The research presented in this thesis utilizes Blade Element Momentum (BEM) theory with a dynamic wake model to customize the OrcaFlex numeric simulation platform in order to allow modeling of moored Ocean Current Turbines (OCTs). This work merges the advanced cable modeling tools available within OrcaFlex with well documented BEM rotor modeling approach creating a combined tool that was not previously available for predicting the performance of moored ocean current turbines. This tool allows ocean current turbine developers to predict and optimize the performance of their devices and mooring systems before deploying these systems at sea. The BEM rotor model was written in C++ to create a back-end tool that is fed continuously updated data on the OCT’s orientation and velocities as the simulation is running. The custom designed code was written specifically so that it could operate within the OrcaFlex environment. An approach for numerically modeling the entire OCT system is presented, which accounts for the additional degree of freedom (rotor rotational velocity) that is not accounted for in the OrcaFlex equations of motion. The properties of the numerically modeled OCT were then set to match those of a previously numerically modeled Southeast National Marine Renewable Energy Center (SNMREC) OCT system and comparisons were made. Evaluated conditions include: uniform axial and off axis currents, as well as axial and off axis wave fields. For comparison purposes these conditions were applied to a geodetically fixed rotor, showing nearly identical results for the steady conditions but varied, in most cases still acceptable accuracy, for the wave environment. Finally, this entire moored OCT system was evaluated in a dynamic environment to help quantify the expected behavioral response of SNMREC’s turbine under uniform current. / Includes bibliography. / Thesis (M.S.)--Florida Atlantic University, 2013.

Navios aliviadores com sistemas de posicionamento dinâmico (SPD) são dispendiosos. Dessa forma, é desejável que se otimize sua utilização, por exemplo, através da redução da quantidade de viagens entre as plataformas em alto-mar e os terminais na costa. Quando o petróleo produzido é destinado à exportação, uma solução é transferi-lo diretamente do aliviador ao navio exportador (geralmente um VLCC) através das operações conhecidas como ship-to-ship, ainda em alto-mar e próximo aos campos de produção. No entanto, uma vez que VLCCs raramente são providos de SPD, é necessário que se desenvolvam formas de se assegurar a controlabilidade de ambos os navios durante a operação de transferência. Nesse sentido, duas diferentes configurações de operações ship-to-ship são propostas. Uma delas consiste em realizar a transferência com os navios avançando lado a lado. As embarcações são amarradas e então o VLCC desenvolve potência avante, rebocando o aliviador que mantém suas máquinas ociosas. A outra solução consiste em transferir o petróleo enquanto os navios mantêm uma formação em comboio, com o VLCC seguindo uma trajetória arbitrária e sendo seguido pelo aliviador, que mantém uma distância relativa através de uma estratégia específica de piloto automático. Os modelos dinâmicos para ambas as operações são desenvolvidos e implementados em simuladores numéricos. Os resultados das simulações são discutidos e utilizados para que se avalie a viabilidade operacional das operações sob diferentes condições ambientais e de carregamento dos navios. / Shuttle tankers with dynamic positioning (DP) systems are expensive ships. Therefore, it is desirable to optimize their usage by, e.g., eliminating the travels between offshore platforms and the terminals in the coast. When the oil is intended to exportation, an attractive idea is to transfer it between the shuttle tanker and the exporter ship (usually a VLCC) in open sea, close to the oil fields. However, since a VLCC is rarely provided with a DP system, it is necessary to develop alternative ways of attaining controllability of both vessels while the transfer operation is performed. In this sense, two configurations for the so-called ship-to-ship operations are proposed. One of them consists in performing the transfer with underway ships, arranged side-by-side. The vessels are moored together and the VLCC develops power ahead, towing the idle shuttle tanker. Another alternative is to transfer the oil while the ships maintain a convoy formation, with the VLCC trailing a given trajectory and being followed by the shuttle tanker, which keeps a constant relative position by means of an appropriate autopilot strategy. Dynamic models are developed for both operations and implemented in numerical simulators. The simulations results are discussed and used to outline the operational viability under different combinations of environment and loading conditions.

