Posicionamento aproximado do estado final para sistemas térmicos descritos pela equação do calor.

Neste trabalho, será considerado um problema de controle ótimo quadrático para a equação do calor em domínios retangulares com condição de fronteira do tipo Dirichlet é nos quais, a função de controle (dependente apenas no tempo) constitui um termo de fonte. Uma caracterização da solução ótima é obtida na forma de uma equação linear em um espaço de funções reais definidas no intervalo de tempo considerado. Em seguida, utiliza-se uma sequência de projeções em subespaços de dimensão finita para obter aproximações para o controle ótimo, o cada uma das quais pode ser gerada por um sistema linear de dimensão finita. A sequência de soluções aproximadas assim obtidas converge para a solução ótima do problema original. Finalmente, são apresentados resultados numéricos para domínios espaciais de dimensão 1.

Elementos finitos em fluidos dominados pelo fenômeno de advecção: um método semi-Lagrangeano.

Os escoamentos altamente convectivos representam um desafio na simulação pelo método de elementos finitos. Com a solução de elementos finitos de Galerkin para escoamentos incompressíveis, a matriz associada ao termo convectivo é não simétrica, e portanto, a propiedade de aproximação ótima é perdida. Na prática as soluções apresentam oscilações espúrias. Muitos métodos foram desenvolvidos com o fim de resolver esse problema. Neste trabalho apresentamos um método semi- Lagrangeano, o qual é implicitamente um método do tipo upwind, que portanto resolve o problema anterior, e comparamos o desempenho do método na solução das equações de convecção-difusão e Navier-Stokes incompressível com o Streamline Upwind Petrov Galerkin (SUPG), um método estabilizador de reconhecido desempenho. No SUPG, as funções de forma e de teste são tomadas em espaços diferentes, criando um efeito tal que as oscilações espúrias são drasticamente atenuadas. O método semi-Lagrangeano é um método de fator de integração, no qual o fator é um operador de convecção que se desloca para um sistema de coordenadas móveis no fluido, mas restabelece o sistema de coordenadas Lagrangeanas depois de cada passo de tempo. Isto prevê estabilidade e a possibilidade de utilizar passos de tempo maiores.Existem muitos trabalhos na literatura analisando métodos estabilizadores, mas não assim com o método semi-Lagrangeano, o que representa a contribuição principal deste trabalho: reconhecer as virtudes e as fraquezas do método semi-Lagrangeano em escoamentos dominados pelo fenômeno de convecção.

Otimização da programação das limpezas em redes de trocadores de calor utilizando técnicas de programação matemática

Redes de trocadores de calor são bastante utilizadas na indústria química para promover a integração energética do processo, recuperando calor de correntes quentes para aquecer correntes frias. Estas redes estão sujeitas à deposição, o que causa um aumento na resistência à transferência de calor, prejudicando-a. Uma das principais formas de diminuir o prejuízo causado por este fenômeno é a realização periódica de limpezas nos trocadores de calor. O presente trabalho tem como objetivo desenvolver um novo método para encontrar a programação ótima das limpezas em uma rede de trocadores de calor. O método desenvolvido utiliza o conceito de horizonte deslizante associado a um problema de programação linear inteira mista (MILP). Este problema MILP é capaz de definir o conjunto ótimo de trocadores de calor a serem limpos em um determinado instante de tempo (primeiro instante do horizonte deslizante), levando em conta sua influência nos instantes futuros (restante do horizonte deslizante). O problema MILP utiliza restrições referentes aos balanços de energia, equações de trocadores de calor e número máximo de limpezas simultâneas, com o objetivo de minimizar o consumo de energia da planta. A programação ótima das limpezas é composta pela combinação dos resultados obtidos em cada um dos instantes de tempo.O desempenho desta abordagem foi analisado através de sua aplicação em diversos exemplos típicos apresentados na literatura, inclusive um exemplo de grande porte de uma refinaria brasileira. Os resultados mostraram que a abordagem aplicada foi capaz de prover ganhos semelhantes e, algumas vezes, superiores aos da literatura, indicando que o método desenvolvido é capaz de fornecer bons resultados com um baixo esforço computacional

Avaliação de aminoácidos como inibidores de corrosão para cobre em meio de água do mar artificial

