Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Neste trabalho, foi desenvolvido um simulador numérico baseado no método livre de malhas Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) para a resolução de escoamentos de fluidos newtonianos incompressíveis. Diferentemente da maioria das versões existentes deste método, o código numérico faz uso de uma técnica iterativa na determinação do campo de pressões. Este procedimento emprega a forma diferencial de uma equação de estado para um fluido compressível e a equação da continuidade a fim de que a correção da pressão seja determinada. Uma versão paralelizada do simulador numérico foi implementada usando a linguagem de programação C/C++ e a Compute Unified Device Architecture (CUDA) da NVIDIA Corporation. Foram simulados três problemas, o problema unidimensional do escoamento de Couette e os problemas bidimensionais do escoamento no interior de uma Cavidade (Shear Driven Cavity Problem) e da Quebra de Barragem (Dambreak). / In this work a numerical simulator was developed based on the mesh-free Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) method to solve incompressible newtonian fluid flows. Unlike most existing versions of this method, the numerical code uses an iterative technique in the pressure field determination. This approach employs a differential state equation for a compressible fluid and the continuity equation to calculate the pressure correction. A parallel version of the numerical code was implemented using the Programming Language C/C++ and Compute Unified Device Architecture (CUDA) from the NVIDIA Corporation. The numerical results were validated and the speed-up evaluated for an one-dimensional Couette flow and two-dimensional Shear Driven Cavity and Dambreak problems.

No processo de perfuração, a perda de fluido para o reservatório é um dos principais fenômenos que podem comprometer a produtividade do poço. A eventual presença de fraturas, combinadas aos elevados gradientes de pressão, no conjunto poçoreservatório, intensifica o fenômeno de invasão de fluido. Quando não previsto, este fenômeno deve ser controlado de forma a restabelecer a circulação no poço. Neste trabalho, o controle da invasão de fluido é realizado através do processo de injeção de partículas sólidas para vedação das fraturas. A simulação numérica do problema investigado é dividida em duas partes, diferenciadas pelo tipo de escoamento no canal fraturado: escoamento monofásico de fluido, para a análise do fenômeno de invasão; e escoamento bifásico líquido-sólido, para o processo de preenchimento da fratura com material particulado. A formulação matemática e a modelagem numérica para o escoamento particulado são representadas por uma abordagem Euler-Lagrange. A solução acoplada das fases discreta (partículas) e contínua (fluido) é realizada através da combinação dos modelos Dense Discrete Phase Model (DDPM) e Discrete Element Method (DEM), disponíveis no programa ANSYS FLUENT. O preenchimento das fraturas é caracterizado pela análise do tempo de injeção (no canal) e formato do leito fixo (na fratura) das partículas. Esta caracterização é obtida através da variação dos parâmetros principais de injeção das partículas, que influenciam a concentração de partículas no interior do canal. Resultados mostram o efeito da variação da concentração de sólidos da fase particulada para diferentes parâmetros de monitoramento, sendo os principais a vazão de fluido pela saída da fratura, a pressão da mistura na entrada do canal e a concentração de partículas injetadas no canal. / During the drilling process, the fluid loss to formation is one of the most important players that affect the productivity of the well. When combined with high pressure gradients at the wellbore-reservoir interface, fractures may eventually magnify the invasion phenomenon. These phenomena, when not predicted, must be controlled to restore the wellbore circulation. In this work, the fluid invasion is managed by injecting solid particles with the drilling fluid to obturate the fracture. The numerical simulation of the problem here investigated is divided in two parts, concerning the type of flow in the channel: monophase fluid flow, to analyze the invasion phenomenon and twophase flow (fluid and particles), to filling process of the fracture with particulated material. The mathematical formulation and numerical modeling are represented via an Euler-Lagrange approach. Coupled solution of discrete (particles) and continuum (fluid) phases is performed by combining the models Dense Discrete Phase Model (DDPM) and Discrete Element Method (DEM) available in ANSYS FLUENT. The filling of the fractures is characterized by analyzing the injection time (in the channel) and the format of the fixed bed (in the fracture) of the particles. This characterization is obtained by the variation of the main parameters for the particles injection that influence the concentration of particles within the channel. The results show the effect of varying the concentration of the solid particle phase for different monitoring parameters. The main parameters are the fluid flow rate through the outlet of the fracture the pressure of the mixture in the inlet of the channel and the concentration of particles injected into the channel.