We perform an event-by-event hydrodynamic analysis for Pb-Pb collisions at the incident energy of sqrt(sNN) = 2.76TeV, also studying the effects of two equations of state under the same initial conditions and freeze-out scenario: one characterized by a critical point and the other based on Lattice QCD (Quantum Chromodynamics) calculations. The observables of interest are particle spectra in terms of pseudorapidity and transverse momentum, as well as flow harmonics, which are coefficients that carry information on the initial anisotropies of the system throughout its evolution. Those are computed and compared with experimental Large Hadron Collider (LHC) data. There are slight differences in the results for each equation of state, caused by their distinct features. Lastly, the LHC-based calculations are compared with previous works related to the Relativistic Heavy-Ion Collider (RHIC) experimental data. The main techniques of the latter are performed in this work, which results in differences between some aspects in the outcome for each collision type, from initial energy distributions to freeze-out temperatures. / É feita uma análise de hidrodinâmica evento-por-evento para colisões de Pb-Pb à energia incidente de sqrt(sNN) = 2.76TeV. Estudamos os efeitos de duas equações de estado sob as mesmas condições iniciais e desacoplamento: uma é caracterizada por um ponto crítico e a outra é baseada em cálculos de Lattice QCD (Cromodinâmica Quântica). Os observáveis de interesse são os espectros de partículas em termos da pseudo rapidez e momento transversal, assim como os coeficientes harmônicos de Fourier que, por sua vez, carregam as anisotropias iniciais do sistema durante toda a sua evolução. Tais observáveis são calculados e comparados com dados experimentais do Large Hadron Collider (LHC). Por fim, os cálculos baseados em parâmetros referentes às energias do LHC são comparados com trabalhos anteriores feitos com base em dados experimentais do Relativistic Heavy-Ion Collider (RHIC). Os principais métodos usados no caso anterior são aplicados a este trabalho, o que resulta em algumas diferenças entre os resultados dos dois tipos de colisão, desde a distribuição de energia inicial a temperaturas de freeze-out.

Esta dissertação de mestrado propõe o estudo e a implementação de um método de deformação usando modelos tridimensionais sem o uso de malhas baseado na técnica Smoothed Particles Hydrodynamics (SPH), que consiste num sistema de resolução de equações diferenciais para aplicação de conceitos físicos para simular deformação de tecidos moles. A opção pelo método sem malha para processo de deformação é apresentado nesta dissertação como alternativa a um dos métodos mais comuns em simulação de deformação de tecidos, o método massa-mola, explorando questões referentes ao uso de recursos computacionais. Para chegada a definição do método foram analisados os temas envolvendo métodos de deformação, modelos baseados em pontos e o SPH como plataformas para alcançar o desenvolvimento do método proposto pela dissertação. Como forma de comprovar as propriedades do método desenvolvido foi realizada a implementação e testes levando em consideração os modelos de deformação e a interação em tempo real num ambiente de simulação que contempla a deformação de uma mama, levando em conta a comparação com o método massa-mola, o uso de recursos do próprio método em função do aumento de detalhe e do uso de objeto com múltiplas propriedades / This master thesis proposes a study and implementation of deformation method using tridimensional models without edge composed meshes based on Smoothed Particles Hydrodynamics (SPH) technique, that consists on diferential equation solving system to reproduce physical concepts to simulate soft tissue deformation. The option for a meshless method to deformation process is shown in this thesis as an alternative to a very common method in tissue deform simulation, the mass-spring method, reviewing a comparison based on computational resources. To achieve a method definition were analyzed fields of study involving deformation methods, point-based models and SPH as platforms to build and deploy the proposed method for this thesis. To show the characteristics for this developed deformation method was realized the implementation and tests based on deformation models and real time interaction on a simulation environment that includes a breast deformation, taking in account the comparison to mass-spring, number of points of the cloud model and multiple properties

Um mecanismo móvel instalado no interior de tanques, e conectado à estrutura por molas é proposto para atenuar os efeitos de sloshing em diferentes níveis de preenchimento. Para realizar o estudo e desenvolvimento deste dispositivo, foram propostas duas ferramentas de análise. A primeira ferramenta é baseada em uma formulação desenvolvida analiticamente que calcula a resposta das forças nas paredes do tanque no domínio da frequência. Esta formulação foi desenvolvida como um sistema mecânico de dois graus de liberdade, onde são representados o corpo móvel e o sloshing descrito como um sistema do tipo massa-mola. A segunda ferramenta é uma abordagem utilizando simulações numéricas baseada em um método de partículas de cálculo de escoamento. O método numérico utilizado foi o Moving Particle Semi-implicit (MPS) que calcula o comportamento do fluido interagindo com o corpo móvel e as paredes do tanque sem restrições de