Neste trabalho investiga-se a interação fluido-estrutura de um cabo submerso em um fluido. Esta investigação será feita através do acoplamento entre a modelagem da dinâmica do cabo com o movimento do fluido. Para a dinâmica do cabo propõe-se uma formulação inédita, que consiste em supor que a flexibilidade contínua é representada por uma aproximação discreta, constituída de elos rígidos conectados por articulações elásticas, permitindo movimentos no espaço tridimensional. Para o movimento do fluido propõe-se o escoamento sobre um cilindro circular, onde as soluções analíticas das equações de Navier-Stokes serão resolvidas através do Método da Decomposição de Adomian. Através deste método, são determinadas as funções que aproximam as componentes da velocidade e a partir destas determina-se uma expressão para a pressão que o fluido exerce sobre o cilindro. O acoplamento será feito determinando a força resultante que o fluido exerce sobre o cabo, através da integração analítica da diferença de pressão em cada elemento de área do cabo. Através da expressão da força resultante, são determinadas as forças atuantes sobre cada elo do cabo e a partir destas forças são calculados os torques em elevação e azimute em cada articulação fictícia. Estes torques são considerados na modelagem dinâmica do cabo como uma perturbação externa nos movimentos do mesmo, e então são realizadas várias simulações com o cabo submerso na água. / In this work I investigate the fluid-structure interaction problem of a submerse cable into a fluid. This investigation will be made through the coupling between the modeling of the dynamics of the cable with the movement of the fluid. To the dynamic cable, it is proposed a new formulation, which consists in presuming that the continuous flexibility is represented by the discret approach, that consists of rigid links connected by elastic joints, allowing movements on the threedimensional space. For the fluid movement it is proposed the flow around a circular cylinder, where the analytical solutions of the Navier-Stokes equations will be solved by the Adomian Method of Decomposition. By this method are determined the functions that approach the speed components and from this determined an expression for the pressure that the fluid exerts on the cylinder. The coupling will be determined as a result of the strength that the fluid exerts on the cable, by the analytical integration of the pressure difference in every element of the cable area. By the expression of the resultant strength, we determine the strengths on every link of the cable and from these strengths are calculated the torques of elevation and azimuth in every link considered on the dynamic model of the cable as an external force on the movements of the same; then are realized a lot of simulations with the submerse cable on the water.

Fenômenos naturais, tecnológicos e industriais podem, em geral, ser modelados de modo acurado através de equações diferenciais parciais, definidas sobre domínios contínuos que necessitam ser discretizados para serem resolvidos. Dependendo do esquema de discretização utilizado, pode-se gerar sistemas de equações lineares. Esses sistemas são, de modo geral, esparsos e de grande porte, onde as incógnitas podem ser da ordem de milhares, ou até mesmo de milhões. Levando em consideração essas características, o emprego de métodos iterativos é o mais apropriado para a resolução dos sistemas gerados, devido principalmente a sua potencialidade quanto à otimização de armazenamento e eficiência computacional. Uma forma de incrementar o desempenho dos métodos iterativos é empregar uma técnica multigrid. Multigrid são uma classe de métodos que resolvem eficientemente um grande conjunto de equações algébricas através da aceleração da convergência de métodos iterativos. Considerando que a resolução de sistemas de equações de problemas realísticos pode requerer grande capacidade de processamento e de armazenamento, torna-se imprescindível o uso de ambientes computacionais de alto desempenho. Uma das abordagens encontradas na literatura técnica para a resolução de sistemas de equações em paralelo é aquela que emprega métodos de decomposição de domínio (MDDs). Os MDDs são baseados no particionamento do domínio computacional em subdomínios, de modo que a solução global do problema é obtida pela combinação apropriada das soluções obtidas em cada um dos subdomínios Assim, neste trabalho são disponibilizados diferentes métodos de resolução paralela baseado em decomposição de domínio, utilizando técnicas multigrid para a aceleração da solução de sistemas de equações lineares. Para cada método, são apresentados dois estudos de caso visando a validação das implementações. Os estudos de caso abordados são o problema da difusão de calor e o modelo de hidrodinâmica do modelo UnHIDRA. Os métodos implementados mostraram-se altamente paralelizáveis, apresentando bons ganhos de desempenho. Os métodos multigrid mostraram-se eficiente na aceleração dos métodos iterativos, já que métodos que utilizaram esta técnica apresentaram desempenho superior aos métodos que não utilizaram nenhum método de aceleração.

