Monitoramento por microcontrolador do cultivo de spirulina em fotobiorreator raceway

A oportunidade de produção de biomassa microalgal tem despertado interesse pelos diversos destinos que a mesma pode ter, seja na produção de bioenergia, como fonte de alimento ou servindo como produto da biofixação de dióxido de carbono. Em geral, a produção em larga escala de cianobactérias e microalgas é feita com acompanhamento através de análises físicoquímicas offline. Neste contexto, o objetivo deste trabalho foi monitorar a concentração celular em fotobiorreator raceway para produção de biomassa microalgal usando técnicas de aquisição digital de dados e controle de processos, pela aquisição de dados inline de iluminância, concentração de biomassa, temperatura e pH. Para tal fim foi necessário construir sensor baseado em software capaz de determinar a concentração de biomassa microalgal a partir de medidas ópticas de intensidade de radiação monocromática espalhada e desenvolver modelo matemático para a produção da biomassa microalgal no microcontrolador, utilizando algoritmo de computação natural no ajuste do modelo. Foi projetado, construído e testado durante cultivos de Spirulina sp. LEB 18, em escala piloto outdoor, um sistema autônomo de registro de informações advindas do cultivo. Foi testado um sensor de concentração de biomassa baseado na medição da radiação passante. Em uma segunda etapa foi concebido, construído e testado um sensor óptico de concentração de biomassa de Spirulina sp. LEB 18 baseado na medição da intensidade da radiação que sofre espalhamento pela suspensão da cianobactéria, em experimento no laboratório, sob condições controladas de luminosidade, temperatura e fluxo de suspensão de biomassa. A partir das medidas de espalhamento da radiação luminosa, foi construído um sistema de inferência neurofuzzy, que serve como um sensor por software da concentração de biomassa em cultivo. Por fim, a partir das concentrações de biomassa de cultivo, ao longo do tempo, foi prospectado o uso da plataforma Arduino na modelagem empírica da cinética de crescimento, usando a Equação de Verhulst. As medidas realizadas no sensor óptico baseado na medida da intensidade da radiação monocromática passante através da suspensão, usado em condições outdoor, apresentaram baixa correlação entre a concentração de biomassa e a radiação, mesmo para concentrações abaixo de 0,6 g/L. Quando da investigação do espalhamento óptico pela suspensão do cultivo, para os ângulos de 45º e 90º a radiação monocromática em 530 nm apresentou um comportamento linear crescente com a concentração, apresentando coeficiente de determinação, nos dois casos, 0,95. Foi possível construir um sensor de concentração de biomassa baseado em software, usando as informações combinadas de intensidade de radiação espalhada nos ângulos de 45º e 135º com coeficiente de determinação de 0,99. É factível realizar simultaneamente a determinação inline de variáveis do processo de cultivo de Spirulina e a modelagem cinética empírica do crescimento do micro-organismo através da equação de Verhulst, em microcontrolador Arduino.

Uma nova abordagem do método Level Set baseada em conhecimento a e priori da forma

The analysis of fluid behavior in multiphase flow is very relevant to guarantee system safety. The use of equipment to describe such behavior is subjected to factors such as the high level of investments and of specialized labor. The application of image processing techniques to flow analysis can be a good alternative, however, very little research has been developed. In this subject, this study aims at developing a new approach to image segmentation based on Level Set method that connects the active contours and prior knowledge. In order to do that, a model shape of the targeted object is trained and defined through a model of point distribution and later this model is inserted as one of the extension velocity functions for the curve evolution at zero level of level set method. The proposed approach creates a framework that consists in three terms of energy and an extension velocity function λLg(θ)+vAg(θ)+muP(0)+θf. The first three terms of the equation are the same ones introduced in (LI CHENYANG XU; FOX, 2005) and the last part of the equation θf is based on the representation of object shape proposed in this work. Two method variations are used: one restricted (Restrict Level Set - RLS) and the other with no restriction (Free Level Set - FLS). The first one is used in image segmentation that contains targets with little variation in shape and pose. The second will be used to correctly identify the shape of the bubbles in the liquid gas two phase flows. The efficiency and robustness of the approach RLS and FLS are presented in the images of the liquid gas two phase flows and in the image dataset HTZ (FERRARI et al., 2009). The results confirm the good performance of the proposed algorithm (RLS and FLS) and indicate that the approach may be used as an efficient method to validate and/or calibrate the various existing equipment used as meters for two phase flow properties, as well as in other image segmentation problems.

