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.

Submitted by Automa??o e Estat?stica (sst@bczm.ufrn.br) on 2017-03-17T19:32:33Z No. of bitstreams: 1 JoseEdenilsonOliveiraReges_TESE.pdf: 5841325 bytes, checksum: 2ead9ffcd013a5ed21850074ab97c30f (MD5) / Approved for entry into archive by Arlan Eloi Leite Silva (eloihistoriador@yahoo.com.br) on 2017-03-18T00:04:04Z (GMT) No. of bitstreams: 1 JoseEdenilsonOliveiraReges_TESE.pdf: 5841325 bytes, checksum: 2ead9ffcd013a5ed21850074ab97c30f (MD5) / Made available in DSpace on 2017-03-18T00:04:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JoseEdenilsonOliveiraReges_TESE.pdf: 5841325 bytes, checksum: 2ead9ffcd013a5ed21850074ab97c30f (MD5) Previous issue date: 2016-11-18 / Esta Tese ? uma contribui??o ao desenvolvimento de sensores de vaz?o na ind?stria de petr?leo e g?s. O objetivo geral do trabalho ? apresentar uma metodologia para medir as vaz?es em po?os injetores de ?gua multizonas a partir de perfis de temperatura do fluido e estimar a incerteza da medi??o. Inicialmente, foi apresentada a equa??o cl?ssica de Ramey descrevendo a temperatura do fluido como uma fun??o da vaz?o ao longo do po?o. Ent?o, foram descritos tr?s m?todos de c?lculo das vaz?es a partir do perfil de temperatura e o sensor de vaz?o foi modelado computacionalmente. Em seguida, foram calculadas as vaz?es em quatro po?os injetores multizonas, localizados no Rio Grande do Norte, a partir de perfis de temperatura medidos experimentalmente. As vaz?es calculadas foram comparadas ?s vaz?es medidas no campo. Os resultados preliminares obtidos nos Po?os 1 e 2 foram satisfat?rios. Nestes po?os, os erros m?ximos observados foram de 28,55% (Po?o 1) e 15,72% (Po?o 2). Entretanto, desvios significativos entre as vaz?es calculadas e medidas foram encontrados nos Po?os 3 e 4. Nestes po?os, os erros m?ximos observados foram de 536,84% (Po?o 3) e 335,54% (Po?o 4). Utilizando a expans?o em S?rie de Taylor da equa??o exponencial de Ramey, foi obtida uma fun??o expl?cita, linear, entre a vaz?o ao longo do po?o e a temperatura do fluido, sendo realizada uma an?lise quantitativa da incerteza de medi??o. A partir desta an?lise, foi observado que, devido ? baixa resolu??o nas medi??es de temperatura, a incerteza de medi??o expandida pode atingir cerca de 155,04% da vaz?o calculada. Foi ent?o apresentado um m?todo de c?lculo estoc?stico das vaz?es a partir das distribui??es de probabilidade das temperaturas medidas, atrav?s da Simula??o de Monte Carlo. As novas vaz?es calculadas apresentaram erros m?ximos de 3,67% (Po?o 1), 14,45% (Po?o 2), 14,62% (Po?o 3) e 22,29% (Po?o 4). Logo, a abordagem probabil?stica permitiu que as vaz?es injetadas fossem satisfatoriamente estimadas mesmo nos casos em que a resolu??o do sensor de temperatura era inadequada ? detec??o de pequenas varia??es na temperatura do fluido. Portanto, a metodologia de c?lculo das vaz?es injetadas a partir do perfil de temperatura do fluido foi validada com sucesso. / This thesis is a contribution to the development of flow sensors in oil and gas industry. The main objective of this work is presenting a methodology to measure the flow rates into multiple-zone water-injection wells from fluid temperature profiles and estimate the measurement uncertainty. First, the classical Ramey equation describing the fluid temperature as a function of flow was presented. Then, three methods to calculate the flow rates from temperature profile were described and the flow sensor was computationally modeled. Next, the flow rates into four multiple-zone injection-wells, located in Rio Grande do Norte, were calculated from temperature profiles experimentally measured. The calculated flow rates were compared to the measured flow rates. The preliminary results, obtained from Wells 1 and 2, were satisfactory. In these wells, the maximum errors were equals to 28,55% (Well 1) and 15,72% (Well 2). However, significant deviations between the calculated and the measured flow rates were found at Wells 3 and 4. In these wells, the maximum errors were equals to 536,84% (Well 3) and 335,54% (Well 4). The Ramey equation was expanded in Taylor Series and linearized to obtain an explicit, linear, function between the flow and the fluid temperature. Then, a quantitative uncertainty analysis was performed. From this analysis, it was observed, due the temperature sensor resolution, the expanded measurement uncertainty may achieve about 155,04% of the calculated flow rate. Then, the injected flow rates were stochastically recalculated from the probability distributions of the measured temperatures, through a Monte Carlo simulation. The new calculated flow rates presented maximum errors of 3,67% (Well 1), 14,45% (Well 2), 14,62% (Well 3) and 22,29% (Well 4). This probabilistic approach allowed injected flow rates to be estimated even in the cases where the temperature sensor resolution was inadequate to detection of small variations into the fluid temperature. Therefore, the methodology to calculate the injected flow rates from the fluid temperature profile was successfully validated.