Estudo da solidificação equiaxial utilizando o modelo do campo de fases tridimensional.

Este trabalho apresenta um estudo da solidificação de metais puros utilizando o modelo de campo de fases. O modelo é utilizado para simular a solidificação com o intuito de obter a morfologia da interface sólido-líquido sob diversas condições de transferência de calor. Foram realizados testes de validação comparando as morfologias da interface sólido-líquido obtida com as morfologias apresentadas em trabalhos anteriores para os casos bi e tridimensionais. O modelo do campo de fases adotado consiste principalmente de duas equações diferenciais: uma para calcular a variável de campo de fases e outra para calcular o campo de temperaturas. As equações foram solucionadas numericamente para um oitavo do domínio devido a simetria do problema. Os cálculos do modelo indicam que um sólido esférico com um raio inicial menor que o raio crítico de nucleação refunde. Entretanto uma esfera de raio maior cresce. Quando o sólido inicial cresce em uma malha numérica relativamente grosseira, a forma do sólido desvia da forma esférica devido perturbações na interface sólido-líquido. Quando a malha é refinada, as perturbações não são detectadas; contudo, quando introduzidas artificialmente as perturbações crescem e distorcem o formato esférico.

Modelagem e simulação de reator de cultivo de microalgas tipo \"open pond\".

Mudança climática é um processo global, real e inequívoco. Para sua mitigação, a substituição de combustíveis fósseis por energias renováveis está sendo cada vez mais empregada. Devido à rápida velocidade de crescimento das microalgas, seu cultivo é visto como uma das alternativas mais promissoras para a produção de biocombustíveis. No presente trabalho, foi elaborado um modelo matemático fenomenológico que descreve o crescimento da microalga Chlorella vulgaris. Este modelo foi validado através de experimentos realizados em um reator piloto com capacidade de 1000 L tipo \"open pond\" (reator de raias) aberto ao ambiente, em condições não-axênicas. A variação de concentração devida à evaporação e/ou adição de água foi levada em conta no modelo. O modelo matemático desenvolvido, contendo dois parâmetros ajustáveis, descreve a variação da concentração de biomassa em função do tempo sob condições variáveis de luminosidade e temperatura. Os parâmetros ajustáveis são q (constante para conversão de intensidade luminosa em crescimento fotossintético, em klux-1 min-1) e Imax (limite máximo de intensidade luminosa, em klux). Previamente ao projeto do reator, foram realizados experimentos em reator de laboratório (utilizando a metodologia Taguchi) com o objetivo de determinar quais os fatores mais críticos para o crescimento da espécie de microalga selecionada e que, por isso, deveriam ser controlados com maior precisão. Além disso, foi analisada teoricamente a relevância da consideração do transporte de massa de CO2 no processo. Como este transporte é muito mais lento, a resistência controladora do processo é o crescimento fotossintético. Após a construção do reator piloto, foram realizados dois experimentos preliminares (os quais serviram para aperfeiçoar o aparato e o procedimento experimental) e três experimentos definitivos, registrando-se dados ambientais (temperatura, intensidade luminosa e pH) e de concentração ao longo do tempo. Utilizando os dados de temperatura e luminosidade em função do tempo como entrada, os parâmetros q e Imax otimizados foram ajustados às curvas de concentração versus tempo de cada experimento. Para tal foram desenvolvidos programas de integração de equações diferenciais e de otimização escritos em ambiente Scilab®. Verificou-se que, apesar da variabilidade devida às condições ambientais dos experimentos, obteve-se boa aderência dos dados simulados aos experimentais. Uma análise estatística dos parâmetros q e Imax calculados em cada experimento forneceu coeficientes de variação para estes parâmetros de 17 % e 5 %, respectivamente. Concluiu-se, portanto, que o modelo matemático desenvolvido neste trabalho pode ser empregado para prever o desempenho de um reator de raias em condições ambientais variáveis, bastando para isto o ajuste de dois parâmetros.