movimento. Resultados qualitativos do método analítico foram analisados e mostraram-se bastante consistentes. Resultados quantitativos dos métodos analíticos e numéricos foram comparados com os resultados presentes na literatura e entre si com uma boa concordância. O método analítico é eficiente no dimensionamento inicial do corpo móvel considerando apenas efeitos lineares, e o método numérico é mais indicado para análises mais detalhadas onde efeitos não-lineares podem ser considerados. A integração dos efeitos do corpo móvel no sloshing mostra que o dispositivo de supressão é eficaz em diferentes razões de preenchimento do tanque na atenuação dos efeitos gerados pelo sloshing. / A movable mechanism installed inside tanks and connected to the structure by springs is proposed to attenuate the sloshing effects for different filling ratios. To carry on the investigation and the development of this device, two analysis approaches were elaborated. The first approach is based on an analytical formulation that describes the coupled motion calculating the sloshing force on the walls in the frequency domain. This formulation was developed as a mechanical system with two degrees of freedom representing the moving body and the sloshing described as a mass-spring system. The second tool is an approach that uses numerical simulations based on a particle method to calculate the fluid flow called Moving Particle Semi- implicit method (MPS). This numerical approach calculates the fluid behavior interacting with the moving body and the tank walls without motions restrictions. Qualitative results of the analytical method were analyzed and they were consistent. Quantitative results of the analytical and numerical approaches were compared with the results found in the literature with good agreement. The analytical method is useful to define the moving device initial design considering only linear effects, and the numerical approach is indicated to more detailed analysis where non-linear effects can take place. The integration of the effects of sloshing with the moving body shows the effectiveness of the device for different filling ratios to attenuate the sloshing loads.

A presente dissertação investiga o comportamento do escoamento em um túnel de cavitação, através de simulações fluido-dinâmicas computacionais, excluindo a bomba de circulação. Para tanto um extenso estudo buscou selecionar a abordagem numérica e configurações de simulação mais adequadas, de uma forma a reproduzir as características hidrodinâmica inerentes à operação do túnel. Portanto, as informações referentes à perda de carga, uniformidade no perfil de velocidade, tendência de cavitação, descolamento e altura da camada limite foram apreciadas. Esse estudo foi direcionado por dados provenientes de métodos empíricos da literatura, resultados experimentais do próprio túnel pesquisado e de outros túneis. Em geral, os resultados foram satisfatórios, pois a perda de carga estimada foi semelhante ao obtido experimentalmente. Além de serem identificados os trechos com efeito desfavorável na uniformidade do escoamento, foram determinadas a distribuição de pressão nas aletas e o perfil de velocidade incidente na bomba. / This study deals with a cavitation tunnel flow (except the pump region) through computational fluid dynamic simulations. Therefore, previously one made a literature survey to aid the selection of the most appropriate techniques and simulation settings to simulate the hydrodynamic characteristics of the tunnel. The pressure drop, uniformity of the velocity profile, existence of cavitation, detachment and height of the boundary layer were evaluated. This study used empirical methods and also experimental results. The results were satisfactory, as long as the estimated pressure drop was close to the one obtained experimentally. In addition, it was forecasted low flow uniformity in some parts of the tunnel, the pressure distribution on the fins and the incident velocity profile at the pump.

Modelos numéricos são importantes ferramentas para avaliação do comportamento de corpos hídricos, notadamente com relação ao decaimento e mistura de constituintes ao longo do tempo. Neste trabalho apresenta-se o método empregado para adaptação e aplicação de um modelo matemático hidrodinâmico 2DH para simulação de variáveis de qualidade das águas a reservatórios rasos ou polimíticos. A descrição do desenvolvimento do modelo empregado (IPH-ECO), do processo de análise das condições do reservatório, seleção de dado intervenientes, discretização espacial e temporal, definição das condições de contorno hidrológicas e de aporto de cargas poluentes, bem como a definição espacial dos pontos de controle para aferição e validação são discutidos. São apresentados os resultados da resposta do modelo aplicado ao Reservatório Billings, em São Paulo. / Numerical models are strong tools to evaluate the fate of pollutants in lakes and reservoirs under transient conditions. This article brings the steps employed for preparation and implementation of a hydrodynamic 2DH model to simulate water quality variables in shallow or polymitc lakes. Description of the adaptation and implementation of IPH-ECO model process, compiling and setting of the hydrological and constituent loadings, spatial and temporal discretization and selection of control points are demonstrated and discussed. Some results of model calibration for Billings Reservoir, Sao Paulo, Brazil, are also presented.