CAPES; PETROBRAS / O escoamento de gás-líquido descendente, no padrão golfadas é frequentemente encontrado em linhas de produção de petróleo provocado pela topografia do terreno. Assim, é necessário entender a dinâmica deste tipo de escoamento para o projeto de linhas de produção de óleo e gás, assim como para o dimensionamento de separadores e equipamentos. Neste cenário, no presente trabalho é caraterizado experimentalmente o escoamento bifásico de líquido-gás no padrão intermitente na direção descendente, em tubulações com inclinações de 0°, −4°, −7°, −10° e −13°. O estudo foi realizado utilizando o circuito experimental instalado no NUEM/UTFPR. Os experimentos foram conduzidos para diferentes condições de vazão de líquido e gás que garantam o padrão intermitente em golfadas, e para a monitoração das estruturas (fases) do escoamento foi utilizado um par de sensores de malha de eletrodos. A partir dos sinais temporais da fração de vazio adquiridos, foram extraídas as distribuições estatísticas dos parâmetros característicos do escoamento em golfadas, sendo estes: a velocidade de translação da bolha alongada, a frequência de passagem da célula unitária, o comprimento do pistão de líquido, o comprimento da bolha alongada e a fração de vazio na região da bolha alongada. Em posse dos dados experimentais processados, estes foram analisados com a finalidade de identificar a relação entre os parâmetros do escoamento em golfadas, tanto para suas distribuições estatísticas como para seu valor médio, com as vazões e propriedade dos fluidos. Foram elaboradas correlações, com intervalo de confiança de 95%, para calcular a frequência, velocidade da bolha alongada, comprimentos do pistão e da bolha, fração do líquido e de vazio; que certamente servirão de referência para o desenvolvimento de modelos matemáticos e desenvolvimento de projetos de engenharia. / Downward slug flow in ducts of circular cross section is a frequently observed flow regime in oil and gas transportation lines. The onset of this kind of flow is due to instabilities generated by irregular pipe topography. Therefore, to understand the hydrodynamics of the slug flow is paramount in the design of crude oil production lines as well as in the project of equipment involved in oil and gas operations. The goal of this work is to experimentally analyze and characterize the two-phase gas-liquid intermittent downward flow in ducts with inclination angles of 0°, −4°, −7°, −10° and −13°. The analysis was performed at different gas-liquid volumetric flow rates for which the slug flow regime was observed. An existing experimental rig in the NUEM/UTFPR labs was used to collect data. A pair of wire-mesh sensors to evaluate the flow structure, thus obtaining void fraction temporal series was employed. From those series, statistical distributions for the characteristic parameters of such slug flows – namely the elongated bubble translational velocity, the unit cell frequency, the liquid slug and the elongated bubble lengths and the void fraction in the elongated bubble region – were obtained. The processed signals were analyzed so as to identify the relationship between the slug flow parameters, their statistical distributions and averaged values alike as functions of the flow rates and fluid properties. Correlations for slug frequency, elongated bubble velocity, liquid slug and bubble lengths as well as empirical expressions for the void and liquid fractions were developed, all within a confidence interval of 95%. It is expected that such correlations may contribute to the betterment of future engineering endeavours, and used in the development of similar mathematical models.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Fundação Araucária de Apoio ao Desenvolvimento Científico e Tecnológico do Paraná / O setor industrial têxtil gera em seu processo produtivo grande volume de efluentes líquidos, que possuem elevado potencial poluidor devido à presença de corantes. Esses são compostos potencialmente tóxicos e de difícil degradabilidade, dos quais destaca-se o Azul Reativo 5G. O tratamento desses efluentes é geralmente realizado por técnicas convencionais de coagulação e floculação, as quais utilizam grandes quantidades de sais de alumínio e ferro. A substituição de coagulantes químicos por tecnologias alternativas como a eletrofloculação pode trazer grandes vantagens. Este processo consiste na desestabilização de poluentes em meio aquoso por meio da produção in situ de íons coagulantes pela aplicação de corrente elétrica a eletrodos de sacrifício. Embora possua eficiência comprovada, inclusive para efluentes têxteis, a eletrofloculação ainda não é uma técnica consolidada, devido principalmente à ausência de metodologias sistemáticas para o projeto e dimensionamento de reatores, em especial os de fluxo contínuo. Diversas abordagens de modelagem e simulação na literatura buscam resolver esse problema, das quais destaca-se a Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) como a mais promissora, podendo ser acoplada a várias físicas, embora comumente seja acoplada apenas à eletroquímica. O objetivo deste trabalho foi acoplar a técnica de CFD a um modelo cinético ajustado experimentalmente para a remoção do corante Azul Reativo 5G de solução sintética por meio de eletrofloculação, visando predizer o perfil de concentração em um reator de fluxo contínuo. O reator contínuo estudado possui volume útil de 8,5 L, é do tipo monopolar, e possui quatro pares de eletrodos de ferro para o tratamento, dispostos como chicanas. Para obtenção do modelo para a cinética da reação, foram realizados experimentos com o sistema de eletrofloculação em batelada com eletrodos de ferro, em que as variáveis foram concentração inicial de corante (C0) e densidade de corrente (j) aplicada aos eletrodos. Testou-se o ajuste de três tipos de modelos cinéticos aos dados experimentais: modelo com base no balanço molar, modelos de adsorção e modelos sigmoidais, dos quais o modelo sigmoidal logístico, obteve melhor ajuste, com valores de R² acima de 90%. Como o modelo não inclui a espécie ferro, foram feitos ensaios preliminares no módulo de fluxo contínuo, para determinar a influência do fluxo na distribuição de ferro ao longo do reator, bem como o ponto no reator onde a reação tem início. Testou-se as vazões de 0,5 L.min-1 e de 2 L.min-1, e observou-se que para a vazão baixa, há retorno de ferro e acúmulo antes do primeiro eletrodo, o que não ocorre para a vazão mais alta. No modelo para o escoamento no reator considerou-se um fluido incompressível, fluxo laminar e estado estacionário, e desprezou-se a influência dos fenômenos eletroquímicos no fluxo e transporte de partículas, como a geração de bolhas de gás e migração iônica. A simulação para o reator de fluxo contínuo foi realizada no software COMSOL Multiphysics v.5.2®,que utiliza o Método dos Elementos Finitos para resolver as equações diferenciais parciais de escoamento da continuidade e de Navier-Stokes. As variáveis resposta consideradas foram a velocidade do fluido e a concentração de corante, e utilizou-se os módulos de CFD (interface de Fluxo Laminar) e de Transporte de Soluções Diluídas (TDS), com acoplamento fraco entre as físicas. Uma análise de convergência foi realizada para a escolha da malha. Foram realizadas três simulações do perfil de concentração no reator, com condição de densidade de corrente igual a 8,65 mA.cm-2, concentrações iniciais de corante respectivamente iguais a 45, 25 e 40 mg.L-1 e vazões 0,5 L.min-1 para os dois primeiros ensaios e 2 L.min-1 para o terceiro. Ensaios experimentais foram feitos com as mesmas condições, e comparou-se os resultados obtidos com uma malha de amostragem de 23 pontos. Verificou-se que o modelo proposto permitiu predizer o perfil de concentração do reator com razoável sucesso para uma faixa de trabalho de velocidades baixas de fluxo, levando em conta as limitações inerentes a ele, notadamente a ausência da influência das microbolhas. Assim, a metodologia proposta mostra-se muito promissora para que uma vez aperfeiçoado, o modelo possa vir a auxiliar no projeto de reatores caso a caso, bem como fornecer subsídios para preencher a lacuna acerca de uma metodologia sistemática de projeto e ampliação de escala. / The textile industry produces great amounts of wastewater as a byproduct of its productive process, which contain high pollutant potential, due to the presence of dyes. These are potentially toxic and high undegradable compounds, from which the Blue Reactive 5G is one of the most used. The treatment of such wastewaters is generally accomplished through conventional coagulation and flocculation techniques, which make use of great amounts of aluminum and iron salts. As such, the substitution of these chemical coagulants for alternative technologies such as electrocoagulation may bring great advantages. The process consists in the destabilization of pollutants in aqueous medium by means of the in