Simulação numérica da convecção mista em cavidade preenchida com meio poroso heterogêneo e homogêneo

In this work is presented mixed convection heat transfer inside a lid-driven cavity heated from below and filled with heterogeneous and homogeneous porous medium. In the heterogeneous approach, the solid domain is represented by heat conductive equally spaced blocks; the fluid phase surrounds the blocks being limited by the cavity walls. The homogeneous or pore-continuum approach is characterized by the cavity porosity and permeability. Generalized mass, momentum and energy conservation equations are obtained in dimensionless form to represent both the continuum and the pore-continuum models. The numerical solution is obtained via the finite volume method. QUICK interpolation scheme is set for numerical treatment of the advection terms and SIMPLE algorithm is applied for pressure-velocity coupling. Aiming the laminar regime, the flow parameters are kept in the range of 102≤Re≤103 and 103≤Ra≤106 for both the heterogeneous and homogeneous approaches. In the tested configurations for the continuous model, 9, 16, 36, and 64 blocks are considered for each combination of Re and Ra being the microscopic porosity set as constant φ=0,64 . For the pore-continuum model the Darcy number (Da) is set according to the number of blocks in the heterogeneous cavity and the φ. Numerical results of the comparative study between the microscopic and macroscopic approaches are presented. As a result, average Nusselt number equations for the continuum and the pore continuum models as a function of Ra and Re are obtained.

Controle de sistema não linear de separação gás/líquido sob ação de efeitos transientes fluídicos por sliding control

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2015.

Abordagem rítmica probabilística aplicada em análises de fluxo e estabilidade de taludes

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Geotecnia, 2015.

Utilização de restituição aerofotogramétrica para análise da influência das alterações da rede de drenagem e desenvolvimento de voçorocas devido a urbanização no Município de Jacareí (SP)

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Ciências Humanas, Departamento de Geografia, 2015.

Desenvolvimento de uma Metodologia para a Seletividade cinética aplicada ao processo de hidroconversão do petróleo, ocorrendo em reator gás-líquido

Este trabalho tem como objetivo desenvolver uma metodologia de seletividade cinética, para os pseudocomponentes do petróleo em escoamento gás-liquido em colunas de bolhas usando a Fluidodinâmica Computacional (CFD). Uma geometria cilíndrica de 2,5m de altura e 0,162m de diâmetro foi usada tanto na validação fluidodinâmica com base em dados experimentais da literatura, como na análise cinética do reator operando em dois modos distintos em relação a fase líquida: batelada e contínuo. Todos os casos de estudo operam em regime heterogêneo de escoamento, com velocidade superficial do gás igual a 8 cm/s e diâmetro médio de bolhas de 6 mm. O modelo fluidodinâmico validado apresentou boa concordância com os dados experimentais, sendo empregado como base para a implementação do modelo cinético de rede de Krishna e Saxena (1989). A análise da hidroconversão foi realizada a 371ºC, e os resultados mostraram o comportamento esperado para o processo reativo estudado, definindo-se os tempos (batelada) e posições axiais (contínuo) de coleta ideal para os pseudocomponentes leves. Em síntese, ressaltase o uso da ferramenta CFD no entendimento, desenvolvimento e otimização de processos.

Desenvolvimento e estudo em microcanais de fluidos inovadores análogos ao sangue baseados em vesículas unilamelares gigantes

