Análise vibratória de fundações de máquinas sobre estacas.

A análise de fundações sob solicitações dinâmicas é algo sempre presente em projetos na área industrial. É um campo pouco explorado na área de engenharia geotécnica, onde existem relativamente poucas informações no Brasil, de maneira geral. O método mais comum de realizar essas análises é a simplificação de modelos estruturais a partir do uso de molas. Sabe-se que esses coeficientes de reação têm uma variação relativamente grande e que esse enfoque de projeto pode, em alguns casos, mostrar-se contra a segurança ou levar a superdimensionamentos desnecessários. Verifica-se, então, a necessidade de uma avaliação mais criteriosa, utilizando a interação solo x estrutura, onde as molas comumente utilizadas nas análises vibratórias convencionais são substituídas pela rigidez real do solo quando concebido como um meio contínuo, através de sua discretização pelo método dos elementos finitos. A presente dissertação analisa o problema através do módulo de dinâmica do programa Plaxis 2D. Neste tipo de análise, além da modelagem do solo como um meio contínuo, torna-se possível introduzir condições de contorno específicas ao problema em estudo, múltiplas camadas de solo, sejam horizontais ou inclinadas, além da introdução de amortecedores capazes de evitar a reflexão espúria das ondas incidentes nos limites da malha de elementos finitos e assim modelar mais adequadamente a perda de energia por radiação. A presente dissertação compara medições experimentais e soluções eficientes de métodos vibratórios clássicos com a resposta obtida pelo MEF, mostrando resultados bastante satisfatórios tanto pelos métodos clássicos quanto pelo MEF.

Análise de desempenho dos algoritmos Apriori e Fuzzy Apriori na extração de regras de associação aplicados a um Sistema de Detecção de Intrusos.

A extração de regras de associação (ARM - Association Rule Mining) de dados quantitativos tem sido pesquisa de grande interesse na área de mineração de dados. Com o crescente aumento das bases de dados, há um grande investimento na área de pesquisa na criação de algoritmos para melhorar o desempenho relacionado a quantidade de regras, sua relevância e a performance computacional. O algoritmo APRIORI, tradicionalmente usado na extração de regras de associação, foi criado originalmente para trabalhar com atributos categóricos. Geralmente, para usá-lo com atributos contínuos, ou quantitativos, é necessário transformar os atributos contínuos, discretizando-os e, portanto, criando categorias a partir dos intervalos discretos. Os métodos mais tradicionais de discretização produzem intervalos com fronteiras sharp, que podem subestimar ou superestimar elementos próximos dos limites das partições, e portanto levar a uma representação imprecisa de semântica. Uma maneira de tratar este problema é criar partições soft, com limites suavizados. Neste trabalho é utilizada uma partição fuzzy das variáveis contínuas, que baseia-se na teoria dos conjuntos fuzzy e transforma os atributos quantitativos em partições de termos linguísticos. Os algoritmos de mineração de regras de associação fuzzy (FARM - Fuzzy Association Rule Mining) trabalham com este princípio e, neste trabalho, o algoritmo FUZZYAPRIORI, que pertence a esta categoria, é utilizado. As regras extraídas são expressas em termos linguísticos, o que é mais natural e interpretável pelo raciocício humano. Os algoritmos APRIORI tradicional e FUZZYAPRIORI são comparado, através de classificadores associativos, baseados em regras extraídas por estes algoritmos. Estes classificadores foram aplicados em uma base de dados relativa a registros de conexões TCP/IP que destina-se à criação de um Sistema de Detecção de Intrusos.

Uma Metodologia de Estudo de Simulação Tridimensional de Escoamento Turbulento Estratificado no Reservatório de Plantas Hidrelétricas.