Degradação fotocatalítica oxidativa do fenol utilizando carvão obtido da pirólise de diferentes biomassas

The modern industrial progress has been contaminating water with phenolic compounds. These are toxic and carcinogenic substances and it is essential to reduce its concentration in water to a tolerable one, determined by CONAMA, in order to protect the living organisms. In this context, this work focuses on the treatment and characterization of catalysts derived from the bio-coal, by-product of biomass pyrolysis (avelós and wood dust) as well as its evaluation in the phenol photocatalytic degradation reaction. Assays were carried out in a slurry bed reactor, which enables instantaneous measurements of temperature, pH and dissolved oxygen. The experiments were performed in the following operating conditions: temperature of 50 °C, oxygen flow equals to 410 mL min-1 , volume of reagent solution equals to 3.2 L, 400 W UV lamp, at 1 atm pressure, with a 2 hours run. The parameters evaluated were the pH (3.0, 6.9 and 10.7), initial concentration of commercial phenol (250, 500 and 1000 ppm), catalyst concentration (0, 1, 2, and 3 g L-1 ), nature of the catalyst (activated avelós carbon washed with dichloromethane, CAADCM, and CMADCM, activated dust wood carbon washed with dichloromethane). The results of XRF, XRD and BET confirmed the presence of iron and potassium in satisfactory amounts to the CAADCM catalyst and on a reduced amount to CMADCM catalyst, and also the surface area increase of the materials after a chemical and physical activation. The phenol degradation curves indicate that pH has a significant effect on the phenol conversion, showing better results for lowers pH. The optimum concentration of catalyst is observed equals to 1 g L-1 , and the increase of the initial phenol concentration exerts a negative influence in the reaction execution. It was also observed positive effect of the presence of iron and potassium in the catalyst structure: betters conversions were observed for tests conducted with the catalyst CAADCM compared to CMADCM catalyst under the same conditions. The higher conversion was achieved for the test carried out at acid pH (3.0) with an initial concentration of phenol at 250 ppm catalyst in the presence of CAADCM at 1 g L-1 . The liquid samples taken every 15 minutes were analyzed by liquid chromatography identifying and quantifying hydroquinone, p-benzoquinone, catechol and maleic acid. Finally, a reaction mechanism is proposed, cogitating the phenol is transformed into the homogeneous phase and the others react on the catalyst surface. Applying the model of Langmuir-Hinshelwood along with a mass balance it was obtained a system of differential equations that were solved using the Runge-Kutta 4th order method associated with a optimization routine called SWARM (particle swarm) aiming to minimize the least square objective function for obtaining the kinetic and adsorption parameters. Related to the kinetic rate constant, it was obtained a magnitude of 10-3 for the phenol degradation, 10-4 to 10-2 for forming the acids, 10-6 to 10-9 for the mineralization of quinones (hydroquinone, p-benzoquinone and catechol), 10-3 to 10-2 for the mineralization of acids.

Avaliação do desempenho da paligorsquita modificada e do carvão da pirólise do lodo de esgoto no processo de degradação fotocatalítica do fenol

