Submitted by Pedro Barros (pedro.silvabarros@ufpe.br) on 2018-09-21T19:43:58Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) TESE Fernando Raul Licapa Contreras.pdf: 6260685 bytes, checksum: d6d66a2bde6c2b142b3b9f666d333f4e (MD5) / Approved for entry into archive by Alice Araujo (alice.caraujo@ufpe.br) on 2018-09-24T23:13:56Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) TESE Fernando Raul Licapa Contreras.pdf: 6260685 bytes, checksum: d6d66a2bde6c2b142b3b9f666d333f4e (MD5) / Made available in DSpace on 2018-09-24T23:13:56Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) TESE Fernando Raul Licapa Contreras.pdf: 6260685 bytes, checksum: d6d66a2bde6c2b142b3b9f666d333f4e (MD5) Previous issue date: 2017-01-10 / FACEPE / No presente trabalho apresentamos formulações numéricas para a discretização de um modelo matemático que descreve o escoamento bifásico de água e óleo em reservatórios de petróleo heterogêneos e anisotrópicos. Estas equações são resolvidas através da metodologia IMPES (Implicit Pressure Explicit Saturation) que é, em particular, um método segregado para tratar escoamento bifásico (água-óleo) em que, o campo de pressão é obtida implicitamente e o campo de saturação é obtida explicitamente. Para resolver a equação de pressão propormos formulações numéricas baseadas no método de volumes finitos lineares (a saber: MPFA-HD e MPFA-H) e no método de volumes finitos não lineares (a saber: NLFV-PP e NLFV-DMP), estas formulações em geral lidam com meios altamente heterogêneos e anisotrópicos sobre malhas poligonais em geral. De outra parte, neste trabalho são estudadas as varias propriedades numéricas que satisfazem as formulações numéricas propostas. Além disso, no caso do método não linear que satisfaz o principio do máximo discreto (DMP), mostramos que este possui um estêncil pequeno desde que os pontos de interpolação sejam calculados a partir dos pontos harmônicos. Para resolver a equação de saturação, utilizamos um método multidimensional nomeada MOOD (Multi-dimensional Optimal Order Detection), esta método é baseada numa discretização espacial de alta ordem com procedimento de limitação a posteriori das variáveis de estado (i. e. saturação) não físicos. Em cada volume de controle o grau polinomial ótimo é determinado para construir uma aproximação das soluções respeitando o principio do máximo discreto. Mediante um processo iterativo o grau polinomial é reduzido quando o volume de controle em questão não satisfaz as condições de estabilidade. Neste método, uma estratégia baseada na Técnica de Mínimos Quadrados é usada para a reconstrução polinomial. Todos métodos propostos são localmente conservativos, e todas as incógnitas são completamente centradas nos volumes de controle, e possuem a habilidade de representar reservatórios com propriedades geológicas complexas utilizando malhas poligonais quaisquer. O desempenho dessas foi avaliado a partir da solução de problemas relevantes encontrados na literatura. / In the present work we present numerical formulations for the discretization of a mathematical models that describes the two-phase flow of water and oil in heterogenous and anisotropic oil reservoirs. These equations are solved through Implicit Pressure Explicit Saturation (IMPES) methodology which is in particular a segregated method to treat two-phase (water-oil) flow in which the pressure field is implicitly obtained and the saturation field is obtained explicitly. In order to solve the pressure equation we propose numerical formulations based on the finite linear volume method (MPFA-HD and MPFA-H) and non-linear finite volume method (NLFV-PP and NLFV-DMP). Formulations generally deal with highly heterogeneous and anisotropic media over polygonal meshes in general. On the other hand, in this work the numerical properties that satisfy the proposed numerical formulations are studied. In addition, in the case of the non-linear method that satisfies the discrete maximum principle (DMP), we show that it has a small stencil since the interpolation points are calculated from the harmonic points. To solve the saturation equation, we use a multidimensional method named MOOD (Multidimensional Optimal Order Detection), this method is based on a high order spatial discretization with a posteriori limitation procedure of the non-physical state variables (saturation). In each control volume the optimum polynomial degree is determined to construct an approximation of the solutions respecting the discrete maximum principle. By means of an iterative process the polynomial degree is reduced when the control volume in question does not satisfy the stability conditions. In this method, a strategy based on the Least Squares technique is used for polynomial reconstruction. All proposed methods are locally conservative, and all unknowns are completely centered on control volumes, and have the ability to represent reservoirs with complex geological properties using any polygonal meshes. The performance of these was evaluated from the solution of relevant problems found in the literature.