Resumo não disponível.

O sistema vórtice ferradura é o elemento chave do processo erosivo ao redor de obstáculos sobre leitos móveis. Por estar presente em muitas situações práticas da engenharia e apresentar características tridimensionais e complexas, ainda é pouco compreendido e explorado. Esta pesquisa elucida a respeito do vórtice ferradura para o caso de leito fixo e obstáculo cilíndrico de seção circular, através de investigação experimental em túnel de vento, realizada em duas etapas: uma relativa a aquisição dos dados no laboratório e a outra no seu pós-processamento. A primeira etapa compreende a aquisição das imagens do escoamento pela técnica de velocimetria por luz pulsada, com modo de operação PIV (Particle Image Velocimetry), através de ensaios realizados no Laboratoire d’Etudes Aérodinamiques (da Universidade de Poitiers, França). As imagens foram pré-processadas e consequentemente foram obtidos os campos de vetores velocidade instantâneos. A segunda etapa, enfoque deste trabalho, compreende o pós-processamento dos campos de velocidade bidimensionais e consequentemente os campos de vorticidade, velocidade, energia cinética, intensidade de turbulência, desvio padrão da velocidade e vorticidade com ReD variando de 4300 a 15600 (Red ∗ = 450 a 860). Para ReD = 4300 e 5500 observou-se que o (sistema) vórtice ferradura foi identificado com maior freqüência nos campos instantâneos de vorticidade e velocidade. Conforme o número de Reynolds aumenta, o vórtice é cada vez menos identificado e para ReD = 15600, ele não foi detectado nos campos instantâneos. / The system horseshoe vortex is a key element of the scour process around obstacles on erodible beds. Although it is presented in many engineering practical situations and it has three-dimensional and complex characteristics, it is still little understood and explored. This research explains the horseshoe vortex in the case of the fixed plane plate and cylindrical obstacle of circular section, through experimental research in wind tunnel, performed in two stages: one related to the data aquisition in the laboratory and another to its post-processing. The firt stage comprises the image acquisition, by the pulse light velocimetry technique with the PIV operation (Particle Image Velocimetry), through experiments carried out at Laboratoire d’Etudes Aérodinamiques (University of Poitiers, in France). The images have been pre-processed and the fields of instantaneous velocity vectors obtained. The second stage, which is the aim of this work, comprises the post-processing in the fields of two-dimensional velocity and consequently the fields of vorticity, velocity, kinetic energy, intensity of turbulence, root mean square of the velocity and vorticity with ReD varying from 4300 to 15600 (Red ∗ = 450 to 860). For ReD = 4300 and 5500, it was observed that the (system) horseshoe vortex has been identified more often in the instantaneos fields of vorticity and velocity. As the Reynolds number increase, the vortex is less and less identified; and for ReD = 15600, it has not been detected in the instantaneous fields.

