Mobility simulator

This technical report describes the Mobility Simulator that implements a simulation model of the station mobility and the radio wave propagation.

Quantitative description of the self-assembly of patchy particles into chains and rings

We numerically study a simple fluid composed of particles having a hard-core repulsion complemented by two patchy attractive sites on the particle poles. An appropriate choice of the patch angular width allows for the formation of ring structures which, at low temperatures and low densities, compete with the growth of linear aggregates. The simplicity of the model makes it possible to compare simulation results and theoretical predictions based on the Wertheim perturbation theory, specialized to the case in which ring formation is allowed. Such a comparison offers a unique framework for establishing the quality of the analytic predictions. We find that the Wertheim theory describes remarkably well the simulation results.

Construção de um variador de frequência

A dificuldade de controlo de um motor de indução, bem como o armazenamento de energia CC e posterior utilização como energia alternada promoveram o desenvolvimento de variadores de frequência e inversores. Assim, como projeto de tese de mestrado em Automação e Sistemas surge o desenvolvimento de um variador de frequência. Para elaboração do variador de frequência efetuou-se um estudo sobre as técnicas de modulação utilizadas nos inversores. A técnica escolhida e utilizada é a Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM). Esta técnica baseia-se na modelação por largura de impulso (PWM), o qual é formado por comparação de um sinal de referência com um sinal de portadora de elevada frequência. Por sua vez, a topologia escolhida para o inversor corresponde a um Voltage Source Inverter (VSI) de ponte trifásica completa a três terminais. O desenvolvimento da técnica de modulação SPWM levou ao desenvolvimento de um modelo de simulação em SIMULINK, o qual permitiu retirar conclusões sobre os resultados obtidos. Na fase de implementação, foram desenvolvidas placas para o funcionamento do variador de frequência. Assim, numa fase inicial foi desenvolvida a placa de controlo, a qual contém a unidade de processamento e que é responsável pela atuação de Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs). Para além disso, foi desenvolvida uma placa para proteção dos IGBTs (evitando condução simultânea no mesmo terminal) e uma placa de fontes isoladas para alimentação dos circuitos e para atuação dos IGBTs. Ainda, foi desenvolvida a técnica de SPWM em software para a unidade de controlo e finalmente foi desenvolvida uma interface gráfica para interação com o utilizador. A validação do projeto foi conseguida através da variação da velocidade do motor de indução trifásico. Para isso, este foi colocado a funcionar a diversas frequências de funcionamento e a diferentes amplitudes. Para além disso, o seu funcionamento foi também validado utilizando uma carga trifásica equilibrada de 3 lâmpadas de forma a ser visualizada a variação de frequência e variação de amplitude.

Sobrevivência das redes de transporte da nova geração

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Electrónica e Telecomunicações

Avaliação do Desempenho Energético e da Qualidade do Ar Interior do Edifício Principal do Parque Biológico de Vila Nova de Gaia