situ production of coagulant ions by applying electrical current to sacrificial electrodes. Although the process' efficiency is proven, even for the treatment of textile wastewaters, electrocoagulation is still not a consolidated technique, due mainly to the lack of systematic methodologies for the project and scale up of reactors, especially continuous flow ones. Several approaches for modeling and simulation in scientific literature aim to solve this problem, the most promising of which being the Computational Fluid Dynamics (CFD), which may be coupled to several physics, although it is usually coupled only to electrochemistry. The goal of this study was to couple the CFD technique to a kinetic model, experimentally adjusted, for the removal of the Blue Reactive 5G dye from synthetic wastewater through the electrocoagulation technique, aiming to predict the concentration profile in a continuous flow reactor. The reactor is a 8,5 L tank with monopolar connections and four pairs of iron electrodes, which also work as baffles. In order to obtain the kinetic model of the reaction, experiments were carried out in a batch electrocoagulation system with iron electrodes, in which the variables were initial dye concentration (C0) and current density (j) applied to the electrodes. Three kinds of kinetic models were test for the adjust: model based on molar balance, adsorption models and sigmoidal models, from which the logistic sigmoidal model obtained the best adjustment, presenting R² above 90%. Since the model does not include the iron species, preliminary tests were made in the continuous flow reactor, in order to determine the flux influence on the iron distribution through the reactor, as well as the local, in the reactor, were the reaction starts. The flow rates of 0,5 L.min-1 and 2 L.min-1 were tested, and it was noted that, for the low flow rate, there is a reflux of iron, which accumulated before the first electrode, which does not happen for the higher flow rate. For the fluid flow model in the reactor, considerations were made for a incompressible laminar flow and stationary state, and the effect of electrochemical phenomena in the flow and transport of substances, such as gas bubbles and ironic migration, were not considered. The simulation for the continuous flow reactor was performed in the software COMSOL Multiphysics v.5.2®, which makes use of the Finite Elements Method to solve the partial differential equations of continuity and Navier-Stokes. The response variables considered were fluid velocity and dye concentration, and the modules CFD (laminar flow interface) and Transport of Diluted Species (TDS) were used, with weak coupling between the physics. A convergence study was carried out in order to choose the appropriate mesh for the simulation. Three simulations of the concentration profile in the reactor were carried out, with a current density of 8,65 mA.cm-2, respective initial dye concentrations of 45, 25 and 40 mg.L-1 and flow rates of 0,5 L.min-1 for the two first studies and 2 L.min-1 for the third. Experiments were performed with the same conditions as the simulations, samples were collected with mesh of 23 points in the reactor and the results of predicted and observed concentration were compared. The results showed that the proposed model allowed to predict the concentration profile in the reactor with reasonable success, within a low velocity flow range, taking into account the limitations inherent to the model. Therefore, the proposed methodology appears very promising for that, once perfected, the model may assist in the reactor design case to case, as well as aid filling the gap regarding a systematic methodology for reactor project and scale-up, which is the main barrier in expanding the technology.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este trabalho objetiva a construção de estruturas robustas e computacionalmente eficientes para a solução do problema de deposição de parafinas do ponto de vista do equilíbrio sólido-líquido. São avaliados diversos modelos termodinâmicos para a fase líquida: equação de estado de Peng-Robinson e os modelos de coeficiente de atividade de Solução Ideal, Wilson, UNIQUAC e UNIFAC. A fase sólida é caracterizada pelo modelo Multisólido. A previsão de formação de fase sólida é inicialmente prevista por um teste de estabilidade termodinâmica. Posteriormente, o sistema de equações não lineares que caracteriza o equilíbrio termodinâmico e as equações de