Este trabalho tem como principal objetivo o desenvolvimento de um método numérico para simulação das grandes escalas de escoamentos turbulentos tridimensionais utilizando uma modelagem de turbulência baseada em filtragem temporal (denominada TLES - Temporal Large Eddy Simulation). O método desenvolvido combina discretizações temporais com ordem de mínima precisão 2 (Adams-Bashforth, QUICK, Runge-Kutta), um método de projeção de ordem 2, com discretizações espaciais também de ordem 2 obtidas pelo método de volumes finitos. Esta metodologia foi empregada na simulação de problemas teste turbulentos como o canal e a cavidade impulsionada, sendo este último resultado simulado pela primeira vez com modelagem TLES. Os resultados mostram uma excelente concordância quando comparado com resultados de simulações diretas (DNS) e dados experimentais, superando resultados clássicos obtidos com formulação LES com filtragem espacial. / The main objective of this work is to develop a numerical method for large eddy simulation of tridimensional turbulent flows using a model based on temporal filtering (TLES - Temporal Large Eddy Simulation). The developed method combines at least 2nd order temporal discretizations (Adams-Bashforth, QUICK, Runge-Kutta), a 2nd order projection method, and 2nd order spatial discretizations obtained by the finite volume method. This methodology was employed to the simulation of turbulent benchmark problems such as channel and lid-driven cavity flows. The latter is simulated for the first time using a TLES turbulence modelling. Results show excellent agreement when compared to Direct Numerical Simulations (DNS) and experimental data, with better results than classical results produced by standard LES formulation with spatial filtering.

O objetivo desse trabalho consiste no estudo de métodos de identificação de parâmetros em problemas envolvendo a equação de advecção-difusão 2D. Essa equação é resolvida utilizando o método dos volumes finitos, sendo empregada métodos de reconstrução de alta ordem em malhas não-estruturadas de triângulos para calcular os fluxos nas faces dos volumes de controle. Como ferramenta de busca dos parâmetros é empregada a técnica baseadas em gradientes, sendo os mesmos calculados utilizando processos baseados em métodos adjuntos. / The aim of this work concern to study parameter identification methods on problems involving the advection-diffusion equation in two dimensions. This equation is solved employing the finite volume methods, and high-order reconstruction methods, on triangle unstructured meshes to solve the fluxes across the faces of control volumes. As parameter searching tool is employed technicals based on gradients. The gradients are solved using processes based on adjoint methods.

O presente trabalho consiste no estudo, implementação e análise de métodos não-oscilatórios de alta ordem de precisão em malhas não-estruturadas através da técnica de volumes finitos. A motivação deste trabalho surge da necessidade de se ter simulações acuradas para os escoamentos com altos números de Mach e, portanto, com fortes descontinuidades, que se pretende analisar. Nos últimos anos, o grupo de dinâmica dos fluidos computacional do Instituto de Aeronáutica e Espaço vem desenvolvendo ferramentas computacionais capazes de capturar com precisão as descontinuidades, ondas de choque e superfícies de contato, presentes nos escoamentos aerodinâmicos de interesse. O objetivo principal do presente trabalho de pesquisa consiste em estudar os esquemas essencialmente não-oscilatórios, do inglês essentially non-oscillatory (ENO), e os esquemas essencialmente não-oscilatórios ponderados, do inglês weighted essentially non-oscillatory (WENO). Os esquemas ENO e WENO foram desenvolvidos com o propósito de capturar com acurácia descontinuidades presentes em problemas governados por equações diferenciais parciais hiperbólicas. No desenvolvimento deste trabalho, vai-se utilizar uma ferramenta numérica de simulação de escoamentos compressíveis em duas dimensões já desenvolvida pelo atual grupo de pesquisa. Esta ferramenta resolve as equações governantes da mecânica dos fluidos através da técnica de volumes finitos com uma formulação que atribui os valores das propriedades conservadas aos centróides dos volumes de controle. O código numérico trata de malhas com qualquer geometria poligonal, como triângulos e quadriláteros, além de malhas híbridas compostas por ambos os elementos. As equações de Euler em duas dimensões representam os escoamentos de interesse no presente trabalho. O processo de reconstrução dos esquemas ENO e WENO é descrito em detalhes para polinômios lineares, quadráticos e cúbicos e, portanto, para esquemas numéricos de segunda, terceira e quarta ordem de precisão. Estes polinômios interpolam variáveis primitivas em pontos de quadraturas de Gauss utilizando moléculas de cálculo determinadas por vizinhanças compostas por volumes de controle adjacentes a um volume principal. Métodos upwind são utilizados para se aproximar os valores dos fluxos nas faces dos volumes de controle. As discretizações temporais são efetuadas por esquemas do tipo Runge-Kutta de alta ordem. Uma ferramenta multigrid é utilizada para acelerar a convergência dos esquemas para soluções de estado estacionário e uma técnica de refinamento adaptativo de malha é utilizada para melhorar a qualidade da malha em regiões com altos gradientes das propriedades do escoamento. Aplicações em escoamentos aerodinâmicos de interesse são realizadas e os resultados são comparados com a literatura e com os métodos previamente implementados pelo grupo de pesquisa.