Uma simulação numérica que leva em conta os efeitos de estratificação e mistura escalar (como a temperatura, salinidade ou substância solúvel em água) é necessária para estudar e prever os impactos ambientais que um reservatório de usina hidrelétrica pode produzir. Este trabalho sugere uma metodologia para o estudo de escoamentos ambientais, principalmente aqueles em que o conhecimento da interação entre a estratificação e mistura pode dar noções importantes dos fenômenos que ocorrem. Por esta razão, ferramentas de simulação numérica 3D de escoamento ambiental são desenvolvidas. Um gerador de malha de tetraedros do reservatório e o modelo de turbulência algébrico baseado no número de Richardson são as principais ferramentas desenvolvidas. A principal dificuldade na geração de uma malha de tetraedros de um reservatório é a distribuição não uniforme dos pontos relacionada com a relação desproporcional entre as escalas horizontais e verticais do reservatório. Neste tipo de distribuição de pontos, o algoritmo convencional de geração de malha de tetraedros pode tornar-se instável. Por esta razão, um gerador de malha não estruturada de tetraedros é desenvolvido e a metodologia utilizada para obter elementos conformes é descrita. A geração de malha superficial de triângulos utilizando a triangulação Delaunay e a construção do tetraedros a partir da malha triangular são os principais passos para o gerador de malha. A simulação hidrodinâmica com o modelo de turbulência fornece uma ferramenta útil e computacionalmente viável para fins de engenharia. Além disso, o modelo de turbulência baseado no número de Richardson leva em conta os efeitos da interação entre turbulência e estratificação. O modelo algébrico é o mais simples entre os diversos modelos de turbulência. Mas, fornece resultados realistas com o ajuste de uma pequena quantidade de parâmetros. São incorporados os modelos de viscosidade/difusividade turbulenta para escoamento estratificado. Na aproximação das equações médias de Reynolds e transporte de escalar é utilizando o Método dos Elementos Finitos. Os termos convectivos são aproximados utilizando o método semi-Lagrangeano, e a aproximação espacial é baseada no método de Galerkin. Os resultados computacionais são comparados com os resultados disponíveis na literatura. E, finalmente, a simulação de escoamento em um braço de reservatório é apresentada.

Modelagem do comportamento dinâmico e análise de fadiga de pontes rodoviárias mistas (aço-concreto).

Considerando-se os diversos carregamentos que solicitam a estrutura de uma ponte rodoviária, ao longo de sua vida útil, alguns possuem um comportamento essencialmente dinâmico, ou seja, variam com o tempo, diferentemente do que é considerado na prática corrente de projeto desse tipo de obra de arte. Em geral, os projetistas desse tipo de estrutura têm tratado carregamentos como o de vento, tráfego de veículos e de pedestres como ações de natureza estática, ignorando seu perfil cíclico. Tal consideração, em diversas situações de projeto, tende a minorar os efeitos das ações dinâmicas sobre o sistema estrutural. Além disso, estruturas submetidas a solicitações cíclicas, sob uma carga inferior à caga máxima suportada pelo material, estão sujeitas ao fenômeno da fadiga. A consideração adequada de todos estes aspectos mostra-se fundamentalmente importante para correta avaliação dos níveis de esforços solicitantes do sistema estrutural e, bem como, para a identificação de fenômenos importantes como o da fadiga que pode vir a provocar, por exemplo, a ruptura de componentes estruturais sem aviso prévio ou motivo aparente. Para tal, nesta dissertação as técnicas para a contagem de ciclos de tensão e a aplicação das regras de dano acumulado foram analisadas através de curvas do tipo S-N, associadas a diversas normas de projeto. A ponte rodoviária mista (aço-concreto) investigada neste estudo é constituída por seis vigas de aço longitudinais com enrijecedores transversais, oito transversinas e por um tabuleiro de concreto armado. O modelo numérico-computacional, desenvolvido para a análise dinâmica da ponte, foi elaborado com base em técnicas usuais de discretização através do método dos elementos finitos. As mesas e almas das vigas, assim como os enrijecedores , foram modelados por elementos de casca e laje de concreto armado, por elementos sólidos. O carregamento dinâmico avaliado no presente estudo diz respeito ao tráfego de veículos, cuja representação se dá a partir de sistemas "massa-mola-amortecedor". Os comboios formados são adotados como sendo semi-infinitos, deslocando-se com velocidade constante sobre a ponte. As conclusões da presente investigação versam acerca da vida útil de serviço dos elementos estruturais de pontes mistas (aço-concreto).

