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Tipo: Dissertação
Título: Previsão do comportamento dos processos de transferência de oxigênio induzidos por plumas de bolhas em tanques de água usando aprendizado de máquina e cinética de ordem superior
Título em inglês: Predicting the behavior of transfer processes oxygen induced by bubble plumes in water tanks using machine learning and higher order kinetics
Autor(es): Saldanha, Levy Felipe Santiago
Orientador: Lima Neto, Iran Eduardo
Coorientador: Tavares, Paulo Roberto Lacerda
Palavras-chave em português: Injeção de ar;Aeração;Aprendizado do computador;Oxigênio dissolvido;Coeficiente de reaeração
Palavras-chave em inglês: Air injection;Aeration;Machine learning;Dissolved oxygen;Reaeration coefficient
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA SANITARIA::RECURSOS HIDRICOS
Data do documento: 2025
Citação: SALDANHA, Levy Felipe Santiago. Previsão do comportamento dos processos de transferência de oxigênio induzidos por plumas de bolhas em tanques de água usando aprendizado de máquina e cinética de ordem superior. 2025. 300 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil-Recurso Hídricos) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2025.
Resumo: O processo de transferência de oxigênio à água tem diversas aplicações em engenharia e é referido na literatura como uma reação com cinética de ordem 1 derivada da lei de Fick. A complexidade deste fenômeno, contudo, introduz desafios à sua avaliação, especialmente em sistemas de aeração artificial, onde a injeção de ar geralmente resulta em escoamentos por plumas de bolhas que transferem gás por diferentes mecanismos. A partir disso, diversos estudos têm analisado o problema propondo sofisticações à esta abordagem. Esse estudo explora uma abordagem por aprendizado de máquina (ML) para a previsão do comportamento da transferência de oxigênio por injeção de ar em tanques de água através da predição do coeficiente de reaeração k2 considerando cinéticas de ordem superior, abordagem essa pouco explorada dentro deste contexto. Foram conduzidas 99 repetições de um experimento ao longo de 300 segundos cada, em tanques de laboratório para diferentes condições de entrada: vazões de injeção de ar (Qair), temperaturas (T ), concentrações de oxigênio dissolvido iniciais (C0) e de saturação (Cs), diferentes tipos de difusores de ar (tdi f ), volumes (Volt ) e alturas de água nos tanques (hw). Após ajuste dos coeficientes k2 a partir das séries temporais de concentração de oxigênio dissolvido (OD) e posterior construção do conjunto de dados final, oito modelos de ML foram estudados considerando os coeficientes com ordens de 1 à 4 como variáveis de saída. Os coeficientes ajustados às ordens superiores resultaram nos modelos mais promissores (em contraste à teórica ordem 1), com destaque à ordem 2, que resultou nos melhores modelos, fatos que se justificam devido ao mecanismo complexo composto por quatro principais processos de transferência de gás que ocorrem simultaneamente. Os modelos de árvore obtiveram as melhores métricas, em especial a árvore de regressão (RT) (r2 = 0.668, RMSE = 7.00, MAE = 4.81, MAPE = 0.200 e RMSLE = 0.268 ). A partir disso, uma análise da importância das variáveis foi feita para um melhor entendimento da interação das variáveis na dinâmica do fenômeno, com estimativas através dos modelos de árvore e lineares. Estes concordaram sobre as variáveis menos importantes para a previsão de k2 no contexto destes experimentos, que foram a vazão de injeção de ar (Qair), a velocidade média da pluma na superfície (Vplum) e a presença ou ausência de pedras porosas, enquanto que, para os modelos mais acurados (modelos de árvores), as consideradas mais importantes foram o volume (Volt ) e a altura da água nos tanques (hw).
Abstract: The process of oxygen transfer to water has several applications in engineering and is referred to in the literature as a reaction with kinetics of order 1 derived from Fick’s diffusion law. The complexity of this phenomenon, however, introduces challenges to its evaluation, especially in artificial aeration systems, where air injection usually results in flows through bubble plumes that transfer gas by different mechanisms. From this, several studies have analyzed the problem proposing sophistications to this approach. This study explores a machine learning (ML) approach to predict the behavior of oxygen transfer by air injection in water tanks by predicting the reaeration coefficient k2 considering higher-order kinetics, an approach that has been little explored in this context. A total of 99 replicates of an experiment were conducted over 300 seconds each in laboratory tanks for different inlet conditions: air injection flow rates (Qair), temperatures (T ), initial dissolved oxygen concentrations (C0) and saturation (Cs), different types of air diffusers (tdi f ), volumes (Volt ) and water heights in the tanks (hw). After adjusting the coefficients k2 from the dissolved oxygen (DO) concentration time series and subsequently constructing the final dataset, eight ML models were studied considering coefficients with orders from 1 to 4 as output variables. The coefficients adjusted to higher orders resulted in the most promising models (in contrast to order 1), with emphasis on order 2, which is justified by the complex mechanism composed of four main gas transfer processes that occur simultaneously. For this order, the tree-based models obtained the best metrics, especially the regression tree (RT), with r2 = 0.668, RMSE = 7.00, MAE = 4.81, MAPE = 0.200 and RMSLE = 0.268 . From this, an analysis of feature importance was made for a better understanding of the interaction of the variables in the dynamics of the phenomenon, with estimates through the tree and linear models. These models agreed on the least important variables for predicting k2 in the context of these experiments, which were the air injection flow rate (Qair), the average plume velocity at the surface (Vplum) and the presence or absence of porous airstones, while for the more accurate models (tree-based models), the most important variables were the volume (Volt ) and the water height in the tanks (hw).
Descrição: Este documento está disponível online com base na Portaria no 348, de 08 de dezembro de 2022, disponível em: https://biblioteca.ufc.br/wp-content/uploads/2022/12/portaria348-2022.pdf, que autoriza a digitalização e a disponibilização no Repositório Institucional (RI) da coleção retrospectiva de TCC, dissertações e teses da UFC, sem o termo de anuência prévia dos autores. Em caso de trabalhos com pedidos de patente e/ou de embargo, cabe, exclusivamente, ao autor(a) solicitar a restrição de acesso ou retirada de seu trabalho do RI, mediante apresentação de documento comprobatório à Direção do Sistema de Bibliotecas.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/80741
ORCID do(s) Autor(es): https://orcid.org/0009-0002-1537-3830
Currículo Lattes do(s) Autor(es): http://lattes.cnpq.br/2550917342552828
ORCID do Orientador: https://orcid.org/0000-0001-8612-5848
Currículo Lattes do Orientador: http://lattes.cnpq.br/2172710817636278
ORCID do Coorientador: https://orcid.org/0000-0002-6702-7975
Currículo Lattes do Coorientador: http://lattes.cnpq.br/9099116287225122
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
Aparece nas coleções:DEHA - Dissertações defendidas na UFC

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