Inibidores de corrosão são substâncias que quando adicionadas a um meio agressivo, diminuem ou previnem a reação de oxidação de um metal com este meio e/ou as reações de redução de espécies presentes no meio. Para a inibição da corrosão de cobre e suas ligas em meios ácidos ou neutros, o inibidor mais empregado é o benzotriazol (BTAH), o qual forma complexos com os íons Cu (I) e Cu (II) na superfície do metal, diminuindo o processo corrosivo. A preocupação com a preservação ambiental e a toxicidade de inibidores de corrosão vem sendo discutida na literatura. Vários estudos têm-se intensificado usando aminoácidos, como proposta para substituição ao BTAH, considerado tóxico. Entre os aminoácidos estudados, dois apresentavam enxofre em suas moléculas (cisteína e metionina) e um outro sem heteroátomo na cadeira lateral (glicina). As concentrações variaram entre 10-2 a 10-4 mol/L e pH da solução entre 7,2 e 8,4. Foram realizadas medidas gravimétricas (ensaios de imersão total) e técnicas eletroquímicas, tais como polarização potenciodinâmica e espectroscopia de impedância eletroquímica. A caracterização morfológica da superfície do substrato após os ensaios de imersão total (743 horas) foi feita por meio de microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia de raios X por dispersão de energia (EDS ou EDX) e difração de raios X (DRX). Embora os resultados com aminoácidos tenham sido sempre muito inferiores àqueles obtidos na presença de BTAH, comportamentos semelhantes em função da concentração dos aminoácidos puderam ser observados pelos diagramas de Nyquist. Contudo, com exceção dos resultados verificados para o meio contendo cisteína 10-2 mol/L, todas as eficiências de inibição para os meios contendo aminoácidos, obtidas pelos ensaios de imersão total, foram negativas, mostrando que o tempo de exposição também pode ser relevante para o desempenho destes inibidores. Entre todos os aminoácidos testados, os meios contendo glicina apresentaram os piores desempenhos anticorrosivos, inclusive acelerando o processo de dissolução anódica do cobre. Esse resultado pode estar relacionado à faixa de pH das soluções testadas e à solubilidade dos complexos de cobre formados com os aminoácidos, mostrando que uma faixa ótima de pH também deve ser assegurada para aprimorar a ação destes aminoácidos como inibidores de corrosão

Um estudo de caso envolvendo a retroanálise de tensões residuais de cravação.

As tensões residuais de cravação ocorrem quando a estaca e o solo não são totalmente descomprimidos após dissipação completa da energia transferida à estaca durante sua instalação. Este assunto tem merecido a atenção de vários pesquisadores, uma vez que a presença das tensões residuais na estaca causa uma alteração no seu comportamento quando carregada. A presente dissertação reuniu estudos anteriores que estabeleceram os principais fatores que influenciam as tensões residuais de cravação. Procurou-se executar uma série de simulações objetivando melhor entender o desenvolvimento das tensões residuais com a porcentagem de resistência de ponta, em continuidade aos estudos de Costa (1994). Costa (1994) observou que a porcentagem de carga na ponta é um fator relevante na avaliação das tensões residuais de cravação. Uma análise paramétrica efetuada confirmou estudos anteriores, verificando que a razão entre a carga residual na ponta em relação à capacidade de carga global cresce, a medida que a porcentagem de carga na ponta aumenta, chegando a um valor máximo para, em seguida, diminuir. Este comportamento é similar ao da curva de compactação do solo, quando, ao aumentar a umidade, o peso específico seco aumenta, até um valor máximo, correspondente à umidade ótima, para em seguida reduzir. Verificouse, ainda, semelhantemente ao aumento da energia de compactação, que vai transladando a curva para cima e para à esquerda do gráfico umidade x peso específico seco, que o aumento do comprimento da estaca apresenta um comportamento similar. O aumento do comprimento leva a curva para cima e para a esquerda. Finalmente, selecionou-se um caso de obra com condições propícias para o desenvolvimento de altas tensões residuais de cravação. Trata-se de um caso de estacas metálicas longas, embutidas em solo residual jovem, de elevada resistência, bem documentado com extensa instrumentação, por ocasião da instalação. A retroanálise de cinco estacas do banco de dados mostrou que as cargas residuais previstas, num programa de simulação de cravação, se aproximaram muito dos valores experimentais. Foi observado também que a profundidade do ponto neutro previsto e medido apresentou uma excelente concordância. O resultado mais relevante desta pesquisa foi quando os valores de porcentagem de ponta foram introduzidos no eixo das abscissas e os valores da razão entre a carga residual na ponta e a capacidade de carga global, no eixo das ordenadas, e se observou o aspecto da curva semelhante à de compactação. A dissertação ilustra ser possível e simples a previsão das tensões residuais de cravação através de uma análise pela equação da onda.