A presente dissertação tem como principal propósito avaliar o desempenho energético e a qualidade do ar interior do edifício principal do Parque Biológico de Vila Nova de Gaia (PBG). Para esse efeito, este estudo relaciona os termos definidos na legislação nacional em vigor até à presente data, e referentes a esta área de atuação, em particular, os presentes no SCE, RSECE, RCCTE e RSECE-QAI. Para avaliar o desempenho energético, procedeu-se numa primeira fase ao processo de auditoria no local e posteriormente à realização de uma simulação dinâmica detalhada, cuja modelação do edifício foi feita com recurso ao software DesignBuilder. Após a validação do modelo simulado, por verificação do desvio entre os consumos energéticos registados nas faturas e os calculados na simulação, igual a 5,97%, foi possível efetuar a desagregação dos consumos em percentagem pelos diferentes tipos de utilizações. Foi também possível determinar os IEE real e nominal, correspondendo a 29,9 e 41.3 kgep/m2.ano, respetivamente, constatando-se através dos mesmos que o edifício ficaria dispensado de implementar um plano de racionalização energética (PRE) e que a classe energética a atribuir é a C. Contudo, foram apresentadas algumas medidas de poupança de energia, de modo a melhorar a eficiência energética do edifício e reduzir a fatura associada. Destas destacam-se duas propostas, a primeira propõe a alteração do sistema de iluminação interior e exterior do edifício, conduzindo a uma redução no consumo de eletricidade de 47,5 MWh/ano, com um período de retorno de investimento de 3,5 anos. A segunda está relacionada com a alteração do sistema de produção de água quente para o aquecimento central, através do incremento de uma caldeira a lenha ao sistema atual, que prevê uma redução de 50 MWh no consumo de gás natural e um período de retorno de investimento de cerca de 4 anos. Na análise realizada à qualidade do ar interior (QAI), os parâmetros quantificados foram os exigidos legalmente, excetuando os microbiológicos. Deste modo, para os parâmetros físicos, temperatura e humidade relativa, obtiveram-se os resultados médios de 19,7ºC e 66,9%, respetivamente, ligeiramente abaixo do previsto na legislação (20,0ºC no período em que foi feita a medição, inverno). No que diz respeito aos parâmetros químicos, os valores médios registados para as concentrações de dióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO), ozono (O3), formaldeído (HCHO), partículas em suspensão (PM10) e radão, foram iguais a 580 ppm, 0,2 ppm, 0,06 ppm, 0,01 ppm, 0,07 mg/m3 e 196 Bq/m3, respetivamente, verificando-se que estão abaixo dos valores máximos de referência presentes no regulamento (984 ppm, 10,7 ppm, 0,10 ppm, 0,08 ppm, 0,15 mg/m3 e 400 Bq/m3). No entanto, o parâmetro relativo aos compostos orgânicos voláteis (COV) teve um valor médio igual a 0,84 ppm, bastante acima do valor máximo de referência (0,26 ppm). Neste caso, terá que ser realizada uma nova série de medições utilizando meios cromatográficos, para avaliar qual(ais) são o(s) agente(s) poluidor(es), de modo a eliminar ou atenuar as fontes de emissão.

Modelação numérica de uma caldeira doméstica a pellets

A biomassa é uma das fontes de energia renovável com maior potencial em Portugal, sendo a capacidade de produção de pellets de biomassa atualmente instalada superior a 1 milhão de toneladas/ano. Contudo, a maioria desta produção destina-se à exportação ou à utilização em centrais térmicas a biomassa, cujo crescimento tem sido significativo nos últimos anos, prevendo-se que a capacidade instalada em 2020 seja de aproximadamente 250 MW. O mercado português de caldeiras a pellets é bastante diversificado. O estudo que realizamos permitiu concluir que cerca de 90% das caldeiras existentes no mercado português têm potências inferiores a 60 kW, possuindo na sua maioria grelha fixa (81%), com sistema de ignição eléctrica (92%) e alimentação superior do biocombustível sólido (94%). O objetivo do presente trabalho foi o desenvolvimento de um modelo para simulação de uma caldeira a pellets de biomassa, que para além de permitir otimizar o projeto e operação deste tipo de equipamento, permitisse avaliar as inovações tecnológicas nesta área. Para tal recorreu-se o BiomassGasificationFoam, um código recentemente publicado, e escrito para utilização com o OpenFOAM, uma ferramenta computacional de acesso livre, que permite a simulação dos processos de pirólise, gasificação e combustão de biomassa. Este código, que foi inicialmente desenvolvido para descrever o processo de gasificação na análise termogravimétrica de biomassa, foi por nós adaptado para considerar as reações de combustão em fase gasosa dos gases libertados durante a pirólise da biomassa (recorrendo para tal ao solver reactingFoam), e ter a possibilidade de realizar a ignição da biomassa, o que foi conseguido através de uma adaptação do código de ignição do XiFoam. O esquema de ignição da biomassa não se revelou adequado, pois verificou-se que a combustão parava sempre que a ignição era inativada, independentemente do tempo que ela estivesse ativa. Como alternativa, usaram-se outros dois esquemas para a combustão da biomassa: uma corrente de ar quente, e uma resistência de aquecimento. Ambos os esquemas funcionaram, mas nunca foi possível fazer com que a combustão fosse autossustentável. A análise dos resultados obtidos permitiu concluir que a extensão das reações de pirólise e de gasificação, que são ambas endotérmicas, é muito pequena, pelo que a quantidade de gases libertados é igualmente muito pequena, não sendo suficiente para libertar a energia necessária à combustão completa da biomassa de uma maneira sustentável. Para tentar ultrapassar esta dificuldade foram testadas várias alternativas, , que incluíram o uso de diferentes composições de biomassa, diferentes cinéticas, calores de reação, parâmetros de transferência de calor, velocidades do ar de alimentação, esquemas de resolução numérica do sistema de equações diferenciais, e diferentes parâmetros dos esquemas de resolução utilizados. Todas estas tentativas se revelaram infrutíferas. Este estudo permitiu concluir que o solver BiomassGasificationFoam, que foi desenvolvido para descrever o processo de gasificação de biomassa em meio inerte, e em que a biomassa é aquecida através de calor fornecido pelas paredes do reator, aparentemente não é adequado à descrição do processo de combustão da biomassa, em que a combustão deve ser autossustentável, e em que as reações de combustão em fase gasosa são importantes. Assim, é necessário um estudo mais aprofundado que permita adaptar este código à simulação do processo de combustão de sólidos porosos em leito fixo.