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In machining processes the main functions of cutting fluids (FC) are cooling and lubrication of the tribological system comprised of the workpiece, the chip and the cutting tool. When adequately chosen and correctly applyed they may raise tool lives, reduce machining forces and improve the surface finishing of the workpiece. However, during their use, research has demonstrated that water based cutting fluids (emulsions and solutions) become suceptible to microbiological contamination (by bacterias) that uses nutrients encountered in their composition to grow and reproduce. According to the specialised literature, the metabolic activities of these microorganisms degrade the cutting fluids, altering their chemical and phisycal properties. However, the study of this theme is limited and there is no research work that quantitatively indicates the influence of these contaminants in the machinability parameters. Therefore, the present work has the main objetctive of quantifying three machinability parameters (cutting force, surface roughness and tool life) when turning V304UF stainless steel using two water based cutting fluids (emulsion of vegetable base and semi-syntetic of mineral base). These two cutting fluids were intentionaly contaminated in an induced manner by periodic inoculations up to a mean contamination of 105 UFC/mL. With this procedure it was possible to compare the eficiency of new and contminated cutting fluids during the turning process. The results showed that the contaminated cutting fluids with 105 UFC/mL changed the pH, destabilized the emulsions and caused small changes in the machinability parameters (maching force, surface roughness and tool life), mainly under low cutting speeds and feed rates. Thus, the contamination of the cutting fluids, particularly the vegetable base ones, can promote small influences in important machinability parameters. / Em processos de usinagem as principais funções dos fluidos de corte (FC) são refrigerar e lubrificar o sistema tribológico constituído pela peça, cavaco e ferramenta. Quando escolhidos e aplicados corretamente, eles podem aumentar a vida da ferramenta, diminuir as forças de usinagem e melhorar o acabamento da peça fabricada. No entanto ao longo de sua utilização, pesquisas apontam que os FC s à base de água (emulsões e soluções) tornam-se susceptíveis a contaminação microbiológica (bactérias) que usam nutrientes encontrados em sua composição para crescerem e se reproduzirem. Segundo a literatura especializada, as atividades metabólicas destes microrganismos degradam os FC s, alterando suas propriedades físicas e químicas. Entretanto, o estudo desse assunto é limitado, e não há trabalhos que indicam quantitativamente a influência desses fluidos contaminados nos parâmetros de usinagem. Deste modo, este trabalho teve como principal objetivo quantificar três índices de usinabilidade (forças de usinagem, acabamento superficial e vida da ferramenta) no processo de torneamento do Aço Inoxidável Austenítico V304UF, utilizando dois FC s aquosos (emulsionável de base vegetal e semissintético mineral). Esses FC s foram contaminados de forma induzida através de inoculações periódicas até alcançarem o nível de contaminação média igual a 105 UFC/mL. Deste modo, foi possível comparar a eficiência dos FC s novos com os contaminados no processo de torneamento. Os resultados mostraram que as contaminações dos FC s com 105 UFC/mL, alteraram o pH do meio, desestabilizaram as emulsões e causaram pequenas mudanças nos parâmetros de forças de usinagem, rugosidade e vida da ferramenta, principalmente nas condições com baixa velocidade de corte e taxas de avanço. Assim, para baixas velocidades de corte, os fluidos de corte contaminados, principalmente de base vegetal, podem causar pequenas influências em importantes parâmetros de usinabilidade do processo. / Mestre em Engenharia Mecânica

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

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In this work, the combined multi-direct forcing and immersed boundary method (IBM) were presented to simulate uid-structure interaction problems. The multi-direct forcing is used aim at satisfying the no-slip condition in the immersed boundary. For the numerical simulations was used a multi-purpose computer code that is being developed in the MFlab - Fluid Mechanics Laboratory of Federal University of Uberl^andia. Tests are made to validate the numerical schemes and routines were implemented to simulate uid-structures interaction problems. Furthermore, computational tools are developed to construct and manage and optimize the use of a Beowulf cluster where all the parallel simulations presented in this work were done. The Method of Manufactured Solutions has been used for order-of-accuracy verication in the computational uid dynamics code. Two uid-structure interaction problems were studied using this methodology. The rst is a ow over a sphere for some Reynolds numbers. The results were compared to empirical results, obtaining satisfactory approximations. The second one is a immersed simple pendulum. For this problem the results are in agreement with physics. Indeed, these are preliminar results. New tests must be done to make progress in the methodology. Improvements are proposed in the IBM, in the uid-structure model, in the turbulence model, in the method used to discretize the uid domain. It is also proposed to apply the methodology to real problems as risers and valves. / O presente trabalho tem como principal objetivo a aplicação do método multifoçagem (MMF) para solução numérica tridimensional de problemas de interação uidoestrutura, buscando-se garantir a condição de não-escorregamento na região da fronteira imersa. Para as simulações numéricas foi utilizado um código computacional multipropósito em desenvolvimento no MFlab - Laboratório de Mecânica dos Fluidos da Universidade Federal de Uberlândia. Foram feitas modificações nesse código para que se pudesse validá-lo para solução de problemas com fronteira imersa e foi implementada uma rotina para solução de um problema de interação uido-estrutura total. Além disso, foi desenvolvido um pacote de ferramentas computacionais que possibilitou instalar e melhorar o desempenho de um cluster do tipo Beowulf utilizado para o desenvolvimento das simulações num eriças em paralelo do presente trabalho. Utilizando o Método das Soluções Manufaturadas foram obtidas soluções sintetizadas para as equações de Navier-Stokes, o que possibilitou obter a ordem de convergência numérica do código computacional para problemas contínuos e a validação deste código para problemas envolvendo corpos imersos ao combinar a o método das soluções manufaturadas com a metodologia de fronteira imersa. Na sequência foi solucionado o problema de escoamento ao redor de uma esfera parada, cujos resultados foram comparados com referencias empíricas, obtendo-se boa aproximação. Ainda para esse caso foi feita a avalição da norma L2 para as soluções num eriças obtidas nos pontos lagrangianos verificando a garantia da condição de não-escorregamento e feita uma análise da inuência dos número de ciclos utilizados no método multi-forçagem. Foi vericado que a solução numérica obtida depende do número de ciclos o que faz com que seja necessário se estabelecer um critério de convergência para este método. Um segundo problema de interação uido-estrutura total foi estudado. Consiste em um pêndulo simples imerso em um uido que parte de uma dada posição angular inicial e oscila em torno da sua posição de equilíbrio, até parar. Para esse caso foram feitas análises quantitativas. Os resultados são preliminares mas coerentes com a física do problema, indicando que a metodologia é adequada para solução deste tipo de problema. / Mestre em Engenharia Mecânica

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Modern engineering increasingly requires the comprehension of phenomena related to combustion, aeroacustics, turbulence transition, among others. For these purposes the Computational Fluids Dynamics (CFD) requires the used high order methods. One of these methods is the Fourier pseudo-spectral method, that provides an excellent numerical accuracy, and with the use of the Fast Fourier Transform algorithm (FFT), it presents a low computational cost in comparison to anothers high-order methods. Another important issue is the projection method of the pression term, which does not require the pressure computation from the Navier-Stokes equations. The procedure to calculate the pression field is usually the most onerous in classical methodologies. Nevertheless, the pseudo-spectral method can be only applied to periodic boundary flows, thus limiting its use. Aiming to solve this restriction, a new methodology is proposed at the present work, which has the objective of simulating nonperiodic flows using the Fourier pseudo-spectral method. For this purpose the immersed boundary method, that represents the boundary conditions through a force field imposed at Navier-Stokes equations is used. As a test to this new methodology, a classic problem of Computational Fluid Dynamics, The Lid Driven Cavity was simulated. The obtained results are promising and demonstrate the possibility to simulating non-periodic flows making use of the Fourier pseudo-spectral method. / Para compreender fenômenos relacionados à combustão, aeroacústica, transição a turbulência entre outros, a Dinâmica de Fluídos Computacional (CFD) utiliza os métodos de alta ordem. Um dos mais conhecidos é o método pseudo-espectral de Fourier, o qual alia: alta ordem de precisão na resolução das equações, com um baixo custo computacional. Este está ligado à utilização da FFT e do método da projeção do termo da pressão, o qual desvincula os cálculos da pressão da resolução das equações de Navier-Stokes. O procedimento de calcular o campo de pressão, normalmente é o mais oneroso nas metodologias convencionais. Apesar destas vantagens, o método pseudo-espectral de Fourier só pode ser utilizado para resolver problemas com condições de contorno periódicas, limitando o seu uso no campo da dinâmica de fluídos. Visando resolver essa restrição uma nova metodologia é proposta no presente trabalho, que tem como objetivo simular escoamentos não-periódicos utilizando o método pseudo-espectral de Fourier. Para isso, é utilizada a metodologia da Fronteira Imersa, a qual representa as condições de contorno de um escoamento através de um campo de força imposto nas equações de Navier-Stokes. Como teste, para essa nova metodologia, foi simulada uma cavidade com tampa deslizante (Lid Driven Cavity), problema clássico da mecânica de fluídos, que objetiva validar novas metodologias e códigos computacionais. Os resultados obtidos são promissores e demostram que é possível simular um escoamento não-periódico com o método pseudo-espectral de Fourier. / Mestre 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