balanço material é resolvido por três abordagens numéricas: método de Newton multivariável, método de Broyden e método Newton-Armijo. Diversos experimentos numéricos foram conduzidos de modo a avaliar os tempos de computação e a robustez frente a diversos cenários de estimativas iniciais dos métodos numéricos para os diferentes modelos e diferentes misturas. Os resultados indicam para a possibilidade de construção de arcabouços computacionais eficientes e robustos, que podem ser empregados acoplados a simuladores de escoamento em dutos, por exemplo. / The objective of this work is to develop robust and computationally efficient frameworks devoted to the solution of the problem of paraffin deposition, from the point of view of the solid-liquid equilibrium. In this scenario, several thermodynamic models will be evaluated to the description of the behavior of the liquid phase: the Peng-Robinson cubic equation of state and the activity coefficient models of Ideal Solution, Wilson, UNIQUAC and UNIFAC. The solid phase is characterized by the Multisolid model. The formation of the solid phase is initially predicted by a thermodynamic stability test. Subsequently, the nonlinear algebraic system that describes the thermodynamic equilibrium and the material balance equations is solved by three numerical approaches: the multivariable Newton method, the Broyden method and the Newton-Armijo method. Several numerical experiments were conducted in order to evaluate computation times and robustness facing several scenarios of initial estimates of the numerical methods for various models and mixtures. The results indicate the possibility of construction of efficient and robust computational frameworks which can be used coupled with fluid flow simulators, for instance.

CAPES; PETROBRAS / O escoamento de gás-líquido descendente, no padrão golfadas é frequentemente encontrado em linhas de produção de petróleo provocado pela topografia do terreno. Assim, é necessário entender a dinâmica deste tipo de escoamento para o projeto de linhas de produção de óleo e gás, assim como para o dimensionamento de separadores e equipamentos. Neste cenário, no presente trabalho é caraterizado experimentalmente o escoamento bifásico de líquido-gás no padrão intermitente na direção descendente, em tubulações com inclinações de 0°, −4°, −7°, −10° e −13°. O estudo foi realizado utilizando o circuito experimental instalado no NUEM/UTFPR. Os experimentos foram conduzidos para diferentes condições de vazão de líquido e gás que garantam o padrão intermitente em golfadas, e para a monitoração das estruturas (fases) do escoamento foi utilizado um par de sensores de malha de eletrodos. A partir dos sinais temporais da fração de vazio adquiridos, foram extraídas as distribuições estatísticas dos parâmetros característicos do escoamento em golfadas, sendo estes: a velocidade de translação da bolha alongada, a frequência de passagem da célula unitária, o comprimento do pistão de líquido, o comprimento da bolha alongada e a fração de vazio na região da bolha alongada. Em posse dos dados experimentais processados, estes foram analisados com a finalidade de identificar a relação entre os parâmetros do escoamento em golfadas, tanto para suas distribuições estatísticas como para seu valor médio, com as vazões e propriedade dos fluidos. Foram elaboradas correlações, com intervalo de confiança de 95%, para calcular a frequência, velocidade da bolha alongada, comprimentos do pistão e da bolha, fração do líquido e de vazio; que certamente servirão de referência para o desenvolvimento de modelos matemáticos e desenvolvimento de projetos de engenharia. / Downward slug flow in ducts of circular cross section is a frequently observed flow regime in oil and gas transportation lines. The onset of this kind of flow is due to instabilities generated by irregular pipe topography. Therefore, to understand the hydrodynamics of the slug flow is paramount in the design of crude oil production lines as well as in the project of equipment involved in oil and gas operations. The goal of this work is to experimentally analyze and characterize the two-phase gas-liquid intermittent downward flow in ducts with inclination angles of 0°, −4°, −7°, −10° and −13°. The analysis was performed at different gas-liquid volumetric flow rates for which the slug flow regime was observed. An existing experimental rig in the NUEM/UTFPR labs was used to collect data. A pair of wire-mesh sensors to evaluate