Formação de nanopadrões em superfícies por sputtering iônico: Estudo numérico da equação anisotrópica amortecida de Kuramoto-Sivashinsky.

Apresenta-se uma abordagemnumérica para ummodelo que descreve a formação de padrões por sputtering iônico na superfície de ummaterial. Esse processo é responsável pela formação de padrões inesperadamente organizados, como ondulações, nanopontos e filas hexagonais de nanoburacos. Uma análise numérica de padrões preexistentes é proposta para investigar a dinâmica na superfície, baseada em ummodelo resumido em uma equação anisotrópica amortecida de Kuramoto-Sivashinsky, em uma superfície bidimensional com condições de contorno periódicas. Apesar de determinística, seu caráter altamente não-linear fornece uma rica gama de resultados, sendo possível descrever acuradamente diferentes padrões. Umesquema semi implícito de diferenças finitas com fatoração no tempo é aplicado na discretização da equação governante. Simulações foram realizadas com coeficientes realísticos relacionados aos parâmetros físicos (anisotropias, orientação do feixe, difusão). A estabilidade do esquema numérico foi analisada por testes de passo de tempo e espaçamento de malha, enquanto a verificação do mesmo foi realizada pelo Método das Soluções Manufaturadas. Ondulações e padrões hexagonais foram obtidos a partir de condições iniciais monomodais para determinados valores do coeficiente de amortecimento, enquanto caos espaço-temporal apareceu para valores inferiores. Os efeitos anisotrópicos na formação de padrões foramestudados, variando o ângulo de incidência.

Estudo do comportamento estrutural e análise de conforto humano de edifícios de concreto armado.

Atualmente, os projetos de edifícios altos necessitam cada vez mais de sistemas estruturais simples, que agilizem sua montagem, reduzindo os custos e promovendo maior flexibilidade de utilização para os espaços construídos. Com essa finalidade, estruturas com poucas vigas vêm sendo muito utilizadas. Entretanto, o sistema estrutural com poucas vigas pode ocasionar dois tipos de problemas, relacionados entre si, a saber: diminuição do sistema de contraventamento da edificação e vibrações excessivas. Portanto, é fundamental, nesses casos, a verificação da estabilidade global da estrutura, utilizando índices de sensibilidade além de outros parâmetros de projeto, como também, o desenvolvimento de um estudo minucioso acerca do conforto humano da edificação. Assim sendo, neste trabalho de pesquisa foram investigados quatro modelos estruturais de edifícios altos de concreto armado, com base no estudo da variação entre o número de pavimentos e a quantidade de vigas existentes em cada modelo, objetivando-se verificar quais os efeitos que tais variações podem vir a gerar sobre a estabilidade global e, bem como, sobre o conforto humano dos sistemas estruturais investigados. A modelagem numérica dos edifícios em estudo foi realizada através do emprego do programa ANSYS e, para tal, foram utilizadas técnicas básicas de discretização, por meio do método dos elementos finitos. As conclusões alcançadas ao longo da investigação versam acerca do estudo da resposta estrutural estática e dinâmica dos edifícios, no que diz respeito as variações dos valores dos parâmetros de instabilidade, dos valores dos deslocamentos e esforços, e, bem como, dos níveis de conforto humano de cada modelo estrutural analisado.

Estudo de fluxos numéricos para modelos magneto-hidrodinâmicos utilizando o código Flash

A teoria magneto-hidrodinâmicos permite a estruturação de modelos computacionais, designados modelos MHDs, que são uma extensão da dinâmica dos fluidos para lidar com fluidos eletricamente carregados, tais como os plasmas, em que se precisa considerar os efeitos de forças eletromagnéticas. Tais modelos são especialmente úteis quando o movimento exato de uma partícula não é de interesse, sendo que as equações descrevem as evoluções de quantidades macroscópicas. Várias formas de modelos MHD têm sido amplamente utilizadas na Física Espacial para descrever muitos tipos diferentes de fenômenos de plasma, tais como reconexão magnética e interações de ventos estelares com diferentes objetos celestiais. Neste trabalho, o objetivo é analisar o comportamento de diversos fluxos numéricos em uma discretização de volumes finitos de um modelo numérico de MHD usando um esquema de malha entrelaçada sem separação direcional considerando alguns casos testes. Para as simulações, utiliza-se o código Flash, desenvolvido pela Universidade de Chicago, por ser um código de amplo interesse nas simulações astrofísicas e de fenômenos no espaço próximo à Terra. A metodologia consiste na inclusão de um fluxo numérico, permitindo melhoria com respeito ao esquema HLL.

