Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / A formulação explícita matricial desenvolvida nesta tese de doutorado foi proposta visando ser uma alternativa na solução de Problemas Inversos de estimativa de propriedades radiativas em meios participantes homogêneos unidimensionais usando a Equação de Transferência Radiativa para modelar a interação da radiação com o meio participante. A equação de transporte é formulada em forma matricial e o domínio angular é discretizado usando conceitos do método de ordenadas discretas e a expansão da função de fase do espalhamento anisotrópico em uma série de polinômios de Legendre. A formulação proposta consiste em uma formulação explícita para o problema inverso. Um arranjo apropriado das condições de contorno prescritas (fluxos incidentes) e dos fluxos emergentes nos contornos de uma placa permitem o cálculo direto do operador de transmissão, do operador albedo e do operador de colisão. A partir do operador de colisão calculado são obtidos os valores estimados dos coeficientes de extinção total e de espalhamento. São apresentadas as formulações para problemas em regime estacionário e em regime transiente, bem como os resultados para alguns casos-teste. / The explicit matrix formulation developed in the present thesis has been proposed as an alternative for the solution of Inverse Problems for radiative properties estimation in one-dimensional homogeneous participating media using Radiative transfer equation for the modeling of the radiation interaction with the participating medium. This transport equation is formulated in a matrix form and the angular domain is discretized using concepts of the discrete ordinates methods and the expansion of the function of phase function of anisotropic scattering in a series of Legendre polynomial. The formulation proposed consists on an explicit formulation for the inverse problem. An adequate assembly of the prescribed boundary conditions (incidents flux) and of the emerging flux at the boundaries of the slab allows the direct computation of the transmission, albedo and collision operators. From the computed collision operator estimated values for total extinction and scattering coefficients are obtained. The formulations for steady state and transient situations are presented, as well as test case results.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Nesta dissertação o método espectronodal SD-SGF-CN, cf. spectral diamond spectral Green's function - constant nodal, é utilizado para a determinação dos fluxos angulares médios nas faces dos nodos homogeneizados em domínio heterogêneo. Utilizando esses resultados, desenvolvemos um algoritmo para a reconstrução intranodal da solução numérica visto que, em cálculos de malha grossa, soluções numéricas mais localizadas não são geradas. Resultados numéricos são apresentados para ilustrar a precisão do algoritmo desenvolvido. / In this dissertation the spectral nodal method SD-SGF-CN, cf. spectral diamond spectral Green's function - constant nodal, is used to determine the angular fluxes averaged along the edges of the homogenized nodes in heterogeneous domains. Using these results, we developed an algorithm for the reconstruction of the node-edge average angular fluxes within the nodes of the spatial grid set up on the domain, since more localized numerical solutions are not generated by coarse-mesh numerical methods. Numerical results are presented to illustrate the accuracy of the algorithm we offer.

In this work, an analytical version of the method of discrete ordinates (ADO) is used in developing solutions to problems of rarefied gases confined by two infinite parallel plates with different chemical constitutions, that is, without the symmetry condition. The modeling of problems (Poiseuille Flow and Thermal Creep) are performed using the kinetic models of BGK and S, derived from the linearized Boltzmann equation. In order to describe the interaction between gas and surface, we use the core of Maxwell presenting a single accommodation coefficient and the Cercignani-Lampis core defined in terms of the coefficients of accommodation of tangential momentum and energy accommodation coefficient kinetics. A series of results are presented in order to establish a comparison of surface effects to the problems presented. / Neste trabalho, uma vers ao anal´ıtica do m´etodo de ordenadas discretas (ADO) ´e utilizada no desenvolvimento de solu¸c oes para problemas de gases rarefeitos confinados por duas placas paralelas infinitas com constitui¸c oes qu´ımicas diferentes, isto ´e, sem a condi¸c ao de simetria. A modelagem dos problemas (Fluxo de Poiseuille e Creep T´ermico) s ao realizados a partir dos modelos cin´eticos BGK e S, derivados da equa¸c ao linearizada de Boltzmann. A fim de descrever o processo de intera¸c ao entre o g´as e a superf´ıcie, utiliza-se o n´ucleo de Maxwell que apresenta um ´unico coeficiente de acomoda¸c ao e o n´ucleo de Cercignani-Lampis definido em termos dos coeficientes de acomoda¸c ao do momento tangencial e o coeficiente de acomoda¸c ao da energia cin´etica. Uma s´erie de resultados s ao apresentados a fim de estabelecer uma compara¸c ao dos efeitos de superf´ıcie para os problemas apresentados.