Incentivo à produção de sorgo no Norte de Minas Gerais.

Num sistema integrado de produção, o sorgo, além de ser uma alternativa à cultura do milho nas regiões semi-áridas, tem um grande potencial de produção de biomassa, tanto para bioenergia como para a cobertura do solo nos sistemas de plantio direto. A participação do estado de Minas Gerais na produção nacional, nos últimos cinco anos, evoluiu de 8,8% para 10,4% na área cultivada e de 9,2% para 13,1 % da produção. Na safra 2004/2005, estima-se que o sorgo forrageiro foi cultivado em cerca de 300 mil hectares, com uma produção de aproximadamente 13,5 milhões de toneladas de silagem. O objetivo deste trabalho é incentivar a cultura do sorgo na região Norte de Minas Gerais, visando a gerar renda e a criar auto-suficiência no abastecimento do mercado regional de grãos e forragens. Assim, foram realizados um dia de campo com a participação de mais de 200 pessoas e um curso de atualização do sistema de produção de sorgo adaptado para a região, quando foram registrados 38 participantes. Foram conduzidas oito vitrines tecnológicas distribuídas em áreas estratégicas na região Norte de Minas. Nessas vitrines, foram avaliados o sorgo e o milho para as seguintes variáveis: estande, altura de plantas, plantas produtivas e danos por insetos e doenças. Houve um longo período de estiagem e o milho foi totalmente perdido. O sorgo se recuperou e, principalmente o forrageiro, produziu relativamente bem. A incidência de pragas, doenças e pássaros foi significativa, mas não limitante. Entre os locais avaliados, o sorgo foi melhor em Monte Azul e Mato Verde. O plantio direto foi instalado somente no município da Jaíba, onde o sorgo produziu melhor. O tratamento de sementes de sorgo produziu estande cerca de 90% maior, que resultou em 30% a mais de produção de grãos. O sorgo compensou expressivamente a perda de estande, principalmente pelo aumento do tamanho (massa) das panículas, mas, mesmo assim, o tratamento de sementes foi economicamente vantajoso. A avaliação de uma colheitadeira de milho adaptada para colher outros grãos foi bem sucedida para colher o sorgo, com ótima qualidade, com poucas impurezas e grãos quebrados. Entretanto, as perdas observadas durante a colheita ficaram acima do tolerável, demandando novos ajustes e regulagens.

Modelagem como ferramenta de análise para o uso de composto de lixo urbano na cana-de-açúcar.

O manejo de ocmposto de lixo (CL) oferece um fertilizante alternativo na cana-de-açúcar (possui alto teor de matéria orgânica e nutrientes) e traz ainda uma solução social e ambiental. O objetivo deste estudo é o acompanhamento dos processos de crescimento, maturação e transferência de metais na cana-de-açúcar, afetados pela adição de CL, através de modelos matemáticos como ferramenta de apoio à decisão. Este estudo busca uma alternativa masi econômica ao produtor e uma solução governamental para disposição final sustentável do lixo urbano. O Modelo de Crescimento adaptado a esse estudo foi descrito por Teruel (1996), o qual demonstrou maior vigor vegetativo em cana adubada com CL suplementada com PK e nas dosagens 0 e 60 t.ha-1, e o Índice de área foliar (IAF) máximo atingido foi mais tardio na cana que recebeu tratamento com CL sem suplementação mineral. Para estudo da curva de maturação da cana-de-açúcar foi ajustado o modelo de Mitscherlich (Udo, 1983). Concluiu-se que houve uma influência da dose de CL no tempo em que a cana atinge o ter mínimo para industrialização (correlação negativa) e a resposta ótima da cultura em acumulação de açúcar ocorreu na combinação do CL com fertilizante P ou K. O modelo de transferência de metais pesados no sistema solo-cana, foi construído com base nos modelos compartimentais (solo, raiz e parte aérea). A translocação de metais foi grande para o cádmio, e a passagem de metais pesados para o caldo da cana foi baixa, não trazendo problemas à sua industrialização ou mesmo seu consumo in natura, quando adubada com as dosagens de CL testadas. Os três modelos utilizados nesse estudo mostraram ótimo ajuste e podem servir como base à formulação de normas de uso do CL, podendo estimar quantidades de cada metal em cada parte da planta nos diversos cenários estudados e predizer a resposta em crescimento e desenvolvimento da cana-de-açúcar.