the flow structure, thus obtaining void fraction temporal series was employed. From those series, statistical distributions for the characteristic parameters of such slug flows – namely the elongated bubble translational velocity, the unit cell frequency, the liquid slug and the elongated bubble lengths and the void fraction in the elongated bubble region – were obtained. The processed signals were analyzed so as to identify the relationship between the slug flow parameters, their statistical distributions and averaged values alike as functions of the flow rates and fluid properties. Correlations for slug frequency, elongated bubble velocity, liquid slug and bubble lengths as well as empirical expressions for the void and liquid fractions were developed, all within a confidence interval of 95%. It is expected that such correlations may contribute to the betterment of future engineering endeavours, and used in the development of similar mathematical models.

No processo de perfuração, a perda de fluido para o reservatório é um dos principais fenômenos que podem comprometer a produtividade do poço. A eventual presença de fraturas, combinadas aos elevados gradientes de pressão, no conjunto poçoreservatório, intensifica o fenômeno de invasão de fluido. Quando não previsto, este fenômeno deve ser controlado de forma a restabelecer a circulação no poço. Neste trabalho, o controle da invasão de fluido é realizado através do processo de injeção de partículas sólidas para vedação das fraturas. A simulação numérica do problema investigado é dividida em duas partes, diferenciadas pelo tipo de escoamento no canal fraturado: escoamento monofásico de fluido, para a análise do fenômeno de invasão; e escoamento bifásico líquido-sólido, para o processo de preenchimento da fratura com material particulado. A formulação matemática e a modelagem numérica para o escoamento particulado são representadas por uma abordagem Euler-Lagrange. A solução acoplada das fases discreta (partículas) e contínua (fluido) é realizada através da combinação dos modelos Dense Discrete Phase Model (DDPM) e Discrete Element Method (DEM), disponíveis no programa ANSYS FLUENT. O preenchimento das fraturas é caracterizado pela análise do tempo de injeção (no canal) e formato do leito fixo (na fratura) das partículas. Esta caracterização é obtida através da variação dos parâmetros principais de injeção das partículas, que influenciam a concentração de partículas no interior do canal. Resultados mostram o efeito da variação da concentração de sólidos da fase particulada para diferentes parâmetros de monitoramento, sendo os principais a vazão de fluido pela saída da fratura, a pressão da mistura na entrada do canal e a concentração de partículas injetadas no canal. / During the drilling process, the fluid loss to formation is one of the most important players that affect the productivity of the well. When combined with high pressure gradients at the wellbore-reservoir interface, fractures may eventually magnify the invasion phenomenon. These phenomena, when not predicted, must be controlled to restore the wellbore circulation. In this work, the fluid invasion is managed by injecting solid particles with the drilling fluid to obturate the fracture. The numerical simulation of the problem here investigated is divided in two parts, concerning the type of flow in the channel: monophase fluid flow, to analyze the invasion phenomenon and twophase flow (fluid and particles), to filling process of the fracture with particulated material. The mathematical formulation and numerical modeling are represented via an Euler-Lagrange approach. Coupled solution of discrete (particles) and continuum (fluid) phases is performed by combining the models Dense Discrete Phase Model (DDPM) and Discrete Element Method (DEM) available in ANSYS FLUENT. The filling of the fractures is characterized by analyzing the injection time (in the channel) and the format of the fixed bed (in the fracture) of the particles. This characterization is obtained by the variation of the main parameters for the particles injection that influence the concentration of particles within the channel. The results show the effect of varying the concentration of the solid particle phase for different monitoring parameters. The main parameters are the fluid flow rate through the outlet of the fracture the pressure of the mixture in the inlet of the channel and the concentration of particles injected into the channel.