Existe um grande interesse no entendimento de escoamentos de fluidos não-Newtonianos através de contrações abruptas. Este interesse se origina na importância destes escoamentos em processos poliméricos e no freqüente uso do escoamento com contração abrupta como um problema teste para validação de métodos numéricos. As duas propriedades reológicas mais freqüentemente apontadas e estudadas nos fluidos não-Newtonianos são: a viscosidade dependente da taxa de cisalhamento e a natureza viscoelástica destes fluidos. O caráter viscoelástico do fluido é descrito pelo número de Deborah. Na sua definição usual, o número de Deborah envolve as propriedades elásticas do fluido, isto é, o coeficiente primário de tensão normal ou tempo de relaxação terminal originado dos experimentos com tensões de relaxação. Para caracterizar a viscosidade pseudoplástica dos fluidos não-Newtonianos, utiliza-se a equação viscosidade de Carreau, a qual emprega uma viscosidade para baixas taxas de cisalhamento, um tempo característico igual ao recíproco da taxa de cisalhamento na qual se dá o início da pseudoplasticidade, e a inclinação da região power-law da viscosidade para altas taxas de cisalhamento. Ao número de Deborah, pode-se definir o número de Carreau de modo que ele possa ser utilizado para medir o efeito pseudoplástico nos escoamentos não-Newtonianos. A metodologia de elementos finitos utilizada, conhecida como método Galerkin Mínimos Quadrados (GLS), supera as dificuldades enfrentadas pelo método de Galerkin clássico em escoamentos sujeitos a altos números de Reynolds, a saber: a compatibilização dos subespaços de velocidade e pressão – satisfazendo deste modo a condição denominada de Babuška-Brezzi – e as oscilações espúrias devido a natureza assimétrica da aceleração convectiva da equação de momentum. O método GLS, adicionando termos malha-dependentes à formulação clássica de Galerkin, aumenta a formulação de Galerkin sem, contudo, prejudicar sua consistência. Esta dissertação objetiva a modelagem mecânica e simulação numérica via o método de Galerkin Mínimos-Quadrados, de escoamentos planares e axissimétricos de fluidos pseudoplásticos de Carreau através de contrações abruptas. / There is a great interest in understanding the flow of non-Newtonian fluids through sudden contractions. This interest arises from the importance of these flows in polymeric processes and in the frequent use of the flow with sudden contraction as a problem test for validation of numeric methods. The two most frequently mentioned and studied rheological properties of non-Newtonian fluids are the shear rate dependent viscosity and the viscoelastic nature of these fluids. The Deborah number describes the viscoelastic characteristic of the fluid. The Deborah number, in its basic definition, involves the elastic properties of the fluid, i.e., the primary coefficient of normal tension or time of terminal relaxation, originating experiments with relaxed tensions. The pseudoplastic viscosity of non-Newtonian fluids, usually the Carreau viscosity equation, is characterized by the employment of a low rate shear viscosity, a characteristic time - equal to the reciprocal of the shear rates in the beginning of the pseudoplasticity - and the slope of the power-law region of the viscosity for high shear rates. The Carreau number, with the Deborah number, can be used to measure the pseudoplastic effect in non-Newtonian flows. The finite elements method employed in this work, known as the Galerkin least-squares method (GLS), improve on the difficulties faced by the classic Galerkin method in flows subjected to high Reynolds numbers, i.e., the compatibility of sub-spaces of velocity and pressure (the Babuška-Brezzi condition) and the spurious oscillations due to the asymmetric nature of the convective acceleration of the momentum equation. The GLS method, adding mesh-dependents terms to the classic formulation of Galerkin, increases its stability without harm its consistency. This work has as main objective the mechanical modeling and numerical simulation, via the GLS method, of planar and axisymmetric flow of Carreau pseudoplastic fluids through an abrupt 4:1 contraction. In order to take into account the inertia and pseudoplastic effects, the Reynolds and Carreau numbers and power-law coefficient have been investigated within a range of 0<Re<100 and 0<Cu<100 and 0,2<n<1,0, respectively. All numerical results shown to be physically relevant and in accordance with the literature.

Neste trabalho, vamos apresentar uma prova elementar de um resultado obtido originalmente por M. Wiegner em 1986 sobre o decaimento na norma L2 de soluções das equações de Navier-Stokes incompressíveis em dimensão 2 ou 3, desenvolvendo em detalhe uma derivação alternativa proposta por T. Hagstrom, H. Kreiss, J. Lorenz e P. Zingano recentemente em 2002. / In this work, we will present an elementary derivation of an important result originally obtained by M. Wiegner in 1986 concerning the L2 decay of solutions to the incompressible Navier-Stokes equations in space dimension 2 or 3. Here, we give a detailed derivation of an alternative approach recently developed by T. Hagstrom, H. Kreiss, J. Lorenz and P. Zingano in 2002.

