Modelagem matemática de aferições de temperatura com aplicação em graus-dias para cultura da cana-de-açúcar

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Equações de diferenças: aplicações no ensino médio

Pós-graduação em Matemática em Rede Nacional - IBILCE

Elementos estruturais de um modelo formal dos esportes coletivos de invasão

O desenvolvimento de um modelo formal da estratégia e da dinâmica do jogo constitui uma contribuição científica original no contexto dos esportes coletivos de invasão. O procedimento construtivo de uma estratégia definido no modelo é composto de cinco conjuntos de elementos ordenados em níveis hierárquicos, que suportam o desenho de estratégias capazes de orientar adequadamente uma equipe em um jogo. Uma vez definido o modelo da estratégia, a formalização da dinâmica do jogo permite sua contextualização no momento de sua aplicação para orientar os jogadores no confronto. O jogo teve sua estrutura decomposta e suas propriedades dinâmicas fundamentais foram definidas. Dessa forma, a modelagem da dinâmica da oposição e da estratégia se complementam, pois definem os momentos nos quais a informação estratégica é utilizada pelos jogadores. A estrutura formal apresentada inaugura uma linha de pesquisa que poderá contribuir para limitar a subjetividade na definição dos critérios de análise de futuros desenhos experimentais, levando à interpretações e comparações mais acuradas dos resultados dos estudos.

Modelagem do absorvedor e do gerador de ciclos de refrigeração por absorção de calor com o par amônia/água baseados na tecnologia de filme descendente sobre placas inclinadas.

Esse trabalho constitui o desenvolvimento da modelagem térmica e simulação por métodos numéricos de dois componentes fundamentais do ciclo de refrigeração por absorção de calor com o par amônia/água: o absorvedor e o gerador. A função do absorvedor é produzir mistura líquida com alta fração mássica de amônia a partir de mistura líquida com baixa fração mássica de amônia e mistura vapor mediante retirada de calor. A função do gerador é produzir mistura líquido/vapor a partir de mistura líquida mediante o fornecimento de calor. É proposto o uso da tecnologia de filmes descendentes sobre placas inclinadas e o método de diferenças finitas para dividir o comprimento da placa em volumes de controle discretos e realizar os balanços de massa, espécie de amônia e energia juntamente com as equações de transferência de calor e massa para o filme descendente. O objetivo desse trabalho é obter um modelo matemático simplificado para ser utilizado em controle e otimização. Esse modelo foi utilizado para calcular as trocas de calor e massa no absorvedor e gerador para diversas condições a partir de dados operacionais, tais como: dimensões desses componentes, ângulo de inclinação da placa, temperatura de superfície e condições de entrada da fase líquida e vapor. Esses resultados foram utilizados para estabelecer relações de causa e efeito entre as variáveis e parâmetros do problema. Os resultados mostraram que o ângulo de inclinação da placa ótimo tanto para o absorvedor como para o gerador é a posição vertical, ou 90°. A posição vertical proporciona o menor comprimento de equilíbrio (0,85 m para o absorvedor e 1,27 m para o gerador com as condições testadas) e se mostrou estável, pois até 75° não foram verificadas variações no funcionamento do absorvedor e gerador. Dentre as condições testadas para uma placa de 0,5 m verificou-se que as maiores efetividades térmicas no absorvedor e gerador foram respectivamente 0,9 e 0,7 e as maiores efetividades mássicas no absorvedor e gerador foram respectivamente 0,6 e 0,5. É esperado que os dados obtidos sejam utilizados em trabalhos futuros para a construção de um protótipo laboratorial e na validação do modelo.

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.

Gaseificação de microalgas: estudo termogravimétrico e modelagem matemática do processo em reator solar.