The uncontrolled disposal of wastewaters containing phenolic compounds by the industry has caused irreversible damage to the environment. Because of this, it is now mandatory to develop new methods to treat these effluents before they are disposed of. One of the most promising and low cost approaches is the degradation of phenolic compounds via photocatalysis. This work, in particular, has as the main goal, the customization of a bench scale photoreactor and the preparation of catalysts via utilization of char originated from the fast pyrolysis of sewage sludge. The experiments were carried out at constant temperature (50°C) under oxygen (410, 515, 650 and 750 ml min-1). The reaction took place in the liquid phase (3.4 liters), where the catalyst concentration was 1g L-1 and the initial concentration of phenol was 500 mg L-1 and the reaction time was set to 3 hours. A 400 W lamp was adapted to the reactor. The flow of oxygen was optimized to 650 ml min-1. The pH of the liquid and the nature of the catalyst (acidified and calcined palygorskite, palygorskite impregnated with 3.8% Fe and the pyrolysis char) were investigated. The catalytic materials were characterized by XRD, XRF, and BET. In the process of photocatalytic degradation of phenol, the results showed that the pH has a significant influence on the phenol conversion, with best results for pH equal to 5.5. The phenol conversion ranged from 51.78% for the char sewage sludge to 58.02% (for palygorskite acidified calcined). Liquid samples analyzed by liquid chromatography and the following compounds were identified: hydroquinone, catechol and maleic acid. A mechanism of the reaction was proposed, whereas the phenol is transformed into the homogeneous phase and the others react on the catalyst surface. For the latter, the Langmuir-Hinshelwood model was applied, whose mass balances led to a system of differential equations and these were solved using numerical methods in order to get estimates for the kinetic and adsorption parameters. The model was adjusted satisfactorily to the experimental results. From the proposed mechanism and the operating conditions used in this study, the most favored step, regardless of the catalyst, was the acid group (originated from quinone compounds), being transformed into CO2 and water, whose rate constant k4 presented value of 0.578 mol L-1 min-1 for acidified calcined palygorskite, 0.472 mol L-1 min-1 for Fe2O3/palygorskite and 1.276 mol L-1 min-1 for the sludge to char, the latter being the best catalyst for mineralization of acid to CO2 and water. The quinones were adsorbed to the acidic sites of the calcined palygorskite and Fe2O3/palygorskite whose adsorption constants were similar (~ 4.45 L mol-1) and higher than that of the sewage sludge char (3.77 L mol-1).

Avaliação do desempenho da paligorsquita modificada e do carvão da pirólise do lodo de esgoto no processo de degradação fotocatalítica do fenol

The uncontrolled disposal of wastewaters containing phenolic compounds by the industry has caused irreversible damage to the environment. Because of this, it is now mandatory to develop new methods to treat these effluents before they are disposed of. One of the most promising and low cost approaches is the degradation of phenolic compounds via photocatalysis. This work, in particular, has as the main goal, the customization of a bench scale photoreactor and the preparation of catalysts via utilization of char originated from the fast pyrolysis of sewage sludge. The experiments were carried out at constant temperature (50°C) under oxygen (410, 515, 650 and 750 ml min-1). The reaction took place in the liquid phase (3.4 liters), where the catalyst concentration was 1g L-1 and the initial concentration of phenol was 500 mg L-1 and the reaction time was set to 3 hours. A 400 W lamp was adapted to the reactor. The flow of oxygen was optimized to 650 ml min-1. The pH of the liquid and the nature of the catalyst (acidified and calcined palygorskite, palygorskite impregnated with 3.8% Fe and the pyrolysis char) were investigated. The catalytic materials were characterized by XRD, XRF, and BET. In the process of photocatalytic degradation of phenol, the results showed that the pH has a significant influence on the phenol conversion, with best results for pH equal to 5.5. The phenol conversion ranged from 51.78% for the char sewage sludge to 58.02% (for palygorskite acidified calcined). Liquid samples analyzed by liquid chromatography and the following compounds were identified: hydroquinone, catechol and maleic acid. A mechanism of the reaction was proposed, whereas the phenol is transformed into the homogeneous phase and the others react on the catalyst surface. For the latter, the Langmuir-Hinshelwood model was applied, whose mass balances led to a system of differential equations and these were solved using numerical methods in order to get estimates for the kinetic and adsorption parameters. The model was adjusted satisfactorily to the experimental results. From the proposed mechanism and the operating conditions used in this study, the most favored step, regardless of the catalyst, was the acid group (originated from quinone compounds), being transformed into CO2 and water, whose rate constant k4 presented value of 0.578 mol L-1 min-1 for acidified calcined palygorskite, 0.472 mol L-1 min-1 for Fe2O3/palygorskite and 1.276 mol L-1 min-1 for the sludge to char, the latter being the best catalyst for mineralization of acid to CO2 and water. The quinones were adsorbed to the acidic sites of the calcined palygorskite and Fe2O3/palygorskite whose adsorption constants were similar (~ 4.45 L mol-1) and higher than that of the sewage sludge char (3.77 L mol-1).