Os métodos numéricos convencionais, baseados em malhas, têm sido amplamente aplicados na resolução de problemas da Dinâmica dos Fluidos Computacional. Entretanto, em problemas de escoamento de fluidos que envolvem superfícies livres, grandes explosões, grandes deformações, descontinuidades, ondas de choque etc., estes métodos podem apresentar algumas dificuldades práticas quando da resolução destes problemas. Como uma alternativa viável, existem os métodos de partículas livre de malhas. Neste trabalho é feita uma introdução ao método Lagrangeano de partículas, livre de malhas, Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) voltado para a simulação numérica de escoamentos de fluidos newtonianos compressíveis e quase-incompressíveis. Dois códigos numéricos foram desenvolvidos, uma versão serial e outra em paralelo, empregando a linguagem de programação C/C++ e a Compute Unified Device Architecture (CUDA), que possibilita o processamento em paralelo empregando os núcleos das Graphics Processing Units (GPUs) das placas de vídeo da NVIDIA Corporation. Os resultados numéricos foram validados e a eficiência computacional avaliada considerandose a resolução dos problemas unidimensionais Shock Tube e Blast Wave e bidimensional da Cavidade (Shear Driven Cavity Problem). / The conventional mesh-based numerical methods have been widely applied to solving problems in Computational Fluid Dynamics. However, in problems involving fluid flow free surfaces, large explosions, large deformations, discontinuities, shock waves etc. these methods suffer from some inherent difficulties which limit their applications to solving these problems. Meshfree particle methods have emerged as an alternative to the conventional grid-based methods. This work introduces the Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH), a meshfree Lagrangian particle method to solve compressible flows. Two numerical codes have been developed, serial and parallel versions, using the Programming Language C/C++ and Compute Unified Device Architecture (CUDA). CUDA is NVIDIAs parallel computing architecture that enables dramatic increasing in computing performance by harnessing the power of the Graphics Processing Units (GPUs). The numerical results were validated and the speedup evaluated for the Shock Tube and Blast Wave one-dimensional problems and Shear Driven Cavity Problem.

The numerical simulation of fluid flow involving complex geometries is greatly limited by the required spatial grid resolution. These flows often contain small regions with complex motions, while the remaining flow is relatively smooth. Adaptive mesh refinement (AMR) enables the spatial grid to be refined in local regions that require finer grids to resolve the flow. This work describes an approach to parallelization of a structured adaptive mesh refinement (SAMR) algorithm. This type of methodology is based on locally refined grids superimposed on coarser grids to achieve the desired resolution in numerical simulations. Parallel implementations of SAMR methods offer the potential for accurate simulations of high complexity fluid flows. However, they present interesting challenges in dynamic resource allocation, data-distribution and load-balancing. The overall efficiency of parallel SAMR applications is limited by the ability to partition the underlying grid hierarchies at run-time to expose all inherent parallelism, minimize communication and synchronization overheads, and balance load. The methodology is based on a message passing interface model (MPI) using the recursive coordinate bisection (RCB) for domain partition. For this work, a semi-implicit projection method has been implemented to solve the incompressible Navier Stokes equations. All numerical implementations are an extension of a sequential Fortran 90 code, called "AMR3D", developed in the work of Nós (2007) .The efficiency and robustness of the applied methodology are verified via convergence analysis using the method of manufactured solutions. Validations were performed by simulating an incompressible jet flow and a lid driven cavity flow. / A simulação numérica de escoamentos envolvendo geometrias complexas é fortemente limitada pela resolução da malha espacial. Na grande maioria dos escoamentos, há