Devido ao esgotamento de recursos não renováveis e o aumento das preocupações sobre as alterações climáticas, a produção de combustível renovável a partir de microalgas continua a atrair muita a atenção devido ao seu potencial para taxas rápidas de crescimento, alto teor de óleo, capacidade de crescer em cenários não convencionais e a neutralidade de carbono, além de eliminar a preocupação da disputa com as culturas alimentares. Em virtude disso, torna-se importante o desenvolvimento de um processo de conversão das microalgas em gás combustível, em destaque o gás de síntese. Visando essa importância, estudou-se a reação de gaseificação da microalga Chlorella vulgaris através de experimentos de análise termogravimétrica para estimar os parâmetros cinéticos das reações e através da simulação de um modelo matemático dinâmico termoquímico do processo usando equações de conservação de massa e energia acoplados a cinética de reação. Análises termogravimétricas isotérmicas e dinâmicas foram realizadas usando dois diferentes tipos de modelos cinéticos: isoconversionais e reações paralelas independentes (RPI). Em ambos os modelos, os valores dos parâmetros cinéticos estimados apresentaram bons ajustes e permaneceram dentro daqueles encontrados na literatura. Também foram analisados os efeitos dos parâmetros cinéticos do modelo RPI sobre a conversão da microalga no intuito de observar quais mais se pronunciavam diante a variação de valores. Na etapa de simulação do sistema controlado pelo reator solar, o modelo matemático desenvolvido foi validado por meio da comparação dos valores de temperatura e concentrações de produtos obtidos medidos experimentalmente pela literatura, apresentando boa aproximação nos valores e viabilizando, juntamente com a etapa experimental de termogravimetria, a produção de gás de síntese através da gaseificação da microalga Chlorella vulgaris.

Modelagem da poluição difusa em uma bacia de drenagem urbana

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES

Transformações químicas, caracterizações e estudo de modelagem molecular do clerodano bioativo trans-desidrocrotonina

In this work it were developed synthetic and theoretical studies for clerodane-type diterpenes obtained from Croton cajucara Benth which represents one of the most important medicinal plant of the Brazil amazon region. Specifically, the majoritary biocompound 19-nor-clerodane trans-dehydrocrotonin (t-DCTN) isolated from the bark of this Croton, was used as target molecule. Semi-synthetic derivatives were obtained from t-DCTN by using the followed synthetic procedures: 1) catalytic reduction with H2, 2) reduction using NaBH4 and 3) reduction using NaBH4/CeCl3. The semi-synthetic 19-nor-furan-clerodane alcohol-type derivatives were denominated such as t-CTN, tCTN-OL, t-CTN-OL, t-DCTN-OL, t-DCTN-OL, being all of them characterized by NMR. The furan-clerodane alcohol derivatives t-CTN-OL and tCTN-OL were obtained form the semi-synthetic t-CTN, which can be isolated from the bark of C. cajucara. A theoretical protocol (DFT/B3LYP) involving the prevision of geometric and magnetic properties such as bond length and angles, as well as chemical shifts and coupling constants, were developed for the target t-DCTN in which was correlated NMR theoretical data with structural data, with satisfactory correlation with NMR experimental data (coefficients ranging from 0.97 and 0.99) and X-ray diffraction data. This theoretical methodology was also validated for all semi-synthetic derivatives described in this work. In addition, topological data from the Quantum Theory of Atoms in Molecules (QTAIM) showed the presence of H-H and (C)O--H(C) intramolecular stabilized interactions types for t-DCTN e t-CTN, contributing to the understanding of the different reactivity of this clerodanes in the presence of NaBH4.

Influência da estratigrafia mecânica no desenvolvimento de falhas distensionais em bacias do tipo Rifte: contribuição da modelagem física

In the last decades, analogue modelling has been used in geology to improve the knowledge of how geological structures are nucleated, how they grow and what are the main important points in such processes. The use of this tool in the oil industry, to help seismic interpretations and mainly to search for structural traps contributed to disseminate the use of this tool in the literature. Nowadays, physical modelling has a large field of applications, since landslide to granite emplacement along shear zones. In this work, we deal with physical modelling to study the influence of mechanical stratifications in the nucleation and development of faults and fractures in a context of orthogonal and conjugated oblique basins. To simulate a mechanical stratigraphy we used different materials, with distinct physical proprieties, such as gypsum powder, glass beads, dry clay and quartz sand. Some experiments were run along with a PIV (Particle Image Velocimetry), an instrument that shows the movement of the particles to each deformation moment. Two series of experiments were studied: i) Series MO: We tested the development of normal faults in a context of an orthogonal (to the extension direction) basin. Experiments were run taking into account the change of materials and strata thickness. Some experiments were done with sintectonic sedimentation. We registered differences in the nucleation and growth of faults in layers with different rheological behavior. The gypsum powder layer behaves in a more competent mode, which generates a great number of high angle fractures. These fractures evolve to faults that exhibit a higher dip than when they cross less competent layers, like the one of quartz sand. This competent layer exhibits faulted blocks arranged in a typical domino-style. Cataclastic breccias developed along the faults affecting the competent layers and showed different evolutional history, depending on the deforming stratigraphic sequence; ii) Series MOS2: Normal faults were analyzed in conjugated sub-basins (oblique to the extension direction) developed in a sequence with and without rheological contrast. In experiments with rheological contrast, two important grabens developed along the faulted margins differing from the subbasins with mechanical stratigraphy. Both experiments developed oblique fault systems and, in the area of sub-basins intersection, faults traces became very curved.