O objetivo desse trabalho consiste no estudo de métodos de identificação de parâmetros em problemas envolvendo a equação de advecção-difusão 2D. Essa equação é resolvida utilizando o método dos volumes finitos, sendo empregada métodos de reconstrução de alta ordem em malhas não-estruturadas de triângulos para calcular os fluxos nas faces dos volumes de controle. Como ferramenta de busca dos parâmetros é empregada a técnica baseadas em gradientes, sendo os mesmos calculados utilizando processos baseados em métodos adjuntos. / The aim of this work concern to study parameter identification methods on problems involving the advection-diffusion equation in two dimensions. This equation is solved employing the finite volume methods, and high-order reconstruction methods, on triangle unstructured meshes to solve the fluxes across the faces of control volumes. As parameter searching tool is employed technicals based on gradients. The gradients are solved using processes based on adjoint methods.

Esta tese apresenta um modelo matemático para simulação numérica do escoamento com turbilhonamento (swirl) em tochas de plasma térmico de arco não transferido que operam em corrente contínua, assim como os resultados obtidos com as simulações para estudo de casos. O modelo magneto-hidrodinâmico (modelo MHD) bidimensional permitiu simular a interação entre o escoamento e o arco elétrico usando uma configuração axissimétrica, que abrange as seguintes regiões: entrada do gás; interior da tocha; jato de plasma livre no ambiente. O modelo foi implementado num código numérico baseado no Método dos Volumes Finitos para a solução numérica das equações governantes. Para os estudos foram simulados casos com diferentes condições operacionais (vazão de gás; intensidade de corrente elétrica; gases plasmogênicos: ar e argônio; intensidade de turbilhonamento). A fim de verificar a qualidade do modelo, alguns resultados foram comparados com a literatura e apresentaram boa concordância: a maior diferença obtida entre valores de temperatura experimentais e valores calculados foi -10%, e a média das diferenças obtidas nas comparações foi de aproximadamente ±3,2%. Os perfis de temperatura e de velocidade obtidos para a região do arco e para o jato de plasma resultante permitiram o estudo do comportamento do escoamento na tocha de plasma em diferentes condições. Conclui-se que o modelo desenvolvido é apto à realização de investigações numéricas do escoamento em tochas de plasma e dos efeitos do turbilhonamento na interação arco/escoamento. / This thesis presents a mathematical model for numerical simulation of swirling flow in DC non-transferred arc thermal plasma torches, as well as the results obtained from simulations to case studies. The two-dimensional magnetohydrodynamic model (MHD model) allowed simulate the interaction between the flow and the electric arc using an axisymmetric configuration, covering the following areas: gas inlet; inside the torch; free jet of plasma in the environment. The model was implemented in a computer code based on the Finite Volume Method (FVM) to enable the numerical solution of the governing equations. For the study, cases were simulated with different operating conditions (gas flow rate; electric current intensity; plasmogenic gases: air and argon; swirl intensity). In order to verify the quality of the model, some results were compared with the literature and showed good agreement: the biggest difference between experimental temperature values and calculated values was 10%, and the average of the differences obtained in the comparisons was approximately ±3.2%. The resulting profiles of temperature and velocity obtained for the region of the arc and the plasma jet allowed the study of the flow behavior in the plasma torch in different conditions. It is concluded that the model developed is able to carry out numerical investigations of the flow in plasma torches and the effects of swirl in the interaction arc/flow.