Implementação paralelizada de métodos de resolução de sistemas algébricos na simulação de reservatórios de gás

Desde a década de 1960, devido à pertinência para a indústria petrolífera, a simulação numérica de reservatórios de petróleo tornou-se uma ferramenta usual e uma intensa área de pesquisa. O principal objetivo da modelagem computacional e do uso de métodos numéricos, para a simulação de reservatórios de petróleo, é o de possibilitar um melhor gerenciamento do campo produtor, de maneira que haja uma maximização na recuperação de hidrocarbonetos. Este trabalho tem como objetivo principal paralelizar, empregando a interface de programação de aplicativo OpenMP (Open Multi-Processing), o método numérico utilizado na resolução do sistema algébrico resultante da discretização da equação que descreve o escoamento monofásico em um reservatório de gás, em termos da variável pressão. O conjunto de equações governantes é formado pela equação da continuidade, por uma expressão para o balanço da quantidade de movimento e por uma equação de estado. A Equação da Difusividade Hidráulica (EDH), para a variável pressão, é obtida a partir deste conjunto de equações fundamentais, sendo então discretizada pela utilização do Método de Diferenças Finitas, com a escolha por uma formulação implícita. Diferentes testes numéricos são realizados a fim de estudar a eficiência computacional das versões paralelizadas dos métodos iterativos de Jacobi, Gauss-Seidel, Sobre-relaxação Sucessiva, Gradientes Conjugados (CG), Gradiente Biconjugado (BiCG) e Gradiente Biconjugado Estabilizado (BiCGStab), visando a uma futura aplicação dos mesmos na simulação de reservatórios de gás. Ressalta-se que a presença de heterogeneidades na rocha reservatório e/ou às não-linearidades presentes na EDH para o escoamento de gás aumentam a necessidade de métodos eficientes do ponto de vista de custo computacional, como é o caso de estratégias usando OpenMP.

Contrasting code performances for computational aeroacoustics of jets

The numerical propagation of subcritical Tollmein-Schlichting (T-S), inviscid vortical and cut-on acoustic waves is explored. For the former case, the performances of the very different NEAT, NTS, HYDRA, FLUXp and OSMIS3D codes is studied. A modest/coarse hexahedral computational grid that starkly shows differences between the different codes and schemes used in them is employed. For the same order of discretization the five codes show similar results. The unstructured codes are found to propagate vortical and acoustic waves well on triangular cell meshes but not the T-S wave. The above code contrasting exercise is then carried out using implicit LES or Smagorinsky LES for and Ma = 0.9 plane jet on modest 0.5 million cell grids moving to circa 5 million cell grids. For this case, even on the coarse grid, for all codes results were generally encouraging. In general, the spread in computational results is less than the spread of the measurements. Interestingly, the finer grid turbulence intensity levels are slightly more under-predicted than those of the coarse grid. This difference is attributed to the numerical dispersion error having a favourable coarse grid influence. For a non-isothermal jet, HYDRA and NTS also give encouraging results. Peak turbulence values along the jet centreline are in better agreement with measurements than for the isothermal jets. Copyright © 2006 by University of Wales.