O escoamento sanguíneo é um dos temas de grande interesse para a comunidade científica. Assim, a busca de fluidos que sejam análogos ao sangue bem como o estudo do seu escoamento em microcanais, tal como acontece com o sangue nos capilares, continua a ser alvo de investigação. Numa primeira fase deste trabalho, procedeu-se ao desenvolvimento de um modelo inovador para produzir glóbulos vermelhos artificiais, constituído por Vesículas Unilamelares Gigantes, vulgarmente designadas Giant Unilamellar Vesicles (GUVs), com três concentrações diferentes. Pretende-se que estas vesículas tenham um comportamento reológico idêntico ao escoamento dos glóbulos vermelhos (GVs) em microcanais, permitindo assim proceder a vários estudos hemodinâmicos. No desenvolvimento destas vesículas, foi verificado que as mais adequadas são constituídas por uma mistura natural de lípidos e lecitina de soja. Foi realizado um estudo relativamente à sua concentração, onde se verificou que, com o aumento da quantidade da lecitina de soja nas soluções, a concentração de GUVs tende a aumentar. Foi também realizado um estudo relativo aos diâmetros dos GUVs para verificar se estes se aproximavam em termos de tamanho dos GVs, onde foi verificado que a maioria dos GUVs possuem diâmetros com dimensões entre os 5 e 7 μm, tal como os GVs. Foi ainda verificado que a solução com a menor concentração de lecitina de soja possui uma maior quantidade de GUVs com diâmetros entre os 5 e 7 μm. Na segunda fase, foi estudado experimentalmente o escoamento das três soluções de GUVs em microcanais hiperbólicos, com três caudais diferentes, com o objetivo de visualizar a Camada Livre de Células (CLC), determinar a deformação e estudar as velocidades destes. Foi verificado que existe a formação de CLC em todas as concentrações e que aumenta com o aumento do caudal. Relativamente à deformação, esta é bastante mais evidente na contração do microcanal onde a taxa deformação é máxima. Para o caso da velocidade, foi observado um aumento bastante significativo e linear da velocidade na região da contração do microcanal hiperbólico e uma velocidade baixa e aproximadamente constante a montante e jusante da contração. vi Por fim, foi também realizado o estudo reológico dos GUVs, de forma a investigar se estes têm uma viscosidade próxima do sangue. Foi verificado que os GUVs apresentam uma viscosidade inferior à do sangue total e que existe um ligeiro aumento da viscosidade dos GUVs com o aumento da sua concentração. Por último, também foi efetuada uma comparação da viscosidade da solução de GUVs com uma solução de 5% de Hematócrito (Hct) em soro fisiológico, onde foi verificado que ambas as viscosidades são muito próximas.

Numerical prediction of thermal and dynamic characteristics of a fireinduced ceiling-jet

The aim of this thesis is to test the ability of some correlative models such as Alpert correlations on 1972 and re-examined on 2011, the investigation of Heskestad and Delichatsios in 1978, the correlations produced by Cooper in 1982, to define both dynamic and thermal characteristics of a fire induced ceiling-jet flow. The flow occurs when the fire plume impinges the ceiling and develops in the radial direction of the fire axis. Both temperature and velocity predictions are decisive for sprinklers positioning, fire alarms positions, detectors (heat, smoke) positions and activation times and back-layering predictions. These correlative models will be compared with a 3D numerical simulation software CFAST. For the results comparison of temperature and velocity near the ceiling. These results are also compared with a Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis, using ANSYS FLUENT.

Study of different atmospheric environments associated to storms development in the Madeira Island

The study aims to improve the understanding about different atmospheric environments leading to the development of storms associated with heavy precipitation in Madeira Island. For this purpose, four main goals have been considered: 1) To document the synoptic and mesoscale environments associated with heavy precipitation. 2) To characterize surface precipitation patterns that affected the island during some periods of significant accumulated precipitation using numerical modelling. 3) To study the relationship between surface precipitation patterns and mesoscale environments. 4) To highlight how the PhD findings obtained in the first three goals can be translated into an operational forecast context. Concerning the large scale environment, precipitation over the island was favoured by weather systems (e.g, mesoscale convective systems and low pressure systems), as well as by the meridional transport of high amount of moisture from a structure denominated as “Atmospheric River”. The tropical origin of this moisture is underscored, however, their impact on the precipitation in Madeira was not so high during the 10 winter seasons [2002 – 2012] studied. The main factor triggering heavy precipitation events over the island is related to the local orography. The steep terrain favours orographically-induced stationary precipitation over the highlands, although maximum of precipitation at coastal region may be produced by localized blocking effect. These orographic precipitating systems presented different structures, associated with shallow and deep convection. Essentially, the study shows that the combination of airflow dynamics, moist content, and orography is the major mechanism that produces precipitation over the island. These factors together with the event duration act to define the regions of excessive precipitation. Finally, the study highlights two useful points for the operational sector, regarding the meridional water vapour transport and local effects causing significant precipitation over the Island; RESUMO: O estudo procura melhorar o entendimento sobre os diferentes ambientes atmosféricos que favorecem o desenvolvimento de tempestades associadas com precipitação intensa na ilha da Madeira. Nesse sentido foram definidos quatro objetivos: 1) Documentar os ambientes sinópticos e de mesoescala associados com precipitação intensa; 2) Caracterizar padrões de precipitação na superfície, em eventos de elevada precipitação acumulada, utilizando modelação numérica; 3) Estudar as relações entre os padrões de precipitação e ambientes de mesoescala; 4) Mostrar como tais resultados podem ser utilizados num contexto operacional de previsão do tempo. Em relação a ambientes de larga escala, verificou-se que a ocorrência de eventos de precipitação intensa sobre a ilha foi favorecida por sistemas meteorológicos, assim como pelo transporte meridional de humidade por meio de estruturas atualmente denominadas Rios atmosféricos. Neste último caso é de destacar a origem tropical de humidade, no entanto, o seu impacto na precipitação sobre a Madeira durante os 10 invernos estudados [2002-2012] não foi tão elevada. O principal fator que favorece os eventos de precipitação intensa está relacionado com a orografia local. O terreno complexo da ilha favorece a ocorrência de precipitação estacionária induzida orograficamente sobre as terras mais altas, embora a precipitação nas zonas costeiras possa ser produzida por um efeito localizado de bloqueio. Estes sistemas orográficos precipitantes apresentaram diferentes estruturas, associados a convecção pouco profunda e profunda. O estudo mostra que a combinação entre as características do escoamento, a quantidade de humidade, e a orografia são os condimentos essenciais para o desenvolvimento da precipitação sobre a ilha, atuando de maneira a definir as regiões de precipitação excessiva. Por fim, o estudo destaca dois pontos que podem ser úteis na previsão do tempo operacional, ligados a larga escala e aos efeitos locais, os quais podem levar ao desenvolvimento de tempestades e precipitação intensa sobre a ilha.