Os principais fenômenos físicos que atuam como forçantes de movimento nos estuários são descarga fluvial, maré e vento. As diferentes intensidades com que cada um pode atuar proporcionam uma vasta gama de combinações e condições distintas, às quais estão submetidos os estuários de todo o mundo. O Complexo Estuarino do Cassurubá (CEC) está sujeito a descargas fluviais com vazões da ordem de 101 m3/s, a mesomarés variando entre 2 e 4 m, e a ventos de E/NE de ordem 101 m/s com algumas entradas de S/SO também de ordem 101 m/s. Contudo, seus canais Norte e Sul apresentam diferentes características hidrográficas e hidrodinâmicas. O objetivo deste trabalho foi confirmar e explicar esta distinção, através de dados de velocidade, temperatura, salinidade e profundidade, com suas respectivas variações temporais. Os objetivos específicos foram direcionados para se testar a hipótese de que a pequena diferença entre as vazões dos rios Caravelas e Peruípe (sendo a deste maior) pode criar configurações estruturais distintas e, consequentemente, gerar alterações no transporte de massa e volume. A análise dos dados demonstrou que ambos os canais estuarinos são influenciados principalmente por fenômenos marinhos, neste caso a maré. Os padrões estruturais e a ciclicidade das variações dos parâmetros estudados foram determinados predominantemente pela maré e a velocidade de suas correntes, com leve influência da descarga fluvial nas estruturas termohalina e hidrodinâmica. Como previsto, a pequena diferença observada a favor do rio Peruípe, associada a características geográficas e batimétricas locais, mostraram-se determinantes para os processos físicos que correm no CEC. Síntese dos resultados: Velocidades máximas de 0,5 m/s nas quadraturas e 1 a 1,5 m/s nas sizígias, em ambos os canais. Circulação estuarina clássica observada nitidamente nas quadraturas. Sizígias mostram mesmo sentido ao longo da coluna d\'água. Maior simetria entre correntes de vazante e enchente durante sizígias, menor durante quadraturas. Nova Viçosa com assimetria mais evidente devido à maior descarga fluvial. Salinidades mínimas de 32 em Caravelas e 17 em Nova Viçosa. Salinidades superiores a 36 em toda a coluna d\'água durante fases de sizígia, associadas às temperaturas de 28º, constataxv se a intrusão da Água Tropical em ambos os canais estuarinos. Temperatura passou de 25 ºC no inverno para 28 ºC no verão, em ambos. O canal de Caravelas mostrou-se importador durante três campanhas e exportador em apenas uma, porém com maior intensidade. O canal de Nova Viçosa mostrouse exportador durante as quatro campanhas. Onda de maré comportou-se como progressiva em Caravelas no inverno, e como estacionária no verão. Em Nova Viçosa foi como estacionária o tempo todo. Processos de mistura dominaram na maior parte do tempo. Estratificações formadas mais em quadratura e em torno de estofas. Classificações estação A - transição entre 1a e 2a - colunas bem misturadas, com fraca estratificação vertical; estação C - transição entre 1a, 2a, 1b e 2b - com apreciável estratificação nas quadraturas e colunas bem misturadas nas sizígias. Predomínio da difusão turbulenta no transporte de sal rio acima em A. Em C, boa participação da advecção nas quadraturas. / River discharge, tidal currents and wind stress are the main physical phenomena that drive estuarine circulation. Each of these parameters can act in different intensities, resulting in a vast diversity of estuary characteristics. Cassurubá Estuarine Complex (CEC) is influenced by river discharges on the order of 10 m3/s, mesotides ranging between 2 and 4 m, NE wind speeds of around 10 m/s, and occasionally SW winds of around 10 m/s. An interesting feature of the CEC is the distinct hydrographic and hydrodynamic characteristics between its north and south channels. In this way, the objective of this study is to corroborate and explain this dissimilarity, using data of depth, water and wind velocities, water temperature and salinity, as well as their temporal variations. Specific objectives are to test the hypothesis that small differences between Caravelas and Peruípe rivers discharges (where the latter is the largest one) can create different structural configurations of those parameters and, consequently, cause variations in mass and volume transport. Data analysis showed that both channels are mainly influenced by marine phenomenon, in this case tides. Patterns of structural and cyclical variations of studied parameters were determined mainly by tides and speed of their currents, with slight river discharge influence in thermohaline structure and hydrodynamics. As expected, the small difference observed in favor of Peruípe River, associated with local geographic and bathymetric characteristics, proved to be decisive for the physical processes that occur in CEC. Summary of results: maximum speed of 0.5 m/s in neaps