Measurement-Integrated simulations and Kalman filter applied to a co-flowing jet

This paper deals with the experimental evaluation of a flow analysis system based on the integration between an under-resolved Navier-Stokes simulation and experimental measurements with the mechanism of feedback (referred to as Measurement-Integrated simulation), applied to the case of a planar turbulent co-flowing jet. The experiments are performed with inner-to-outer-jet velocity ratio around 2 and the Reynolds number based on the inner-jet heights about 10000. The measurement system is a high-speed PIV, which provides time-resolved data of the flow-field, on a field of view which extends to 20 jet heights downstream the jet outlet. The experimental data can thus be used both for providing the feedback data for the simulations and for validation of the MI-simulations over a wide region. The effect of reduced data-rate and spatial extent of the feedback (i.e. measurements are not available at each simulation time-step or discretization point) was investigated. At first simulations were run with full information in order to obtain an upper limit of the MI-simulations performance. The results show the potential of this methodology of reproducing first and second order statistics of the turbulent flow with good accuracy. Then, to deal with the reduced data different feedback strategies were tested. It was found that for small data-rate reduction the results are basically equivalent to the case of full-information feedback but as the feedback data-rate is reduced further the error increases and tend to be localized in regions of high turbulent activity. Moreover, it is found that the spatial distribution of the error looks qualitatively different for different feedback strategies. Feedback gain distributions calculated by optimal control theory are presented and proposed as a mean to make it possible to perform MI-simulations based on localized measurements only. So far, we have not been able to low error between measurements and simulations by using these gain distributions.

High-order DES and zonal LES of a labyrinth seal

Hybrid numerical large eddy simulation (NLES) and detached eddy simulation (DES) methods are assessed on a labyrinth seal geometry. A high sixth order discretization scheme is used and is validated using a test case of a two dimensional vortex. The hybrid approach adopts a new blending function and along with DES is initially validated using a simple cavity flow. The NLES method is also validated outside of RANS zones. It is found that there is very little resolved turbulence in the cavity for the DES simulation. For the labyrinth seal calculations the DES approach is problematic giving virtually no resolved turbulence content. It is seen that over the tooth tips the extent of the LES region is small and is likely to be a strong contributor to excessive flow damping in these regions. On the other hand the zonal Hamilton-Jacobi approach did not suffer from this trait. In both cases the meshes used are considered to be hybrid RANS-LES adequate. Fortunately (or perhaps unfortunately) the DES profiles are in agreement with the time mean experimental measurements. It is concluded that for an inexperienced CFD practitioner this could have wider implications particularly if transient results such as unsteady loading are desired. Copyright © 2012 by the American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc.

Nonlinear phenomena in thermoacoustics: A comparison between single-mode and multi-mode methods

Nonlinear analysis of thermoacoustic instability is essential for prediction of frequencies and amplitudes of limit cycles. In frequency domain analyses, a quasi-linear transfer function between acoustic velocity and heat release rate perturbations, called the flame describing function (FDF), is obtained from a flame model or experiments. The FDF is a function of the frequency and amplitude of velocity perturbations but only contains the heat release response at the forcing frequency. While the gain and phase of the FDF provide insight into the nonlinear dynamics of the system, the accuracy of its predictions remains to be verified for different types of nonlinearity. In time domain analyses, the governing equations of the fully coupled problem are solved to find the time evolution of the system. One method is to discretize the governing equations using a suitable basis, such as the natural acoustic modes of the system. The number of modes used in the discretization alters the accuracy of the solution. In our previous work we have shown that predictions using the FDF are almost exactly the same as those obtained from the time-domain using only one mode for the discretization. We call this the single-mode method. In this paper we compare results from the single-mode and multi-mode methods, applied to a thermoacoustic system of a premixed flame in a tube. For some cases, the results differ greatly in both amplitude as well as frequency content. This study shows that the contribution from higher and subharmonics to the nonlinear dynamics can be significant and must be considered for an accurate and comprehensive analysis of thermoacoustic systems. Hence multi-mode simulations are necessary, and the single-mode method or the FDF may be insufficient to capture some of the complex nonlinear behaviour in fhermoacoustics.