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / A engenharia geotécnica é uma das grandes áreas da engenharia civil que estuda a interação entre as construções realizadas pelo homem ou de fenômenos naturais com o ambiente geológico, que na grande maioria das vezes trata-se de solos parcialmente saturados. Neste sentido, o desempenho de obras como estabilização, contenção de barragens, muros de contenção, fundações e estradas estão condicionados a uma correta predição do fluxo de água no interior dos solos. Porém, como a área das regiões a serem estudas com relação à predição do fluxo de água são comumente da ordem de quilômetros quadrados, as soluções dos modelos matemáticos exigem malhas computacionais de grandes proporções, ocasionando sérias limitações associadas aos requisitos de memória computacional e tempo de processamento. A fim de contornar estas limitações, métodos numéricos eficientes devem ser empregados na solução do problema em análise. Portanto, métodos iterativos para solução de sistemas não lineares e lineares esparsos de grande porte devem ser utilizados neste tipo de aplicação. Em suma, visto a relevância do tema, esta pesquisa aproximou uma solução para a equação diferencial parcial de Richards pelo método dos volumes finitos em duas dimensões, empregando o método de Picard e Newton com maior eficiência computacional. Para tanto, foram utilizadas técnicas iterativas de resolução de sistemas lineares baseados no espaço de Krylov com matrizes pré-condicionadoras com a biblioteca numérica Portable, Extensible Toolkit for Scientific Computation (PETSc). Os resultados indicam que quando se resolve a equação de Richards considerando-se o método de PICARD-KRYLOV, não importando o modelo de avaliação do solo, a melhor combinação para resolução dos sistemas lineares é o método dos gradientes biconjugados estabilizado mais o pré-condicionador SOR. Por outro lado, quando se utiliza as equações de van Genuchten deve ser optar pela combinação do método dos gradientes conjugados em conjunto com pré-condicionador SOR. Quando se adota o método de NEWTON-KRYLOV, o método gradientes biconjugados estabilizado é o mais eficiente na resolução do sistema linear do passo de Newton, com relação ao pré-condicionador deve-se dar preferência ao bloco Jacobi. Por fim, há evidências que apontam que o método PICARD-KRYLOV pode ser mais vantajoso que o método de NEWTON-KRYLOV, quando empregados na resolução da equação diferencial parcial de Richards. / Geotechnical Engineering is the area of Civil Engineering that studies the interaction between constructions carried out by man or natural phenomena with geological environment, which most of times is partially saturated soil. In this sense, work developing as stabilization, dam containing, retaining walls, foundations and highways are conditioned to a right prediction of water flow into the soil. However, considering the water flow, the studied region areas are commonly on the order of square kilometers, mathematical models solutions require computational meshes of large proportions, causing serious limitations linked to computational memory requirements and processing time. In order to overcome these limitations, efficient numerical methods must be used in the solution of the considered problem. Hence iterative methods for solving nonlinear and large sparse linear systems must be used in this type of application. In short, this study approached a solution to the Richard partial differential equation by the two dimensions finite volume method, bringing Picard and Newton method with greater efficiency. Linear system resolution iterative techniques based on Krylov space with pre-conditioners matrix were used. Portable Extensible Toolkit for Scientific Computation (PETSc) numerical library was a tool used during the task. The results indicate when a Richards equation is solved considering thr PICARD-KRYLOV method, no matter the soil evaluation model, the best combination for solving linear systems is the stabilized double gradient method and the SOR preconditioning. On the other hand, when the van Genuchten equations are used the gradients methods with the SOR preconditioning must be chosen. Adopting the NEWTON-KRYLOV method, the stabilized double gradient method is more efficient in soling Newton linear system, in relation to the preconditioning it must be giving preference to the Jacob block. Finally, there are strong indications that the PICARDKRYLOV method can be more effective than the NEWTON-KRYLOV one, when used for solving Richards partial differential equation.