Espaçamento de cultivares de guaranazeiro.

O objetivo deste trabalho foi determinar a densidade ótima de plantio em clones de guaranazeiro visando ao aumento da eficiência no uso da área e maior produtividade.

Cana com ureia na alimentação de bovinos: cartilhas adaptadas ao letramento do produtor.

A cana enriquecida com ureia e enxofre pode ser usada para o gado de leite criado em confinamento ou a pasto. É uma ótima opção para alimentar os animais na época da seca. Além disso, ajuda na melhoria da alimentação das vacas e pode melhorar a reprodução das fêmeas. Esta cartilha visa apresentar uma tecnologia simples e barata que pode ser empregada especialmente em pequenos e médios rebanhos. Como resultado, a propriedade terá maior produção de leite, as vacas terão mais cio e mais bezerros e o produtor terá maior lucro.

The transition from two-dimensional to three-dimensional foam structures

Cox, Simon; Weaire, D.; F?tima Vaz, M., (2002) 'The transition from two-dimensional to three-dimensional foam structures', The European Physical Journal E - Soft Matter 7(4) pp.311-315 RAE2008

Optimal control and numerical optimization applied to epidemiological models

A relação entre a epidemiologia, a modelação matemática e as ferramentas computacionais permite construir e testar teorias sobre o desenvolvimento e combate de uma doença. Esta tese tem como motivação o estudo de modelos epidemiológicos aplicados a doenças infeciosas numa perspetiva de Controlo Ótimo, dando particular relevância ao Dengue. Sendo uma doença tropical e subtropical transmitida por mosquitos, afecta cerca de 100 milhões de pessoas por ano, e é considerada pela Organização Mundial de Saúde como uma grande preocupação para a saúde pública. Os modelos matemáticos desenvolvidos e testados neste trabalho, baseiam-se em equações diferenciais ordinárias que descrevem a dinâmica subjacente à doença nomeadamente a interação entre humanos e mosquitos. É feito um estudo analítico dos mesmos relativamente aos pontos de equilíbrio, sua estabilidade e número básico de reprodução. A propagação do Dengue pode ser atenuada através de medidas de controlo do vetor transmissor, tais como o uso de inseticidas específicos e campanhas educacionais. Como o desenvolvimento de uma potencial vacina tem sido uma aposta mundial recente, são propostos modelos baseados na simulação de um hipotético processo de vacinação numa população. Tendo por base a teoria de Controlo Ótimo, são analisadas as estratégias ótimas para o uso destes controlos e respetivas repercussões na redução/erradicação da doença aquando de um surto na população, considerando uma abordagem bioeconómica. Os problemas formulados são resolvidos numericamente usando métodos diretos e indiretos. Os primeiros discretizam o problema reformulando-o num problema de optimização não linear. Os métodos indiretos usam o Princípio do Máximo de Pontryagin como condição necessária para encontrar a curva ótima para o respetivo controlo. Nestas duas estratégias utilizam-se vários pacotes de software numérico. Ao longo deste trabalho, houve sempre um compromisso entre o realismo dos modelos epidemiológicos e a sua tratabilidade em termos matemáticos.

Optimisation of viscoelastic treatments using genetic algorithms

Viscoelastic treatments are one of the most efficient treatments, as far as passive damping is concerned, particularly in the case of thin and light structures. In this type of treatment, part of the strain energy generated in the viscoelastic material is dissipated to the surroundings, in the form of heat. A layer of viscoelastic material is applied to a structure in an unconstrained or constrained configuration, the latter proving to be the most efficient arrangement. This is due to the fact that the relative movement of both the host and constraining layers cause the viscoelastic material to be subjected to a relatively high strain energy. There are studies, however, that claim that the partial application of the viscoelastic material is just as efficient, in terms of economic costs or any other form of treatment application costs. The application of patches of material in specific and selected areas of the structure, thus minimising the extension of damping material, results in an equally efficient treatment. Since the damping mechanism of a viscoelastic material is based on the dissipation of part of the strain energy, the efficiency of the partial treatment can be correlated to the modal strain energy of the structure. Even though the results obtained with this approach in various studies are considered very satisfactory, an optimisation procedure is deemed necessary. In order to obtain optimum solutions, however, time consuming numerical simulations are required. The optimisation process to use the minimum amount of viscoelastic material is based on an evolutionary geometry re-design and calculation of the modal damping, making this procedure computationally costly. To avert this disadvantage, this study uses adaptive layerwise finite elements and applies Genetic Algorithms in the optimisation process.