O presente trabalho trata de construir um modelo computacional utilizando o método dos volumes finitos para malhas não-estruturadas, a fim de se calcular a carga hidráulica num meio poroso, considerando este meio não homogêneo e anisotrópico. A anisotropia é uma característica de muitos materiais encontrados na natureza e depende da propriedade estudada no meio. Primeiramente apresenta-se a dedução da equação do transporte advectivo dispersivo e a formulação matemática para a equação de Laplace, esta última utilizada para o cálculo da carga hidráulica. Em seguida, apresenta-se o algoritmo de solução de um programa computacional em linguagem C++ que permite calcular a velocidade do fluxo em cada face de um volume de controle. Finalmente são feitos vários testes para validação do código computacional utilizado, o que levou a crer que o método utilizado é eficaz para os tipos de malhas testados, apresentando algumas diferenças quanto ao erro da solução. / The present work build a computational model using the finite volumes method for unstructured meshes, with the purpose of calculating the hydraulic load in a porous medium, considering it material non - homogeneous and anisotropic. The Anisotropy is a characteristic of many materials found in the nature and it depends on the property studied in this material. First, we present the deduction of the equation of advective-dispersive transport and the mathematical formulation for the Laplaces equation, this last one used for the calculation of the hydraulic load. Soon afterwards, we present the solution algorithm of a computational program in the C++ language that allows to calculate the speed of the flow in each face of the control volume. Finally several tests for validation of the code are made, which makes it that the plausible to assume method is effective for the types of meshes tested, presenting some differences for the wrong solution.

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.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:56:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 3506.pdf: 2271432 bytes, checksum: fc1d05123fb3be32395a9e84b2da5ad8 (MD5) Previous issue date: 2011-02-25 / Universidade Federal de Sao Carlos / This work investigated numerical methods in the solution of mathematical models of fixed-bed reactors. For the reactors modeling and simulation, two numerical methods were used: sequencing method (SM) and finite volume method (FVM). There were also proposed two mathematical models: the pseudo-homogeneous model and the dimensionless one, which is based on the Peclet (Pe) and Biot (Bi) numbers. A horizontal-flow anaerobic immobilized sludge (HAIS) reactor developed in bench scale and after a scale-up, reducing the COD in the wastewater treatment was simulated by sequencing method, varying the numbers of mesh; a tubular fixed-bed reactor with biomass immobilized for the startup period of lactic acid fermentation, also simulated by sequencing method and compared with experimental data; and was also evaluated the precision of sequencing and finite volume methods over the reactor s profile, varying the Peclet e Biot numbers. The models development was based on studies about hydrodynamics and biochemistry kinetics. Both methods described satisfactorily the behavior of the reactors in the performed simulations, but in high values of Peclet, the finite volume method generated inadequacies such as oscillatory responses and over the limit. This paper is an elucidation to sequencing method, which besides its huge range and simplicity, still is not so studied neither known, because it s a recent method. / Este trabalho investigou metodos numericos na solucao de modelos matematicos para reatores de leito fixo. Para a modelagem e simulacao dos reatores, foram utilizados dois metodos numericos: metodo da sequencia (SM) e metodo dos volumes finitos (FVM). Foram propostos dois modelos matematicos: o pseudo-homogeneo e o adimensional, sendo este ultimo baseado nos numeros de Peclet (Pe) e Biot (Bi). Um reator anaerobio horizontal de leito fixo (RAHLF) desenvolvido inicialmente em escala de bancada e posterior aumento de escala na reducao da DQO de aguas residuarias foi simulado pelo metodo da sequencia, variando-se o numero de malhas; um reator tubular de leito fixo com biomassa anaerobia imobilizada no periodo da partida da fermentacao de acido latico, tambem simulado pelo metodo da sequencia e comparado com dados experimentais; e avaliou-se a precisao dos metodos da sequencia e dos volumes finitos sobre o perfil da concentracao de um reator, variando-se os valores de Peclet e Biot. O desenvolvimento dos modelos foi baseado em estudos sobre caracteristicas hidrodinamicas do sistema e de cinetica bioquimica. Ambos os metodos descreveram satisfatoriamente o comportamento dos reatores nas simulacoes realizadas, porem em valores elevados de Peclet, o metodo dos volumes finitos gerou inadequacoes como respostas oscilatorias e superiores ao limite. Este trabalho foi uma elucidacao ao metodo da sequencia, que apesar da sua grande abrangencia e simplicidade, por ser um metodo recente, ainda e pouco estudado e conhecido.