Nonlinear phenomena in thermoacoustic systems with premixed flames

Nonlinear analysis of thermoacoustic instability is essential for prediction of frequencies, amplitudes and stability of limit cycles. Limit cycles in thermoacoustic systems are reached when the energy input from driving processes and energy losses from damping processes balance each other over a cycle of the oscillation. In this paper an integral relation for the rate of change of energy of a thermoacoustic system is derived. This relation is analogous to the well-known Rayleigh criterion in thermoacoustics, but can be used to calculate the amplitudes of limit cycles, as well as their stability. The relation is applied to a thermoacoustic system of a ducted slot-stabilized 2-D premixed flame. The flame is modelled using a nonlinear kinematic model based on the G-equation, while the acoustics of planar waves in the tube are governed by linearised momentum and energy equations. Using open-loop forced simulations, the flame describing function (FDF) is calculated. The gain and phase information from the FDF is used with the integral relation to construct a cyclic integral rate of change of energy (CIRCE) diagram that indicates the amplitude and stability of limit cycles. This diagram is also used to identify the types of bifurcation the system exhibits and to find the minimum amplitude of excitation needed to reach a stable limit cycle from another linearly stable state, for single- mode thermoacoustic systems. Furthermore, this diagram shows precisely how the choice of velocity model and the amplitudedependence of the gain and the phase of the FDF influence the nonlinear dynamics of the system. Time domain simulations of the coupled thermoacoustic system are performed with a Galerkin discretization for acoustic pressure and velocity. Limit cycle calculations using a single mode, as well as twenty modes, are compared against predictions from the CIRCE diagram. For the single mode system, the time domain calculations agree well with the frequency domain predictions. The heat release rate is highly nonlinear but, because there is only a single acoustic mode, this does not affect the limit cycle amplitude. For the twenty-mode system, however, the higher harmonics of the heat release rate and acoustic velocity interact resulting in a larger limit cycle amplitude. Multimode simulations show that in some situations the contribution from higher harmonics to the nonlinear dynamics can be significant and must be considered for an accurate and comprehensive analysis of thermoacoustic systems. Copyright © 2012 by ASME.

High-order detached eddy simulation, zonal LES and URANS of cavity and labyrinth seal flows

Hybrid numerical large eddy simulation (NLES), detached eddy simulation (DES) and URANS methods are assessed on a cavity and a labyrinth seal geometry. A high sixth-order discretization scheme is used and is validated using the test case of a two-dimensional vortex. The hybrid approach adopts a new blending function. For the URANS simulations, the flow within the cavity remains steady, and the results show significant variation between models. Surprisingly, low levels of resolved turbulence are observed in the cavity for the DES simulation, and the cavity shear layer remains two dimensional. The hybrid RANS-NLES approach does not suffer from this trait.For the labyrinth seal, both the URANS and DES approaches give low levels of resolved turbulence. The zonal Hamilton-Jacobi approach on the other had given significantly more resolved content. Both DES and hybrid RANS-NLES give good agreement with the experimentally measured velocity profiles. Again, there is significant variation between the URANS models, and swirl velocities are overpredicted. © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.

A coupled hydro-mechanical analysis for prediction of hydraulic fracture propagation in saturated porous media using EFG mesh-less method

The details of the Element Free Galerkin (EFG) method are presented with the method being applied to a study on hydraulic fracturing initiation and propagation process in a saturated porous medium using coupled hydro-mechanical numerical modelling. In this EFG method, interpolation (approximation) is based on nodes without using elements and hence an arbitrary discrete fracture path can be modelled.The numerical approach is based upon solving two governing partial differential equations of equilibrium and continuity of pore water simultaneously. Displacement increment and pore water pressure increment are discretized using the same EFG shape functions. An incremental constrained Galerkin weak form is used to create the discrete system of equations and a fully implicit scheme is used for discretization in the time domain. Implementation of essential boundary conditions is based on the penalty method. In order to model discrete fractures, the so-called diffraction method is used.Examples are presented and the results are compared to some closed-form solutions and FEM approximations in order to demonstrate the validity of the developed model and its capabilities. The model is able to take the anisotropy and inhomogeneity of the material into account. The applicability of the model is examined by simulating hydraulic fracture initiation and propagation process from a borehole by injection of fluid. The maximum tensile strength criterion and Mohr-Coulomb shear criterion are used for modelling tensile and shear fracture, respectively. The model successfully simulates the leak-off of fluid from the fracture into the surrounding material. The results indicate the importance of pore fluid pressure in the initiation and propagation pattern of fracture in saturated soils. © 2013 Elsevier Ltd.