Petri net based development of globally-asynchronous locally-synchronous distributed embedded systems

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

A systematic methodology to analyse the performance and design configurations of business interoperability in cooperative industrial networks

This thesis proposes a methodology for modelling business interoperability in a context of cooperative industrial networks. The purpose is to develop a methodology that enables the design of cooperative industrial network platforms that are able to deliver business interoperability and the analysis of its impact on the performance of these platforms. To achieve the proposed objective, two modelling tools have been employed: the Axiomatic Design Theory for the design of interoperable platforms; and Agent-Based Simulation for the analysis of the impact of business interoperability. The sequence of the application of the two modelling tools depends on the scenario under analysis, i.e. whether the cooperative industrial network platform exists or not. If the cooperative industrial network platform does not exist, the methodology suggests first the application of the Axiomatic Design Theory to design different configurations of interoperable cooperative industrial network platforms, and then the use of Agent-Based Simulation to analyse or predict the business interoperability and operational performance of the designed configurations. Otherwise, one should start by analysing the performance of the existing platform and based on the achieved results, decide whether it is necessary to redesign it or not. If the redesign is needed, simulation is once again used to predict the performance of the redesigned platform. To explain how those two modelling tools can be applied in practice, a theoretical modelling framework, a theoretical Axiomatic Design model and a theoretical Agent-Based Simulation model are proposed. To demonstrate the applicability of the proposed methodology and/or to validate the proposed theoretical models, a case study regarding a Portuguese Reverse Logistics cooperative network (Valorpneu network) and a case study regarding a Portuguese construction project (Dam Baixo Sabor network) are presented. The findings of the application of the proposed methodology to these two case studies suggest that indeed the Axiomatic Design Theory can effectively contribute in the design of interoperable cooperative industrial network platforms and that Agent-Based Simulation provides an effective set of tools for analysing the impact of business interoperability on the performance of those platforms. However, these conclusions cannot be generalised as only two case studies have been carried out. In terms of relevance to theory, this is the first time that the network effect is addressed in the analysis of the impact of business interoperability on the performance of networked companies and also the first time that a holistic approach is proposed to design interoperable cooperative industrial network platforms. Regarding the practical implications, the proposed methodology is intended to provide industrial managers a management tool that can guide them easily, and in practical and systematic way, in the design of configurations of interoperable cooperative industrial network platforms and/or in the analysis of the impact of business interoperability on the performance of their companies and the networks where their companies operate.

Modeling separator membranes physical characteristics for optimized lithium ion battery performance

The effect of varying separator membrane physical parameters such as degree of porosity, tortuosity and thickness, on battery delivered capacity was studied in order to optimize performance of lithium-ion batteries. This was achieved by a theoretical mathematical model relating the Bruggeman coefficient with the degree of porosity and tortuosity. The inclusion of the separator membrane in the simulation model of the battery system does not affect the delivered capacity of the battery. The ionic conductivity of the separator and consequently the delivered capacity values obtained at different discharge rates depends on the value of the Bruggeman coefficient, which is related with the degree of porosity and tortuosity of the membrane. Independently of scan rate, the optimal value of the degree of porosity is above 50% and the separator thickness should range between 1 μm at 32 μm for improved battery performance.

Experimental and numerical studies of hybrid PCM embedded in plastering mortar for enhanced thermal behaviour of buildings

This paper proposes a methodology for improvement of energy efficiency in buildings through the innovative simultaneous incorporation of three distinct phase change materials (here termed as hybrid PCM) in plastering mortars for façade walls. The thermal performance of a hybrid PCM mortar was experimentally evaluated by comparing the behaviour of a prototype test cell (including hybrid PCM plastering mortar) subjected to realistic daily temperature profiles, with the behaviour of a similar prototype test cell, in which no PCM was added. A numerical simulation model was employed (using ANSYS-FLUENT) to validate the capacity of simulating temperature evolution within the prototype containing hybrid PCM, as well as to understand the contribution of hybrid PCM to energy efficiency. Incorporation of hybrid PCM into plastering mortars was found to have the potential to significantly reduce heating/cooling temperature demands for maintaining the interior temperature within comfort levels when compared to normal mortars (without PCM), or even mortars comprising a single type of PCM.

