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ORCID:  http://orcid.org/0009-0008-8792-9360
Tipo do documento: Trabalho de Conclusão de Curso
Tipo de acesso: Acesso Aberto
Título: Estudo e Aplicações do Cálculo Fracionário em Engenharia Química
Título(s) alternativo(s): Study and Applications of Fractional Calculus in Chemical Engineering
Autor(es): Chicote, Maria Fernanda Lindquist
Primeiro orientador: Lobato, Fran Sérgio
Primeiro membro da banca: Watanabe, Érika Ohta
Segundo membro da banca: Vieira, Rafael Bruno
Resumo: Nas últimas décadas, o interesse pelo estudo de equações diferenciais fracionárias segue uma crescente. Isso se deve ao grande número de aplicações que podem ser desenvolvidas a partir desse conceito. Embora o número de contribuições tenha aumentado de forma significativa, vários aspectos relacionados à influência e ao significado físico de uma ordem fracionária ainda requerem um maior aprofundamento. Além disso, cabe destacar as dificuldades numéricas oriundas da substituição de uma derivada de ordem inteira por uma fracionária. Neste trabalho, os Métodos de Adams-Moulton Fracionário, de Euler Reverso Fracionário e de Euler Direto Fracionário são investigados em aplicações em engenharia química. Para essa finalidade, são avaliados problemas de simulação, inversos e também análise de plano de fases. Para garantir a consistência dimensional no modelo fracionário, é considerado um fator de correção. De maneira geral, foi possível concluir que todas as abordagens numéricas foram eficientes para a integração de modelos diferenciais fracionários com diferentes níveis de complexidade. Todavia, a melhor estratégia em termos do binômio custo computacional versus precisão foi o Método de Adams-Moulton Fracionário. Como esperado, os resultados obtidos demonstraram que a ordem fracionária influencia, de forma significativa, os perfis simulados em cada aplicação. Neste caso, é importante destacar que, dependendo da ordem fracionária considerada, perfis fisicamente inviáveis podem ser obtidos. Ao avaliar dois problemas inversos no contexto fracionário, foi possível concluir que o valor da função objetivo pode ser melhorado, já que a inclusão de um novo parâmetro (ordem fracionária) aumenta o número de graus de liberdade do problema de otimização. Finalmente, em relação à análise do plano de fases, os resultados demonstram que a variação da ordem fracionária modifica o tempo requerido para o processo entrar em regime permanente.
Abstract: In recent decades, interest in the study of fractional differential equations has been growing. This is due to the large number of applications that can be developed from this concept. Although the number of contributions has increased significantly, several aspects related to the influence and physical meaning of a fractional order still require further investigation. Moreover, it is important to highlight the numerical difficulties arising from the substitution of an integer-order derivative by a fractional one. In this work, the Fractional Adams-Moulton Methods, Fractional Backward Euler Method, and Fractional Forward Euler Method are investigated in chemical engineering applications. For this purpose, simulation and inverse problems and phase plane analysis are evaluated. To ensure dimensional consistency in the fractional model, a correction factor is considered. In general, it was concluded that all numerical approaches were efficient for integrating fractional differential models with different levels of complexity. However, the best strategy in terms of the computational cost versus accuracy trade-off was the Fractional Adams-Moulton Method. As expected, the obtained results demonstrated that the fractional order significantly influences the simulated profiles in each application. In this case, it is important to note that depending on the considered fractional order, physically infeasible profiles may be obtained. When evaluating two inverse problems in the fractional context, it was concluded that the objective function value can be improved, as the inclusion of a new parameter (fractional order) increases the degrees of freedom of the optimization problem. Finally, regarding phase plane analysis, the results show that the variation of the fractional order modifies the time required for the process to reach a steady state.
Palavras-chave: Equações Ordinárias Fracionárias, Métodos Numéricos Fracionários, Engenha- ria Química.
Fractional Ordinary Equations, Fractional Numerical Methods, Chemical Engineer- ing.
Área(s) do CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS
Idioma: por
País: Brasil
Editora: Universidade Federal de Uberlândia
Referência: CHICOTE, Maria Fernanda Lindquist Chicote. Estudo e Aplicações do Cálculo Fracionário em Engenharia Química. 2025. 76 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2025.
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/45194
Data de defesa: 26-Mar-2025
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