Criação de zonas de alta permeabilidade em fraturas: modelagem numérica do Lajedo de Soledade, Formação Jandaíra, Bacia Potiguar

The fracturing in carbonate rocks has been attracting increasingly attention due to new oil discoveries in carbonate reservoirs. This study investigates how the fractures (faults and joints) behave when subjected to different stress fields and how their behavior may be associated with the generation of karst and consequently to increased secondary porosity in these rocks. In this study I used satellite imagery and unmanned aerial vehicle UAV images and field data to identify and map faults and joints in a carbonate outcrop, which I consider a good analogue of carbonate reservoir. The outcrop comprises rocks of the Jandaíra Formation, Potiguar Basin. Field data were modeled using the TECTOS software, which uses finite element analysis for 2D fracture modeling. I identified three sets of fractures were identified: NS, EW and NW-SE. They correspond to faults that reactivate joint sets. The Ratio of Failure by Stress (RFS) represents stress concentration and how close the rock is to failure and reach the Mohr-Coulomb envelopment. The results indicate that the tectonic stresses are concentrated in preferred structural zones, which are ideal places for carbonate dissolution. Dissolution was observed along sedimentary bedding and fractures throughout the outcrop. However, I observed that the highest values of RFS occur in fracture intersections and terminations. These are site of karst concentration. I finally suggest that there is a relationship between stress concentration and location of karst dissolution in carbonate rocks.

Criação de zonas de alta permeabilidade em fraturas: modelagem numérica do Lajedo de Soledade, Formação Jandaíra, Bacia Potiguar

The fracturing in carbonate rocks has been attracting increasingly attention due to new oil discoveries in carbonate reservoirs. This study investigates how the fractures (faults and joints) behave when subjected to different stress fields and how their behavior may be associated with the generation of karst and consequently to increased secondary porosity in these rocks. In this study I used satellite imagery and unmanned aerial vehicle UAV images and field data to identify and map faults and joints in a carbonate outcrop, which I consider a good analogue of carbonate reservoir. The outcrop comprises rocks of the Jandaíra Formation, Potiguar Basin. Field data were modeled using the TECTOS software, which uses finite element analysis for 2D fracture modeling. I identified three sets of fractures were identified: NS, EW and NW-SE. They correspond to faults that reactivate joint sets. The Ratio of Failure by Stress (RFS) represents stress concentration and how close the rock is to failure and reach the Mohr-Coulomb envelopment. The results indicate that the tectonic stresses are concentrated in preferred structural zones, which are ideal places for carbonate dissolution. Dissolution was observed along sedimentary bedding and fractures throughout the outcrop. However, I observed that the highest values of RFS occur in fracture intersections and terminations. These are site of karst concentration. I finally suggest that there is a relationship between stress concentration and location of karst dissolution in carbonate rocks.

Modelagem multiescala de fenômenos eletrocinéticos em meios porosos carregados eletricamente: aplicação a meios porosos argilosos

In this master thesis, we propose a multiscale mathematical and computational model for electrokinetic phenomena in porous media electrically charged. We consider a porous medium rigid and incompressible saturated by an electrolyte solution containing four monovalent ionic solutes completely diluted in the aqueous solvent. Initially we developed the modeling electrical double layer how objective to compute the electrical potential, surface density of electrical charges and considering two chemical reactions, we propose a 2-pK model for calculating the chemical adsorption occurring in the domain of electrical double layer. Having the nanoscopic model, we deduce a model in the microscale, where the electrochemical adsorption of ions, protonation/ deprotonation reactions and zeta potential obtained in the nanoscale, are incorporated through the conditions of interface uid/solid of the Stokes problem and transportation of ions, modeled by equations of Nernst-Planck. Using the homogenization technique of periodic structures, we develop a model in macroscopic scale with respective cells problems for the e ective macroscopic parameters of equations. Finally, we propose several numerical simulations of the multiscale model for uid ow and transport of reactive ionic solute in a saturated aqueous solution of kaolinite. Using nanoscopic model we propose some numerical simulations of electrochemical adsorption phenomena in the electrical double layer. Making use of the nite element method discretize the macroscopic model and propose some numerical simulations in basic and acid system aiming to quantify the transport of ionic solutes in porous media electrically charged.