and 1 to 1.5 m/s in springs, in both channels. Classical estuarine circulation observed clearly in neaps. Springs show same direction along the water column. Greater symmetry observed between ebb and flood currents during spring. Nova Viçosa showed more evident asymmetry due to higher river discharge. Minimum of salinity was 32 and 17, in Caravelas and Nova Viçosa, respectively. It reached values greater than 36 through water column during springs, associated with 28ºC temperatures, it indicates de intrusion of Tropical Water in both channels. Temperatures varied from 25 º C in winter to 28 º C in summer. Caravelas xvii channel was importer during three campaigns and exporter during one, but this one with greater intensity. Nova Viçosa channel was exporter during four campaigns. Tidal wave behaved as progressive in Caravelas estuary during winter and stationary in summer. Peruípe estuary showed stationary characteristics all campaigns. Mixing processes dominated most of time. Stratifications formed mainly in neap and around tide inversions. Classification station A - between 1a and 2a - well mixed, with weak vertical stratification; station C - between 1a, 2a, 1b, 2b - appreciable stratification in neaps and well mixed in springs. There was predominance of turbulent diffusion in upestuary transport of salt in station A. In station C, a greater role of advection appeared in neaps.

O presente trabalho é focado no estudo dos violentos fenômenos de impacto hidrodinâmico que podem prejudicar a operação de plataformas offshore. São três os fenômenos abordados neste trabalho: o green water, o wave runup e o sloshing. O fenômeno de wave runup consiste na projeção vertical de uma coluna de água devido ao impacto de ondas em estruturas transversais. O fenômeno de green water consiste no embarque de água no convés, podendo danificar os equipamentos da planta de produção. Por fim, o sloshing consiste no movimento violento de fluído em tanques parcialmente preenchidos, resultando em perigosos carregamentos em suas paredes. Tais fenômenos possuem natureza altamente não linear e sua análise, considerando-se toda a sua complexidade, ainda constitui um desafio para a engenharia naval e oceânica. Os métodos de partículas têm se destacado no tratamento de tais fenômenos envolvendo interação fluído-estruturas, grandes deformações e fragmentação de superfície livre. Desta maneira, optou-se pelo emprego do método de partículas Moving Particles Semi-Implicit (MPS) neste trabalho para o estudo dos fenômenos de impacto hidrodinâmico. O MPS é um método totalmente lagrangeano para escoamentos incompressíveis. Para os três fenômenos abordados neste trabalho há uma primeira etapa de validação, na qual os resultados numéricos são comparados a resultados experimentais da literatura. Uma segunda etapa é baseada na aplicação do método numérico na análise de ferramentas para a mitigação dos esforços resultantes do impacto hidrodinâmico. Nesta etapa é investigada a influência do formato da proa no fenômeno de green water e a utilização de anteparas fixas e flutuantes para a mitigação de sloshing em tanques. / The present work is focused in the study of the violent hydrodynamic impact phenomenon which could jeopardize the offshore platforms operation. In this work three different phenomena involving hydrodynamic impact are studied: green water, wave runup and sloshing. The wave runup consists in the vertical projection of a water column due to wave impact on a transversal structure, such as submersible columns. The green water consists in the water boarding on the deck which could damage the equipment over the oil platform deck. Finally, the sloshing phenomenon is the violent movement of fluid in partially filled tanks, resulting in dangerous impact loads at its walls. The hydrodynamic impact phenomenon has strongly non linear nature and is still a challenge for the naval and offshore engineering its analysis considering all its complexity. The particle methods present advantages in the analysis of phenomena involving fluid structure interaction, large free surface deformation, fragmentation and merging. Therefore, in the present study the Moving Particles Semi-Implicit (MPS) method is used. The MPS is a fully lagrangian method for the simulation of incompressible flows. For the three phenomena studied in the present work a first step of validation is performed. In the validation step the numerical results obtained by the particle method are compared to experimental data presented in the literature. The second step consists in the application of the numerical method to investigate simple mechanisms to mitigate the hydrodynamic impact loads. For example, the effect of the bow shape in the green water phenomenon is studied. Also in this step the use of fixed and floating baffles in order to suppress the sloshing phenomenon are investigated.