Análise e simulação da produção de moldes para injeção de plásticos

Dissertação de mestrado em Engenharia Industrial

Utilização de modelos de simulação para a melhoria de um sistema de restauração: estudo de caso de uma cantina universitária

Dissertação de mestrado em Engenharia Industrial

Conceptual Foundations of Modelling of Innovative Production Projects

At the moment there is a lack of methodological approaches to formalization of management of innovative projects relating to production systems, as well as to adaptation and practical use of the existing approaches. This article is about one potential approach to the management of innovative projects, which makes the building of innovative process models possible based on objective approach. It outlines the frameworks for the building of innovative project models, and describes the method of transition from conceptual modelling to innovative project management. In this case, the model alone and together with parameters used for evaluation of the project may be unique and depends on the special features of the project, preferences of decision-making person, and production and economic system in which it is to be implemented. Unlike existing approaches, this concept does not place any restrictions on types of models and makes it possible to take into account the specificities of economic and production systems. Principles embodied in the model allow its usage as a basis for simulation model to be used in one of specialized simulation systems, as well as for information system providing information support of decision-making process in production and economic systems both newly developed by the company (enterprise) and designed on the basis of available information systems that interact through the exchange of data. In addition, this article shows that the development of conceptual foundations of innovative project management in the economic and production systems is inseparable from the development of the theory of industrial control systems, and their comprehensive study may be reduced to a set of elements represented as certain algorithms, models and evaluations. Thus, the study of innovative process may be conducted in both directions: from general to particular, and vice versa.

Scheduling of straddle carriers in a container terminal

Report for the scientific sojourn at the University of California at Berkeley between September 2007 to February 2008. The globalization combined with the success of containerization has brought about tremendous increases in the transportation of containers across the world. This leads to an increasing size of container ships which causes higher demands on seaport container terminals and their equipment. In this situation, the success of container terminals resides in a fast transhipment process with reduced costs. For these reasons it is necessary to optimize the terminal’s processes. There are three main logistic processes in a seaport container terminal: loading and unloading of containerships, storage, and reception/deliver of containers from/to the hinterland. Moreover there is an additional process that ensures the interconnection between previous logistic activities: the internal transport subsystem. The aim of this paper is to optimize the internal transport cycle in a marine container terminal managed by straddle carriers, one of the most used container transfer technologies. Three sub-systems are analyzed in detail: the landside transportation, the storage of containers in the yard, and the quayside transportation. The conflicts and decisions that arise from these three subsystems are analytically investigated, and optimization algorithms are proposed. Moreover, simulation has been applied to TCB (Barcelona Container Terminal) to test these algorithms and compare different straddle carrier’s operation strategies, such as single cycle versus double cycle, and different sizes of the handling equipment fleet. The simulation model is explained in detail and the main decision-making algorithms from the model are presented and formulated.

Yellow fever impact on brown howler monkeys (Alouatta guariba clamitans) in Argentina: a metamodelling approach based on population viability analysis and epidemiological dynamics

In South America, yellow fever (YF) is an established infectious disease that has been identified outside of its traditional endemic areas, affecting human and nonhuman primate (NHP) populations. In the epidemics that occurred in Argentina between 2007-2009, several outbreaks affecting humans and howler monkeys (Alouatta spp) were reported, highlighting the importance of this disease in the context of conservation medicine and public health policies. Considering the lack of information about YF dynamics in New World NHP, our main goal was to apply modelling tools to better understand YF transmission dynamics among endangered brown howler monkey (Alouatta guariba clamitans) populations in northeastern Argentina. Two complementary modelling tools were used to evaluate brown howler population dynamics in the presence of the disease: Vortex, a stochastic demographic simulation model, and Outbreak, a stochastic disease epidemiology simulation. The baseline model of YF disease epidemiology predicted a very high probability of population decline over the next 100 years. We believe the modelling approach discussed here is a reasonable description of the disease and its effects on the howler monkey population and can be useful to support evidence-based decision-making to guide actions at a regional level.