Vazão em soleiras controladas ou não por comportas

Os controladores de caudal, normalmente implementados em sistemas Supervisory control and data acquisition (SCADA), apresentam uma grande relevância no controlo automático de canais de adução. Para garantir que os controladores de caudal sejam fiáveis em todo o seu domínio de funcionamento (em situações de escoamento com ressalto livre ou submerso e de transição entre escoamentos com ressalto livre e ressalto submerso) foram comparados os resultados dos ensaios experimentais com diferentes métodos de cálculo da vazão em comportas e/ou sobre soleiras. O programa de ensaios foi realizado nos canais laboratorial e experimental da Universidade de Évora. Foram realizados ensaios em comportas planas verticais e em soleiras do tipo Waterways Experiment Station (WES) controladas ou não por comportas planas verticais. Em ambos os casos, foram contempladas as situações de escoamento com ressalto livre e submerso. Os resultados obtidos mostram que: a) para as comportas, o método Rajaratnam e Subramanya (1967a) conduz a bons resultados com um erro percentual médio absoluto MAPE < 1% para o escoamento com ressalto livre e MAPE < 4% para o submerso; a transição entre escoamentos foi identificada corretamente por este método; b) para as soleiras, obtiveram-se bons resultados para o escoamento com ressalto livre para o método USACE (1987), com MAPE < 2%, e para o submerso através do método Alves e Martins (2011), com MAPE < 5%; a transição entre escoamentos pode ser considerada adequada de acordo com a curva experimental de Grace (1963); c) para soleiras controladas por comporta, conseguiram-se bons resultados para o escoamento com ressalto livre recorrendo à equação dos orifícios de pequenas dimensões, com MAPE < 1, 5%, e para o submerso com a equação dos orifícios totalmente submersos com MAPE < 1, 6%; em ambos os casos foi necessária calibração do coeficiente de vazão; a transição entre escoamentos foi adequada pelo método de Grace (1963). Com base nos resultados obtidos, foi possível definir um algoritmo de vazão generalizado para comportas e/ou soleiras que permite a determinação da vazão para as situações de escoamento com ressalto livre e submerso incluindo a transição entre escoamentos; ABSTRACT: Flow controllers, usually implemented in Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) systems, are very important in the automatic control of irrigation canal systems. To ensure that flow controllers are reliable for the entire operating range (free or submerged flow and flow transitions) the experimental results were compared with different methods of flow measurement for gates and/or weirs. The test program was conducted in the laboratory flume and in the automatic canal of the University of ´Evora. Tests were carried in sluice gates and in broad-crested weirs controlled or not by sluice gate. In both cases free and submerged flow conditions were analyzed. The results show that: a) for the sluice gates, the method of Rajaratnam e Subramanya (1967a) leads to good results with a mean absolute percentage error (MAPE) < 1% for free flow and MAPE < 4% for submerged flow. The transition between flows is correctly identified by this method; b) for the uncontrolled weir, good results were obtained for free flow with the method USACE (1987) with MAPE < 2%, and for submerged flow by the method Alves e Martins (2011) with MAPE < 5%. The transition between flows can be accurately defined by the experimental curve of Grace (1963); c) for the controlled weir, good results were achieved for the free flow with the small orifice equation with MAPE < 1.5% and for submerged flow with the submerged orifice equation with MAPE < 1.6%; in both cases the calibration of the discharge coefficient is needed. The transition between flows can be accomplished through Grace (1963) method. Based on the obtained results, it was possible to define a generalized flow algorithm for gates and/or weirs that allows flow determination for free and submerged flow conditions including the transition between flows.