Modelagem multiescala de fenômenos eletrocinéticos em meios porosos carregados eletricamente: aplicação a meios porosos argilosos

In this master thesis, we propose a multiscale mathematical and computational model for electrokinetic phenomena in porous media electrically charged. We consider a porous medium rigid and incompressible saturated by an electrolyte solution containing four monovalent ionic solutes completely diluted in the aqueous solvent. Initially we developed the modeling electrical double layer how objective to compute the electrical potential, surface density of electrical charges and considering two chemical reactions, we propose a 2-pK model for calculating the chemical adsorption occurring in the domain of electrical double layer. Having the nanoscopic model, we deduce a model in the microscale, where the electrochemical adsorption of ions, protonation/ deprotonation reactions and zeta potential obtained in the nanoscale, are incorporated through the conditions of interface uid/solid of the Stokes problem and transportation of ions, modeled by equations of Nernst-Planck. Using the homogenization technique of periodic structures, we develop a model in macroscopic scale with respective cells problems for the e ective macroscopic parameters of equations. Finally, we propose several numerical simulations of the multiscale model for uid ow and transport of reactive ionic solute in a saturated aqueous solution of kaolinite. Using nanoscopic model we propose some numerical simulations of electrochemical adsorption phenomena in the electrical double layer. Making use of the nite element method discretize the macroscopic model and propose some numerical simulations in basic and acid system aiming to quantify the transport of ionic solutes in porous media electrically charged.

Modelagem molecular voltada para a construção de um nanobiossensor para detecção do herbicida Imazaquin

In this study, our goal was develop and describe a molecular model of the enzyme-inhibiting interaction which can be used for an optimized projection of a Microscope Force Atomic nanobiosensor to detect pesticides molecules, used in agriculture, to evaluate its accordance with limit levels stipulated in valid legislation for its use. The studied herbicide (imazaquin) is a typical member of imidazolinone family and is an inhibitor of the enzymatic activity of Acetohydroxiacid Synthase (AHAS) enzyme that is responsible for the first step of pathway for the synthesis of side-chains in amino acids. The analysis of this enzyme property in the presence of its cofactors was made to obtain structural information and charge distribution of the molecular surface to evaluate its capacity of became immobilized on the Microscopy Atomic Force tip. The computational simulation of the system, using Molecular Dynamics, was possible with the force-field parameters for the cofactor and the herbicides obtained by the online tool SwissParam and it was implemented in force-field CHARMM27, used by software GROMACS; then appropriated simulations were made to validate the new parameters. The molecular orientation of the AHAS was defined based on electrostatic map and the availability of the herbicide in the active site. Steered Molecular Dynamics (SMD) Simulations, followed by quantum mechanics calculations for more representative frames, according to the sequential QM/MM methodology, in a specific direction of extraction of the herbicide from the active site. Therefore, external harmonic forces were applied with similar force constants of AFM cantilever for to simulate herbicide detection experiments by the proposed nanobiosensor. Force value of 1391 pN and binding energy of -14048.52 kJ mol-1 were calculated.

Análise e modelagem do escoamento transitório de fluidos de perfuração

Drilling fluids present a thixotropic behavior and they usually gel when at rest. The sol-gel transition is fundamental to prevent the deposit of rock fragments, generated by drilling the well, over the drill bit during eventual stops. Under those conditions, high pressures are then required in order to break-up the gel when circulation is resumed. Moreover, very high pressures can damage the rock formation at the bottom of the well. Thus, a better understanding of thixotropy and the behavior of thixotropic materials becomes increasingly important for process control. The mechanisms that control thixotropy are not yet well defined and modeling is still a challenge. The objective of this work is to develop a mathematical model to study the pressure transmission in drilling fluids. This work presents a review of thixotropy and of different mathematical models found in the literature that are used to predict such characteristic. It also shows a review of transient flows of compressible fluids. The problem is modeled as the flow between the drillpipe and the annular region (space between the wall and the external part of the drillpipe). The equations that describe the problem (mass conservation, momentum balance, constitutive and state) are then discretized and numerically solved by using a computational algorithm in Fortran. The model is validated with experimental and numerical data obtained from the literature. Comparisons between experimental data obtained from Petrobras and calculated by three viscoplastic and one pseudoplastic models are conducted. The viscoplastic fluids, due to the yield stress, do not fully transmit the pressure to the outlet of the annular space. Sensibility analyses are then conducted in order to evaluate the thixotropic effect in pressure transmission.