Calculus of variations on time scales and applications to economics

We consider some problems of the calculus of variations on time scales. On the beginning our attention is paid on two inverse extremal problems on arbitrary time scales. Firstly, using the Euler-Lagrange equation and the strengthened Legendre condition, we derive a general form for a variation functional that attains a local minimum at a given point of the vector space. Furthermore, we prove a necessary condition for a dynamic integro-differential equation to be an Euler-Lagrange equation. New and interesting results for the discrete and quantum calculus are obtained as particular cases. Afterwards, we prove Euler-Lagrange type equations and transversality conditions for generalized infinite horizon problems. Next we investigate the composition of a certain scalar function with delta and nabla integrals of a vector valued field. Euler-Lagrange equations in integral form, transversality conditions, and necessary optimality conditions for isoperimetric problems, on an arbitrary time scale, are proved. In the end, two main issues of application of time scales in economic, with interesting results, are presented. In the former case we consider a firm that wants to program its production and investment policies to reach a given production rate and to maximize its future market competitiveness. The model which describes firm activities is studied in two different ways: using classical discretizations; and applying discrete versions of our result on time scales. In the end we compare the cost functional values obtained from those two approaches. The latter problem is more complex and relates to rate of inflation, p, and rate of unemployment, u, which inflict a social loss. Using known relations between p, u, and the expected rate of inflation π, we rewrite the social loss function as a function of π. We present this model in the time scale framework and find an optimal path π that minimizes the total social loss over a given time interval.

Network virtualisation from an operator perspective

Network virtualisation is seen as a promising approach to overcome the so-called “Internet impasse” and bring innovation back into the Internet, by allowing easier migration towards novel networking approaches as well as the coexistence of complementary network architectures on a shared infrastructure in a commercial context. Recently, the interest from the operators and mainstream industry in network virtualisation has grown quite significantly, as the potential benefits of virtualisation became clearer, both from an economical and an operational point of view. In the beginning, the concept has been mainly a research topic and has been materialized in small-scale testbeds and research network environments. This PhD Thesis aims to provide the network operator with a set of mechanisms and algorithms capable of managing and controlling virtual networks. To this end, we propose a framework that aims to allocate, monitor and control virtual resources in a centralized and efficient manner. In order to analyse the performance of the framework, we performed the implementation and evaluation on a small-scale testbed. To enable the operator to make an efficient allocation, in real-time, and on-demand, of virtual networks onto the substrate network, it is proposed a heuristic algorithm to perform the virtual network mapping. For the network operator to obtain the highest profit of the physical network, it is also proposed a mathematical formulation that aims to maximize the number of allocated virtual networks onto the physical network. Since the power consumption of the physical network is very significant in the operating costs, it is important to make the allocation of virtual networks in fewer physical resources and onto physical resources already active. To address this challenge, we propose a mathematical formulation that aims to minimize the energy consumption of the physical network without affecting the efficiency of the allocation of virtual networks. To minimize fragmentation of the physical network while increasing the revenue of the operator, it is extended the initial formulation to contemplate the re-optimization of previously mapped virtual networks, so that the operator has a better use of its physical infrastructure. It is also necessary to address the migration of virtual networks, either for reasons of load balancing or for reasons of imminent failure of physical resources, without affecting the proper functioning of the virtual network. To this end, we propose a method based on cloning techniques to perform the migration of virtual networks across the physical infrastructure, transparently, and without affecting the virtual network. In order to assess the resilience of virtual networks to physical network failures, while obtaining the optimal solution for the migration of virtual networks in case of imminent failure of physical resources, the mathematical formulation is extended to minimize the number of nodes migrated and the relocation of virtual links. In comparison with our optimization proposals, we found out that existing heuristics for mapping virtual networks have a poor performance. We also found that it is possible to minimize the energy consumption without penalizing the efficient allocation. By applying the re-optimization on the virtual networks, it has been shown that it is possible to obtain more free resources as well as having the physical resources better balanced. Finally, it was shown that virtual networks are quite resilient to failures on the physical network.

Produção de bioetanol a partir de resíduos industriais de alfarroba: cinética de inibição do etanol para diferentes concentrações do nutriente limitante. Fermentação com recirculação de células livres e células imobilizadas

Dissertação de mest., Engenharia Biológica, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Univ. do Algarve, 2012