O presente trabalho apresenta o desenvolvimento de um código numérico computacional, baseado no método de elementos finitos, para simulação de grandes escalas de escoamentos bi- e tridimensionais, transientes, incompressíveis, isotérmicos e turbulentos. O código aproxima as equações médias espaciais de Navier-Stokes e da continuidade escritas utilizando a hipótese de quase-incompressibilidade. O uso dessa hipótese permite a aplicação de aproximações de mesma ordem para os campos de pressão e velocidade. Junto com a hipótese de quase-incompressibilidade, é implementada uma forma proposta pelo grupo de diagonalização das matrizes formadas no problema, de forma a simplificar e estabilizar a solução do sistema linear. Para a modelagem sub-malha é utilizado o modelo clássico de Smagorinsky para contabilizar os efeitos das menores estruturas turbulentas (estruturas sub-malha) sobre o escoamento resolvido (com grandes escalas turbulentas). Toda a abordagem numérica utilizada é detalhada e apresentada na forma em que foi implementada no código. Em resumo é utilizado o método de elementos finitos, aplicando os métodos de Newton ou de Picard para aproximar o sistema não linear de equações e um esquema de avanço no tempo variável, permitindo o uso das formas explícita e semi-implícita de avanço. Uma importante parte do trabalho é dedicada à estruturação e aplicação de técnicas de alto desempenho na elaboração do código. O objetivo é obter um código que permita melhorias e implementação de novos métodos e modelos de forma simples e que, ao mesmo tempo, tenha um bom desempenho computacional. São aplicados métodos de armazenagem compacta de matrizes para a redução da quantidade de memória necessária e para viabilizar o uso de esquema semiimplícitos de avanço no tempo. Uma técnica de paralelização do processamento para permitir o uso de clusters foi implementada, sendo a mesma adequada para uso em máquinas de memória compartilhada. Dois casos de teste são apresentados. O escoamento em uma cavidade, bi- e tridimensional, em regimes laminar e turbulento e o escoamento bidimensional, também laminar e turbulento, sobre um degrau (expansão em um canal). Por fim são apresentadas as conclusões obtidas e sugestões para melhorias, novas implementações e novas linhas oriundas desse trabalho são feitas. / The present work presents the development of a computational code, based on the finite elements method, for large eddy simulation of two and three dimensional, transient, incompressible, isothermal and turbulent flows. The code approximates the spatial average of the Navier-Stokes and continuity equations. The hypothesis of slight-compressibility is used allowing the application of equal order approximations for pressure and velocity fields. A form of matrix diagonalization is implemented, in order to simplify and stabilize the solution of the linear system. For the sub-grid modeling, the classical Smagorinsky model is employed, in order to account for the effects of small turbulent structures (sub-grid structures). The numerical approach employed in this work is detailed and presented in the form that was implemented in the code. In summary, the finite elements method is employed, applying Newton or Picard techniques to solve the non-linear system of equations and a variable time marching scheme, allowing the use of explicit and semi-implicit forms schemes. An important part of this work is dedicated to the structuring and application of high performance techniques in the code elaboration. The objective is to obtain a code which allows improvements and implementation of new methods and models in a simple way and conserving, at the same time, a good computational performance. Methods of compact matrix storage are applied to reduce the required memory when semi-implicit schemes are used. A parallelization technique is also employed in order to enable the use of clusters, the implemented technique is suitable to be used in shared memory machines. Two test cases are presented. The two and three dimensional laminar and turbulent flow in a lid-driven cavity and the two-dimensional laminar and turbulent flow over a backward-facing step (a channel with an expansion). Finally, the conclusions are presented, and suggestions for improvements, new implementations and new subjects of future researches are given.