pequenas regiões do domínio onde o fluido se movimenta de forma complexa gerando gradientes elevados, enquanto que no restante do domínio o escoamento é relativamente calmo". O Refinamento Adaptativo de Malhas (Adaptive Mesh Refinement - AMR), possibilita que o refinamento da malha espacial seja mais apurado em regiões especificas, enquanto que nas demais regiões o refinamento pode ser mais grosseiro. O presente trabalho consiste no desenvolvimento de uma metodologia de paralelização para a solução das equações de Navier-Stokes em malhas adaptativas bloco-estruturadas (Structured Adaptive Mesh Refinement - SAMR) utilizando a interface MPI (Message Passing Interface) e o método de bisseção por coordenadas RCB (Recursive Coordinate Bisection) para o balanço de carga. Implementações de métodos SAMR em processamento paralelo oferecem a possibilidade de simulações precisas de escoamentos de elevada complexidade. No entanto, apresentam desafios interessantes quanto à dinamicidade na alocação e distribuição dos dados e no balanceamento de carga. Cabe ressaltar que a é ciência total das aplicações envolvendo métodos SAMR em processamento paralelo é fortemente dependente da qualidade do particionamento dinâmico de domínio, efetuado em tempo de execução, para que se garanta os menores custos de comunicação e sincronização possíveis, além de uma boa distribuição da carga computacional. Neste trabalho, utilizou-se o esquema semi-implícito proposto por Ceniceros et al. (2010) para avanço temporal. Todas as implementações foram efetuadas como uma extensão do código AMR3D", proposto por Nós (2007). A é ciência e a robustez do método proposto são verificadas por meio do método das soluções manufaturadas. As validações foram feitas por meio da simulação do escoamento em uma cavidade com tampa deslizante e de um jato incompressível. / Doutor em Engenharia Mecânica

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / A Amazônia exibe uma variedade de cenários que se complementam. Parte desse ecossistema sofre anualmente severas alterações em seu ciclo hidrológico, fazendo com que vastos trechos de floresta sejam inundados. Esse fenômeno, entretanto, é extremamente importante para a manutenção de ciclos naturais. Neste contexto, compreender a dinâmica das áreas alagáveis amazônicas é importante para antecipar o efeito de ações não sustentáveis. Sob esta motivação, este trabalho estuda um modelo de escoamento em áreas alagáveis amazônicas, baseado nas equações de Navier-Stokes, além de ferramentas que possam ser aplicadas ao modelo, favorecendo uma nova abordagem do problema. Para a discretização das equações é utilizado o Método dos Volumes Finitos, sendo o Método do Gradiente Conjugado a técnica escolhida para resolver os sistemas lineares associados. Como técnica de resolução numérica das equações, empregou-se o Método Marker and Cell, procedimento explícito para solução das equações de Navier-Stokes. Por fim, as técnicas são aplicadas a simulações preliminares utilizando a estrutura de dados Autonomous Leaves Graph, que tem recursos adaptativos para manipulação da malha que representa o domínio do problema / Amazon exhibits a variety of scenarios that complement each other. Yearly, part of this ecosystem suffers severe changes in its hydrological cycle, causing flood through vast stretches of the forest. This phenomenon, however, is extremely important for the maintenance of natural cycles. In this context, understanding the Amazonian floodplains dynamics is important to anticipate the effect of unsustainable actions. Under this motivation, this work presents a study of an Amazonian floodplains flow model, based on Navier-Stokes equations, besides other tools that can be applied to the model, thus leading to a new approach to the problem. To discretize the model equations the Finite Volume Method was employed. To solve the associated linear systems the Conjugate Gradient Method technique was chosen. For numerical solution of the equations, the Marker and Cell Method, a explicit solution procedure for Navier-Stokes equations, was employed. All these techniques are applied to preliminary simulations using the Autonomous Leaves Graph algorithm which has adaptive features to manipulate the domain grid problem