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Em uma grande gama de problemas físicos, governados por equações diferenciais, muitas vezes é de interesse obter-se soluções para o regime transiente e, portanto, deve-se empregar técnicas de integração temporal. Uma primeira possibilidade seria a de aplicar-se métodos explícitos, devido à sua simplicidade e eficiência computacional. Entretanto, esses métodos frequentemente são somente condicionalmente estáveis e estão sujeitos a severas restrições na escolha do passo no tempo. Para problemas advectivos, governados por equações hiperbólicas, esta restrição é conhecida como a condição de Courant-Friedrichs-Lewy (CFL). Quando temse a necessidade de obter soluções numéricas para grandes períodos de tempo, ou quando o custo computacional a cada passo é elevado, esta condição torna-se um empecilho. A fim de contornar esta restrição, métodos implícitos, que são geralmente incondicionalmente estáveis, são utilizados. Neste trabalho, foram aplicadas algumas formulações implícitas para a integração temporal no método Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) de modo a possibilitar o uso de maiores incrementos de tempo e uma forte estabilidade no processo de marcha temporal. Devido ao alto custo computacional exigido pela busca das partículas a cada passo no tempo, esta implementação só será viável se forem aplicados algoritmos eficientes para o tipo de estrutura matricial considerada, tais como os métodos do subespaço de Krylov. Portanto, fez-se um estudo para a escolha apropriada dos métodos que mais se adequavam a este problema, sendo os escolhidos os métodos Bi-Conjugate Gradient (BiCG), o Bi-Conjugate Gradient Stabilized (BiCGSTAB) e o Quasi-Minimal Residual (QMR). Alguns problemas testes foram utilizados a fim de validar as soluções numéricas obtidas com a versão implícita do método SPH. / In a wide range of physical problems governed by differential equations, it is often of interest to obtain solutions for the unsteady state and therefore it must be employed temporal integration techniques. One possibility could be the use of an explicit methods due to its simplicity and computational efficiency. However, these methods are often only conditionally stable and are subject to severe restrictions for the time step choice. For advective problems governed by hyperbolic equations, this restriction is known as the Courant-Friedrichs-Lewy (CFL) condition. When there is the need to obtain numerical solutions for long periods of time, or when the computational cost for each time step is high, this condition becomes a handicap. In order to overcome this restriction implicit methods can be used, which are generally unconditionally stable. In this study, some implicit formulations for time integration are used in the Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) method to enable the use of larger time increments and obtain a strong stability in the time evolution process. Due to the high computational cost required by the particles tracking at each time step, the implementation will be feasible only if efficient algorithms were applied for this type of matrix structure such as Krylov subspace methods. Therefore, we carried out a study for the appropriate choice of methods best suited to this problem, and the methods chosen were the Bi-Conjugate Gradient (BiCG), the Bi-Conjugate Gradient Stabilized (BiCGSTAB) and the Quasi-Minimal Residual(QMR). Some test problems were used to validate the numerical solutions obtained with the implicit version of the SPH method.

No presente trabalho estudam-se diferentes técnicas explícitas, em diferenças finitas, no emprego de algoritmos do tipo velocidade-pressão para simulação de escoamentos incompressíveis. O método de resolução da pressão de maneira direta e explícita, introduzido por Bravo e Claeyssen [BRA 97a], é analisado. Faz-se uma aproximação para o erro causado por esta técnica, e verifica-se como isto afeta a equação da continuidade. As simulações são realizadas na cavidade quadrada, comparando-se os diferentes métodos e validando as aproximações realizadas no estudo do método de resolução da pressão. Além disso, simula-se o escoamento em cavidades profundas e rasas, observandose a formação de vórtices e distribuição de energia cinética. Simulações do escoamento na cavidade cúbica também são apresentadas. / In this work different explicit technics in finite defferences in the application of velocity-pressure algorithm to simulate incompressible flows have been studied. The direct and explicit method of pressure resolution, introduced by Bravo anel Claeyssen [BRA 97a] is analyzed. An approximation to the error caused by this method is made, anel how this affects the continuity equation is verified. The simulations are maele in a square cavity, comparing the differents methoels anel valielating the approximations maele in the study of the pressure resolution method. Besieles this, flow in eleep and shallow cavities is simulateel, observing the formation of vortices and kinetic energy distribution. Simulations of the flow in the cubical cavity are also considered.