Conversão da lactose e síntese de galacto-oligossacarídeos: uma abordagem experimental e teórica

O presente trabalho avaliou, na etapa experimental, um processo simultâneo de catálise e fermentação láctica visando obter um iogurte com potenciais características nutracêuticas e, na sua etapa teórica, estabeleceu uma interlocução entre a vivência experimentalista e a teoria da cinética enzimática, no que se refere à conversão da lactose e à síntese de galactooligossacarídeos (GOS). Na abordagem experimental, para um substrato específico, avaliouse biocatálise conduzida simultaneamente à fermentação, defasando a adição da enzima em relação ao início do processo fermentativo. A fermentação foi realizada a partir de cultura láctica liofilizada comercial contendo dois micro-organismos probióticos, Bifidobacterium animalis e Lactobacillus acidophilus, associados aos micro-organismos característicos do iogurte, Lactobacillus bulgaricus e Streptococcus thermophilus. Foi utilizado um preparado enzimático contendo -galactosidases obtidas de duas origens distintas: Kluyveromyces lactis e Aspergillus niger. Foram avaliados os efeitos da concentração da enzima e do tempo de adição da enzima em um planejamento experimental 2 2 . As respostas foram às concentrações, ao final do processo, de lactose, de GOS, de glicose e de galactose e a hidrólise dos galactooligossacarídeos ao longo do tempo. No que se refere à abordagem teórica, o presente trabalho considerou modelos matemáticos de hidrólise de dissacarídeos e conversão da lactose, em que a inibição foi representada a partir do incremento da concentração dos produtos da reação. No que se refere à conversão da lactose e síntese de GOS, o presente trabalho buscou estabelecer um modelo matemático em que a inibição ocorreu por efeito do incremento das concentrações de glicose e de galactose, comparando-o com os modelos conhecidos na literatura. Verificou-se que o desempenho do modelo obtido no presente trabalho foi robusto em relação às premissas estabelecidas. Na comparação com resultados experimentais de conversão enzimática, o modelo mostrou-se capaz de minimizar o erro e de ajustar-se aos dados experimentais.

A Matemática da Natureza : Os padrões decorativos das conchas marinhas

(...) Os padrões decorativos que revestem as conchas de moluscos marinhos tropicais constituem um claro convite a uma análise mais profunda. Estes padrões são registos do crescimento das próprias conchas, seguindo leis como as da formação das dunas nos desertos ou da propagação de uma epidemia de gripe. (...) A diversidade dos padrões, que podem diferir em detalhes, mesmo entre conchas da mesma espécie, sugere um mecanismo morfogenético geral o suficiente para abranger variações espécime-a-espécime e espécie-a-espécie. Este mecanismo de reação-difusão é expresso, em termos matemáticos, por sistemas de equações diferenciais de derivadas parciais. (...)

Classificação hierárquica com distribuições a posteriori: um estudo de simulação em padrões temporais de VIH

O objetivo deste trabalho é avaliar diferentes abordagens para identificação de grupos de pacientes VIH com padrões temporais de evolução da doença similares. Foi considerado um sistema de equações diferenciais ordinárias para caracterizar a comportamento ao longo do tempo de um paciente VIH sob tratamento antiretroviral - TAR de longo prazo, com 5 parâmetros estimados a partir de metodologia Bayesiana. As distribuições a posteriori foram usadas para quantificar distâncias (univariadas) entre pacientes, através do valor médio da distribuição a posteriori, e considerando a distância entre as distribuições a posteriori para cada parâmetro. O resultado do agrupamento hierárquico obtido pelas duas abordagens sugere que o uso de uma distância que considere a distribuição a posteriori é preferível. Trabalho futuro irá considerar distâncias multivariadas em vez de distâncias univariadas.