Um algoritmo para a simulação numérica de escoamentos laminares incompressíveis tridimensionais de fluidos viscosos é proposto neste trabalho. A equação de conservação da energia, assim como as forças de flutuação devido à ação da gravidade, calculadas através da aproximação de Bousinessq, são implementadas para analisar problemas não-isotérmicos. Emprega-se o esquema de Taylor-Galerkin de um passo para a dicretização no tempo e no espaço, respectivamente. O elemento finito empregado é o hexaédrico isoparamétrico de oito nós. Adota-se um enfoque de pseudo-compressibilidade o que permite escrever a equação da continuidade em termos da pressão, a qual é resolvida implicitamente através do Método dos Gradientes Conjugados com Precondicionamento, enquanto as equações de conservação de quantidade de movimento e de energia são resolvidas explicitamente. A integração das matrizes de elemento é efetuada analiticamente considerando o elemento não distorcido e usando um único ponto de integração para avaliar a matriz Jacobiana. O programa é codificado na linguagem FORTRAN 90 e vetorizado para aproveitar as características dos processadores vetoriais existentes nos atuais supercomputadores. / The formulation and application of an algorithm to simulate numerically 3-D incompressible laminar flows is presented in this work. The energy equation and buoyancy forces, which are calculated by Bousinessq approximation, are also implemented to analyse non-isothermic problems. The one-step Taylor-Galerkin scheme is used in order to obtain a useful numerical model. The eight node isoparametric hexahedron finite element is employed. A pseudocompressibility approach is adopted, allowing to write the continuity equation in terms of the pressure. The continuity equation is solved implicitly by the Conjugate Gradient Method with a preconditioning technique, whereas the Equation of Momentum and Energy Conservation are solved explicitly. Element matrices are calculated analytically considering undistorted elements and using one integration point to evaluate the Jacobian Matrix. The code is written in FORTRAN 90 language, and is vectorized in order to take advantage of fast vectorial processors existing in modern supercomputers.

Neste trabalho é apresentada uma solução analítica para a dispersão vertical turbulenta em uma camada limite estável, para uma fonte área instantânea. Esta solução é obtida pela aplicação da transformada de Laplace na variável temporal da equação de difusão e também foi usado um coeficiente de dispersão derivado das teorias de similaridade local e da difusão estatística. A transformada inversa é ,obtida através do esquema numérico de quadratura Gaussiana. São apresentadas várias simulações para diversas alturas da fonte área e os resultados obtidos apresentaram boa comparação com os resultados disponíveis na literatura. / In this work is presented an analytical solution for vertical poluent dispersion of a instantaneous area source in an atmospheric stable boundary layer. This solution is obtained by the aplication ofLaplace Transform on the time-dependent, one dimensional diffusion equation and using the dispersion coefficient derived from local similarity and statistical diffusion theories. The In verse o f the Transform is achieved through numerical f scheme of Gausian quadrature. Numerical simulations and comparisions are reported for several heights o f the source and the results attained a good concordance with other results.

O objetivo do presente trabalho é determinar numericamente o perfil de umedecimento em um meio poroso submetido a um processo de infiltração. A descrição do movimento transiente de água em solo não-expansivo é dada em termos da equação não-linear de Fokker-Planck ou da equação de Richards. As dificuldades na solução da equação são não somente devido aos termos não-lineares envolvidos mas também às condições de fronteira dependentes do tempo e ao ajuste dos dados experimentais para os parâmetros fisicos. Neste trabalho é considerado um esquema de diferença finita de três niveis para a simulação de infiltração em uma coluna homogênea, semi-infinita satisfazendo a condição de fluxo constante na superficie. O esquema proposto é implicito com erro de truncamento de segunda ordem no tempo e espaço. O termo convectivo é aproximado por quatro diferentes esquemas. A influência da discretização da derivada na fronteira também é analisada através de quatro esquemas. Os resultados obtidos na simulação numérica pelo esquema de três niveis com termo convectivo aproximado por diferença ascendente (upwind) e condição de fronteira discretizada com ponto ficticio apresentam melhor aproximação aos perfis de umedecimento experimentais que os obtidos por esquemas de dois niveis. / The purpose of the present work is to determine numerically the water content profile in a porous medium submitted to an infiltration process. The description of the transient water movement in nonswelling soil is given in terms of the non-linear Fokker-Planck equation or Richards equation. The difficulties in solving this equation are due not only the nonlinearities involved but also to time-dependent boundary conditions and to the fitting of the experimental data for the physical parameters. In this work, we consider a three-level finite difference scheme for the simulation of infiltration in an homogeneous semi-infinite column satisfying constant flux condition at the surface. This is an implicit scheme which is second-order accurate in time and space. The convective term is approximated by four different schemes. The influence of the discretization of the boundary derivative is analysed by four schemes. The results of the numerical simulation by the three-level scheme with convective term approximated by forward difference (upwind) discretizated with ficticious and point boundary exhibited condition a closer approximation to the experimental water content pro1ile than the ones obtained by two-level scheme.