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Nesta dissertação propomos a utilização do método espectro-nodal SGF, cf. spectral Greens function, para transporte SN de partículas neutras, para determinarmos os fluxos angulares nas interfaces das regiões homogêneas do domínio espacial heterogêneo, com espalhamento linearmente anisotrópico usando preferencialmente altas ordens de quadraturas angulares. As reconstruções espaciais analíticas dos fluxos angulares são feitas no interior das regiões homogêneas, determinando as constantes arbitrárias da solução analítica local das equações SN no interior dos nodos espaciais da grade de dicretização. A seguir, utilizando essas constantes, determinamos as expressões do fluxo escalar e da corrente de nêutrons, que são substituídas na equação de transporte unidimensional em geometria retangular Cartesiana no termo de fonte por espalhamento linearmente anisotrópico. Resolvemos analiticamente a equação de transporte com os termos do fluxo escalar e corrente de nêutrons assim aproximados para estimarmos o perfil do fluxo angular de nêutrons no domínio. Esta reconstrução analítica aproximada da solução da equação de transporte de partículas neutras em geometria unidimensional Cartesiana constitui um problema inverso, na medida em que a partir da solução nodal de malha grossa fazemos primeiramente uma reconstrução analítica espacial do fluxo angular nas direções das ordenadas discretas, para em seguida procedermos à reconstrução analítica aproximada do fluxo no domínio angular. / We describe the application of the spectral Greens function SN nodal method for one-speed neutral particle transport calculations to determine the angular fluxes at the homogeneized regions within heterogeneous domains, for linearly anisotropic scattering, using preferably high-order angular quadratures. The reconstruction scheme in the space variable of the angular flux is carried out within the homogenized regions using uniform spatial grid. We determine the arbitrary constants of the analytical SN general solution inside each spatial node. Then, we determine the SN expression for the scalar flux and total current that we substitute into the analytical slab-geometry transport equation, precisely into its linearly anisotropic scattering source term. Further, we solve analytically the slab-geometry transport equation, so approximated, to obtain the flux profile within the space and angular domains. This approximate analytical reconstruction scheme of the solution of the neutral particle transport equation in slab geometry is an inverse problem, in the sense that we use accurate coarse-mesh SN numerical solution, to recover the SN analytical solution in the space variable, and then reconstruct the solution approximately in the angular domain.

Nesta tese mostraremos uma aplicação do método SGF, cf., spectral Greens function, para gerar fluxos angulares nas interfaces dos nodos na formulação de ordenadas discretas (SN) para equação de transporte de partículas neutras em geometria cartesiana unidimensional e a uma velocidade, usando quadraturas de alta ordem. Utilizando o método de malha grossa SGF, primeiramente determinamos as constantes arbitrárias da solução geral analítica das equações SN em cada nodo espacial. Então usamos a fórmula de quadratura angular para estimar uma expressão para o fluxo escalar de nêutrons e substituímos no termo de fonte de espalhamento isotrópico na equação de transporte. Resolvemos analiticamente a equação unidimensional de transporte de nêutrons com a fonte de espalhamento aproximada desta maneira e geramos os valores para o fluxo angular no interior de cada nodo espacial. Como o método SGF gera soluções numéricas de malha grossa completamente livres de erro de truncamento espacial, esperamos que o esquema de reconstrução analítica proposto tenha alta precisão para os fluxos angulares, considerando as condições de continuidade nas interfaces dos nodos do domínio espacial. Esta técnica caracteriza um problema inverso, pois a partir da solução de malha grossa do método SGF, podemos reconstruir o fluxo angular de nêutrons em qualquer ponto do domínio. / We offer in this work an application of the SGF method, cf., spectral Greens function, to generate the angular fluxes at the region interfaces of multilayer slabs, using high-order angular quadrature sets in the one-speed discrete ordinates (SN) formulation of the neutral particle transport equation. Using the SGF coarse-mesh numerical solution, we first determine the arbitrary constants of the analytical general solution of the SN equations within each spatial node. Then, we use the angular quadrature formula to estimate the expression of the scalar flux distribution, that we substitute into the isotropic scattering source term of the transport equation. We solve analytically the slab-geometry transport equation, with the scattering source so approximated, in order to generate the angular flux profile within each spatial node. As the SGF method generates coarse-mesh numerical solution, which is completely free from spatial truncation errors, we expect that the offered approximate analytical reconstruction scheme be accurate enough for the localized angular flux distribution, considering the node interface continuity conditions within the domain. This technique is thought of as an inverse problem since from the SGF coarse-mesh nodal solution we are able to reconstruct the angular flux profile at any point inside the domain.