Brevíssima introdução a modelos matemáticos das pescas

Este texto foi elaborado para apoio a um módulo de 2 ECTS sobre "Métodos Quantitativos em Gestão das Pescas'' na unidade curricular 22195 - Seminário do curso de pós-graduação em "Gestão Sustentável de Recursos Marinhos: Pescas, Aquacultura e Consumo", da Universidade Aberta. O texto pretende constituir uma breve introdução à aplicação da Análise Matemática à modelação e gestão das pescas e não assume qualquer conhecimento prévio sobre o assunto, requerendo apenas conhecimentos de matemática que não são superiores aos obtidos a nível de uma licenciatura em Ciências Biológicas, Económicas, ou afins. Para que os leitores mais interessados nas aplicações, ou menos preparados matematicamente, não sejam desencorajados pelas partes matemáticas mais sofisticadas optou-se por colocá-las em anexos matemáticos no final do texto, deste modo possibilitando também aos leitores mais interessados irem ao fundo das questões e perceberem a razão da validade de determinados resultados.

Modelagem e simulação de um sistema de bombeio mecânico em poços direcionais utilizando parâmetros concentrados

This work aims presenting the development of a model and computer simulation of a sucker rod pumping system. This system take into account the well geometry, the flow through the tubing, the dynamic behavior of the rod string and the use of a induction motor model. The rod string were modeled using concentrated parameters, allowing the use of ordinary differential equations systems to simulate it s behavior

Modelos estocásticos de crescimento individual e desenvolvimento de software de estimação e previsão

Os modelos de crescimento individual são geralmente adaptações de modelos de crescimento de populações. Inicialmente estes modelos eram apenas determinísticos, isto é, não incorporavam as flutuações aleatórias do ambiente. Com o desenvolvimento da teoria do cálculo estocástico podemos adicionar um termo estocástico, que representa a aleatoriedade ambiental que influencia o processo em estudo. Actualmente, o estudo do crescimento individual em ambiente aleatório é cada vez mais importante, não apenas pela vertente financeira, mas também devido às suas aplicações nas áreas da saúde e da pecuária, entre outras. Problemas como o ajustamento de modelos de crescimento individual, estimação de parâmetros e previsão de tamanhos futuros são tratados neste trabalho. São apresentadas novas aplicações do modelo estocástico monomolecular generalizado e um novo software de aplicação deste e de outros modelos. ABSTRACT: Individual growth models are usually adaptations of growth population models. Initially these models were only deterministic, that is, they did not incorporate the random fluctuations of the environment. With the development of the theory of stochastic calculus, we can add a stochastic term that represents the random environmental influences in the process under study. Currently, the study of individual growth in a random environment is increasingly important, not only by the financial scope but also because of its applications in health care and livestock production, among others. Problems such as adjustment of an individual growth model, estimation of parameters and prediction of future sizes are treated in this work. New applications of the generalized stochastic monomolecular model and a new software applied to this and other models are presented.

Uso do R-shiny para execução de modelos matemáticos via web: estudo de caso sobre a dinâmica de propagação do HLB do citros.

RESUMO - O Huanglongbing (HLB ou Greening) é a doença mais importante e destrutiva da citricultura mundial. Presente de forma endêmica nos continentes asiático e africano há várias décadas, essa doença foi constatada no Brasil em 2004, sendo transmitida pelo psilídeo Diaphorina citri e causada por bactérias de floema Candidatus Liberibacter spp. Para auxiliar o estudo da doença, foram desenvolvidos modelos matemáticos para avaliação da propagação do HLB Citros. Este trabalho tem por objetivo a criação de um sistema para execução via web de um destes modelos, permitindo aos profissionais de diversas formações, em especial os das áreas biológicas, que são os especialistas do domínio em estudo, acesso rápido aos resultados fornecidos pelo modelo matemático, eliminando ainda a necessidade de conhecimento prévio em alguma linguagem de programação ou de métodos de resolução de equações diferenciais. O sistema foi completamente implementado em R, tendo sido o pacote deSolve usado para solução do modelo matemático e o framework web Shiny para a interface com usuário, sendo todos open source.

