in subsurface equipment. This work describe a computer simulation related with the artificial lifting method ESP. This tool support the dynamic behavior of ESP approach, considering the source and electric energy transmission model for the motor, the electric motor model (including the thermal calculation), flow tubbing simulation, centrifugal pump behavior simulation with liquid nature effects and reservoir requirements. In addition, there are tri-dimensional animation for each ESP subsytem (transformer, motor, pump, seal, gas separator, command unit). This computer simulation propose a improvement for monitoring oil wells for maximization of well production. Currenty, the proprietaries simulators are based on specific equipments manufactures. Therefore, it is not possible simulation equipments of another manufactures. In the propose approach there are support for diverse kinds of manufactures equipments