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Nesta dissertação propomos a utilização do método espectro-nodal SGF, cf. spectral Greens function, para transporte SN de partículas neutras, para determinarmos os fluxos angulares nas interfaces das regiões homogêneas do domínio espacial heterogêneo, com espalhamento linearmente anisotrópico usando preferencialmente altas ordens de quadraturas angulares. As reconstruções espaciais analíticas dos fluxos angulares são feitas no interior das regiões homogêneas, determinando as constantes arbitrárias da solução analítica local das equações SN no interior dos nodos espaciais da grade de dicretização. A seguir, utilizando essas constantes, determinamos as expressões do fluxo escalar e da corrente de nêutrons, que são substituídas na equação de transporte unidimensional em geometria retangular Cartesiana no termo de fonte por espalhamento linearmente anisotrópico. Resolvemos analiticamente a equação de transporte com os termos do fluxo escalar e corrente de nêutrons assim aproximados para estimarmos o perfil do fluxo angular de nêutrons no domínio. Esta reconstrução analítica aproximada da solução da equação de transporte de partículas neutras em geometria unidimensional Cartesiana constitui um problema inverso, na medida em que a partir da solução nodal de malha grossa fazemos primeiramente uma reconstrução analítica espacial do fluxo angular nas direções das ordenadas discretas, para em seguida procedermos à reconstrução analítica aproximada do fluxo no domínio angular. / We describe the application of the spectral Greens function SN nodal method for one-speed neutral particle transport calculations to determine the angular fluxes at the homogeneized regions within heterogeneous domains, for linearly anisotropic scattering, using preferably high-order angular quadratures. The reconstruction scheme in the space variable of the angular flux is carried out within the homogenized regions using uniform spatial grid. We determine the arbitrary constants of the analytical SN general solution inside each spatial node. Then, we determine the SN expression for the scalar flux and total current that we substitute into the analytical slab-geometry transport equation, precisely into its linearly anisotropic scattering source term. Further, we solve analytically the slab-geometry transport equation, so approximated, to obtain the flux profile within the space and angular domains. This approximate analytical reconstruction scheme of the solution of the neutral particle transport equation in slab geometry is an inverse problem, in the sense that we use accurate coarse-mesh SN numerical solution, to recover the SN analytical solution in the space variable, and then reconstruct the solution approximately in the angular domain.

Nesta tese mostraremos uma aplicação do método SGF, cf., spectral Greens function, para gerar fluxos angulares nas interfaces dos nodos na formulação de ordenadas discretas (SN) para equação de transporte de partículas neutras em geometria cartesiana unidimensional e a uma velocidade, usando quadraturas de alta ordem. Utilizando o método de malha grossa SGF, primeiramente determinamos as constantes arbitrárias da solução geral analítica das equações SN em cada nodo espacial. Então usamos a fórmula de quadratura angular para estimar uma expressão para o fluxo escalar de nêutrons e substituímos no termo de fonte de espalhamento isotrópico na equação de transporte. Resolvemos analiticamente a equação unidimensional de transporte de nêutrons com a fonte de espalhamento aproximada desta maneira e geramos os valores para o fluxo angular no interior de cada nodo espacial. Como o método SGF gera soluções numéricas de malha grossa completamente livres de erro de truncamento espacial, esperamos que o esquema de reconstrução analítica proposto tenha alta precisão para os fluxos angulares, considerando as condições de continuidade nas interfaces dos nodos do domínio espacial. Esta técnica caracteriza um problema inverso, pois a partir da solução de malha grossa do método SGF, podemos reconstruir o fluxo angular de nêutrons em qualquer ponto do domínio. / We offer in this work an application of the SGF method, cf., spectral Greens function, to generate the angular fluxes at the region interfaces of multilayer slabs, using high-order angular quadrature sets in the one-speed discrete ordinates (SN) formulation of the neutral particle transport equation. Using the SGF coarse-mesh numerical solution, we first determine the arbitrary constants of the analytical general solution of the SN equations within each spatial node. Then, we use the angular quadrature formula to estimate the expression of the scalar flux distribution, that we substitute into the isotropic scattering source term of the transport equation. We solve analytically the slab-geometry transport equation, with the scattering source so approximated, in order to generate the angular flux profile within each spatial node. As the SGF method generates coarse-mesh numerical solution, which is completely free from spatial truncation errors, we expect that the offered approximate analytical reconstruction scheme be accurate enough for the localized angular flux distribution, considering the node interface continuity conditions within the domain. This technique is thought of as an inverse problem since from the SGF coarse-mesh nodal solution we are able to reconstruct the angular flux profile at any point inside the domain.