Os conhecimentos supostos disponíveis na transição entre o ensino médio e superior: a noção de sistemas de equações lineares

Nossa pesquisa sobre as diferentes possibilidades de tratamento da noção de sistemas de equações lineares na transição entre o Ensino Médio e Superior. O referencial teórico escolhido é a noção de níveis de conhecimento esperados dos estudantes conforme definição de Robert (1997) apoiado das abordagens teóricas em termos de quadro de Douady (1984), de pontos de vista de Rogalski (1995) e complementado pela teoria antropológica do didático de Bosch e Chevallard (1999), que permite analisar as diferentes relações institucionais esperadas existentes assim como as relações pessoais desenvolvidas pelos estudantes em função das anteriores. Observamos que apesar da coerência entre as relações institucionais esperadas e existentes, os resultados obtidos pelos estudantes nas macroavaliações, tanto no Ensino Médio como no Ensino Superior, não correspondem às expectativas.

Estimação robusta em modelos lineares de equações simultâneas

Os Modelos de Equações Simultâneas (SEM) são modelos estatísticos com muita tradição em estudos de Econometria, uma vez que permitem representar e estudar uma vasta gama de processos económicos. Os estimadores mais usados em SEM resultam da aplicação do Método dos Mínimos Quadrados ou do Método da Máxima Verosimilhança, os quais não são robustos. Em Maronna e Yohai (1997), os autores propõem formas de “robustificar” esses estimadores. Um outro método de estimação com interesse nestes modelos é o Método dos Momentos Generalizado (GMM), o qual também conduz a estimadores não robustos. Estimadores que sofrem de falta de robustez são muito inconvenientes uma vez que podem conduzir a resultados enganadores quando são violadas as hipóteses subjacentes ao modelo assumido. Os estimadores robustos são de grande valor, em particular quando os modelos em estudo são complexos, como é o caso dos SEM. O principal objectivo desta investigação foi o de procurar tais estimadores tendo-se construído um estimador robusto a que se deu o nome de GMMOGK. Trata-se de uma versão robusta do estimador GMM. Para avaliar o desempenho do novo estimador foi feito um adequado estudo de simulação e foi também feita a aplicação do estimador a um conjunto de dados reais. O estimador robusto tem um bom desempenho nos modelos heterocedásticos considerados e, nessas condições, comporta-se melhor do que os estimadores não robustos usados no estudo. Contudo, quando a análise é feita em cada equação separadamente, a especificidade de cada equação individual e a estrutura de dependência do sistema são dois aspectos que influenciam o desempenho do estimador, tal como acontece com os estimadores usuais. Para enquadrar a investigação, o texto inclui uma revisão de aspectos essenciais dos SEM, o seu papel em Econometria, os principais métodos de estimação, com particular ênfase no GMM, e uma curta introdução à estimação robusta.

A conversão de registros de representações semióticas no estudo de sistemas de equações algébricas lineares

Este trabalho consiste na proposta de uma sequencia didática para o ensino de Sistemas de Equações Algébricas Lineares na qual estabelecemos uma conexão entre o Método da Substituição e o buscando a conversão de registros de representação. O objetivo da proposta foi verificar se os alunos conseguem realizar a conexão entre os dois métodos desenvolvendo a conversão do método da substituição no Método do escalonamento caracterizando assim, o aprendizado do objeto matemático estudado, segundo a teoria de registros de representação semiótica de Raimund Duval. A pesquisa foi realizada com alunos do ensino médio em uma escola da rede pública estadual da cidade de Belém e os resultados apontaram para o estabelecimento de uma conexão entre os dois métodos empregados no processo de resolução de sistemas.