Devido ao processo de urbanização sem planejamento adequado, as cidades costeiras sofrem com as inundações e erosão das praias com a elevação do nível do mar e ação de ondas. Entre as estruturas mais utilizadas para proteção de praias destacam-se os quebra-mares segmentados. Para estudar e prever as respostas praiais à presença destas estruturas, podem ser empregados modelos numéricos, capazes de calcular os processos complexos deste ambiente. Este trabalho teve como objetivo o estudo da resposta hidrodinâmica e sedimentar de uma praia com a implantação de quebra-mares segmentados. O modelo hidrodinâmico utilizado é o MIKE21FM acoplado ao modelo de ondas SW e sedimentos ST e SM. Primeiramente, foram impostas condições hidrodinâmicas simplificadas e diferentes arranjos de quebra-mares segmentados. As áreas erodidas e acrescidas após a implantação da obra foram comparadas e priorizou-se minimizar a área erodida. Em seguida, foram considerados os cenários de condições hidrodinâmicas variadas com uma das estruturas. Os resultados são apresentados em termos de altura significativa e potência de onda para 18 casos de condições hidrodinâmicas constantes, as quais foram feitas variar em nível e características da onda. Para a condição hidrodinâmica mais crítica, obteve-se uma redução de 0,4m da altura significativa média e 2kW/m da potência média da onda. Através desses resultados é possível aquilatar a proteção da região da praia da ação das ondas após a implantação da estrutura. Além disso, foram feitas duas simulações com 3 a 4 meses de evolução do fundo em condições hidrodinâmicas reais, com o intuito de apresentar qualitativamente as áreas de erosão e acreção do fundo da praia. Resultados mostraram que a deriva litorânea local tem direção sudeste, para a Ponta da Praia. Foi observada sedimentação no tardoz dos segmentos e na região de sombra e erosão nas áreas entre segmentos e a frente destes. Com isso, este trabalho colabora com o gerenciamento costeiro na região de Santos, apresentando o início de uma pesquisa para uma possível solução para os problemas de inundação e erosão da região da Ponta da Praia. / Erosion and flooding are common problems faced by coastal cities as a consequence of urbanization process without previous planning, with the sea level rise and the wave action. In order to mitigate these problems, shoreline protection structures are constructed along the coastlines, such as segmented breakwaters. Numerical models are tools frequently used in these studies because of its capacity of calculating the complex processes on a coastal environment. This study aim is to present a study based on the hydrodynamic and sediment transport response of a curved beach to the presence of segmented emerged breakwaters. The numerical model used is the MIKE21FM coupled with wave spectral and sediment transport modules. Firstly, constant boundary conditions were applied for the period of one year in order to understand the response of the beach to five different designs of coastal breakwaters. One of these structures were chosen to continue the study based on the area and length of the beach eroded and accreted. Secondly, eighteen different scenarios of wave and water level were applied to the selected structure and the protection of wave action were compared and analyzed. To the most critical hydrodynamic condition, the structure reduced 0,4 m of the mean significant wave height and 2 kW/m of the mean wave power. Finally, two real hydrodynamic conditions were applied and the sediment transport was qualitatively analyzed. Results show that the littoral drift in the studied area is directed to the southeast end of the beach, straight to the Ponta da Praia, without the spur breakwater, the sediment would end inside the navigation channel. Besides that, it shows the sedimentation and erosion patterns at the beach generated by the presence of the breakwater. The sediment is accumulated at the shadow area and at the lee, whereas the erosion is located at the front of the breakwaters and between the segments, as expected. Therefore, this study collaborates with the management of Santos, by presenting herewith a possible solution for the inundation and erosion problems of this area.