Influência da vermiculita expandida na resistência à compressão e reologia de pastas cimentantes de poços de petróleo

Several problems related to the loss of hydraulic seal in oilwells, causing gas migration and/or contamination of the production zone by water, have been reported. The loss of the hydraulic seal is a consequence of cracks which can be occasioned either by the invasion of gas during the wait on cement or by the expansion of the casing causing the fracture of the cement sheath. In case of the pressure of the formation is higher than the pressure in the annulus, gas can migrate into the slurry and form microannulus, which are channels where gas migrates after the cement is set. Cracks can be also occasioned by the fracture of the cement sheath when it does not withstand the thermal and dynamic loads. In reservoirs where the oil is heavy, steam water injection operation is required in order to get the oil flowing. This operation increases the temperature of the casing, and then it expands and causes the fracture of the cement sheath in the annulus. When the failures on the cement are detected, remedial cementing is required, which raise costs caused by the interventions. Once the use of cement in the construction civil sector is older than its use in the petroleum sector, it is common to bring technologies and solutions from the civil construction and apply them on the petroleum area. In this context, vermiculite, a mineral-clay widely encountered in Brazil, has been used, on its exfoliated form, in the civil construction, especially on the manufacture of lights and fireproof concretes with excellent thermal and acoustical properties. It has already been reported in scientific journals, studies of the addition of exfoliated vermiculite in Portland cements revealing good properties related to oilwell cementing operations. Thus, this study aimed to study the rheological behavior, thickening time, stability and compressive strength of the slurries made of Portland cement and exfoliated vermiculite in 5 different compositions, at room temperature and heated. The results showed that the compressive strength decreased with the addition of exfoliated vermiculite, however the values are still allowed for oiwell cementing operations. The thickening time of the slurry with no exfoliated vermiculite was 120 min and the thickening time of the slurry with 12 % of exfoliated vermiculite was 98 min. The stability and the rheological behavior of the slurries revealed that the exfoliated vermiculite absorbed water and therefore increased the viscosity of the slurries, even though increasing the factor cement-water. The stability experiment carried out at 133 ºF showed that, there was neither sedimentation nor reduction of the volume of the cement for the slurry with 12 % of exfoliated vermiculite. Thus, the addition of exfoliated vermiculite accelerates the set time of the cement and gives it a small shrinkage during the wait on cement, which are important to prevent gas migration

Análise experimental e numérica de quedas de pressão em canais estenosados

O interesse nos estudos relacionados com o escoamento de fluidos em microcanais tem assumido um lugar de destaque na área de biomédica, uma vez que que estes estudos permitem analisar escoamentos sanguíneos evitando questões de ética que se colocam quando se trabalha fisicamente com o sangue. Numa primeira fase deste trabalho foram fabricados modelos anatómicos tridimensionais, mais concretamente canais circulares, um sem patologia e dois com ateromas de alturas diferentes, onde foram efetuadas medições de quedas de pressão. Com os resultados obtidos foi possível concluir que a presença de ateromas influencia o escoamento sanguíneo, verificando-se que as quedas de pressão aumentam com o aumento do grau da estenose. Numa segunda fase os escoamentos estudados experimentalmente foram alvo de um estudo numérico com o objetivo de comparar os resultados da simulação com os obtidos experimentalmente. As simulações numéricas foram efetuadas recorrendo a um software comercial que implementa o método dos volumes finitos e os resultados obtidos revelaram-se concordantes com os obtidos experimentalmente, o que permitiu concluir que a dinâmica de fluidos computacional é de facto uma boa estratégia a ser utilizada. Na fase final do trabalho, procedeu-se à identificação da melhor modelação matemática para caracterizar a diferença de valores obtidos nos estudos experimental e numérico. Após diversas estratégias conclui-se que a diferença de valores pode ser caracterizada por uma função polinomial.

Gestão territorial e geografia dos transportes : o processo de concessão do Aeroporto Internacional de Brasília

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Departamento de Geografia, Programa de Pós-Graduação em Geografia, 2016.

Arquitetura de rede com suporte à mobilidade de fluxo IP e ao gerenciamento de Mobilidade Distribuído (DMM)

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2016.