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Type: Trabalho de Conclusão de Curso
Title: Extensão tridimensional e paralelização de um modelo para a formação de edemas inflamatórios
Author: Oliveira, João Víctor Costa de
First Advisor: Lobosco, Marcelo
Co-Advisor: Ruy Freitas Reis
Referee Member: Rocha, Bernardo Martins
Referee Member: Santos, Rodrigo Weber dos
Resumo: A resposta inflamatória é um mecanismo essencial de defesa biológica que, ao combater patógenos, induz a formação de edema por meio do aumento da permeabilidade vascular e do extravasamento de fluido para o espaço intersticial. A análise detalhada desse fenômeno demanda modelos matemáticos que integrem, de forma sistêmica, a dinâmica das populações imunológicas e o comportamento do fluido intersticial. Este trabalho propõe uma extensão tridimensional de um modelo matemático da literatura voltado à formação de edema inflamatório. O sistema original utiliza equações diferenciais parciais acopladas para descrever a interação entre bactérias, neutrófilos e a pressão do fluido em meio poroso. A discretização espacial do modelo estendido foi realizada via Método de Volumes Finitos (MVF), assegurando a conservação local das grandezas físicas, enquanto a integração temporal empregou um esquema explícito de primeira ordem. Para contornar o elevado custo computacional de grandes malhas 3D, desenvolveram-se estratégias de paralelização em arquiteturas de memória compartilhada (OpenMP para CPU) e em aceleradores (CUDA para GPU). Experimentos numéricos com diferentes resoluções de malha validaram a consistência da solução e o desempenho das implementações. Os resultados indicam que a paralelização em CPU proporciona acelerações de até aproximadamente 11 vezes em relação à versão sequencial, enquanto a implementação em GPU alcança ganhos de desempenho de até 426 vezes, tornando viáveis simulações tridimensionais em grandes malhas.
Abstract: The inflammatory response is an essential biological defense mechanism that, while combating pathogens, induces edema formation through increased vascular permeability and fluid extravasation into the interstitial space. A detailed analysis of this phenomenon requires mathematical models that systemically integrate the dynamics of immune cell populations and the behavior of interstitial fluid. This work proposes a three-dimensional extension of a mathematical model from the literature aimed at inflammatory edema formation. The original system employs coupled partial differential equations to describe the interaction between bacteria, neutrophils, and fluid pressure in a porous medium. The spatial discretization of the extended model was performed using the Finite Volume Method (FVM), ensuring local conservation of physical quantities, while time integration employed a first-order explicit scheme. To overcome the high computational cost associated with large three-dimensional meshes, parallelization strategies were developed for shared-memory architectures (OpenMP for CPU) and accelerators (CUDA for GPU). Numerical experiments with different mesh resolutions validated the consistency of the solution and the performance of the implementations. The results indicate that CPU parallelization provides speedups of up to approximately 11 times compared to the sequential version, whereas the GPU implementation achieves performance gains of up to 426 times, making large-scale three-dimensional simulations feasible.
Keywords: Computação de alto desempenho
Modelos numéricos em imunologia
Formação de edemas
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
Institution Initials: UFJF
Department: Faculdade de Engenharia
Access Type: Acesso Aberto
Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil
Creative Commons License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
URI: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/20466
Issue Date: 21-Jan-2026
Appears in Collections:Engenharia Computacional - TCC Graduação



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