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[pt] Esta tese propõe um método meshfree adaptativo de advecção para problemas de fluxo bifásico de fluidos incompressíveis e imiscíveis em meios porosos heterogêneos tridimensionais. Este método se baseia principalmente na combinação do método Semi-Lagrangeano adaptativo com interpolação local meshfree usando splines poliharmônicas como funções de base radial. O método proposto é uma melhoria e uma extensão do método adaptativo meshfree AMMoC proposto por Iske e Kaser (2005) para modelagem 2D de reservatórios de petróleo. Inicialmente este trabalho propõe um modelo em duas dimensões, contribuindo com uma melhoria significativa no cálculo do Laplaciano, utilizando os métodos meshfree de Hermite e Kansa. Depois, o método é ampliado para três dimensões (3D) e para um meio poroso heterogêneo. O método proposto é testado com o problema de five spot e os resultados são comparados com os obtidos por sistemas bem conhecidos na indústria de petróleo. / [en] This thesis proposes an adaptive meshfree advection method for two-phase flow problems of incompressible and immiscible fluids through three-dimensional heterogeneous porous media. This method is based mainly on a combination of adaptive semi-Lagrangian method with local meshfree interpolation using polyharmonic splines as radial basis functions. The proposed method is an improvement and extension of the adaptive meshfree advection scheme AMMoC proposed by Iske and Kaser (2005) for 2D oil reservoir modeling. Initially this work proposes a model in two dimensions, contributing to a significant improvement in the calculation of the Laplacian, using the meshfree methods of Hermite and Kansa. Then, the method is extended to three dimensions (3D) and a heterogeneous porous medium. The proposed method is tested with the five spot problem and the results are compared with those obtained by well-known systems in the oil industry.

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.

Ce travail propose tout d'abord une synthèse des principales méthodes sans maillage (i.e. meshfree) existant actuellement (DEM, EFGM, h-p Clouds, SPH, RKPM, RKI, MLS/RK, PIM, RPIM, MLS/RBF, etc.), en fournissant une écriture commune à toutes les méthodes et en mettant ainsi directement en évidence les spécificités de chacune vis-à-vis de la construction des fonctions de forme. Plusieurs techniques spécifiques à la mise en œuvre numérique des méthodes meshfree sont également présentées et discutées. Les performances des différentes méthodes et techniques sont enfin comparées pour des tests mécaniques standards. Ce travail présente par ailleurs le modèle dynamique non linéaire utilisé pour modéliser les milieux poreux saturés en transformations finies, ainsi que les approches classiques pour établir la loi de comportement de la phase solide. Ce modèle est évalué sur diverses applications géomécaniques, en comparant les résultats obtenus pour différentes méthodes avec et sans maillage.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Neste trabalho, foi desenvolvido um simulador numérico baseado no método livre de malhas Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) para a resolução de escoamentos de fluidos newtonianos incompressíveis. Diferentemente da maioria das versões existentes deste método, o código numérico faz uso de uma técnica iterativa na determinação do campo de pressões. Este procedimento emprega a forma diferencial de uma equação de estado para um fluido compressível e a equação da continuidade a fim de que a correção da pressão seja determinada. Uma versão paralelizada do simulador numérico foi implementada usando a linguagem de programação C/C++ e a Compute Unified Device Architecture (CUDA) da NVIDIA Corporation. Foram simulados três problemas, o problema unidimensional do escoamento de Couette e os problemas bidimensionais do escoamento no interior de uma Cavidade (Shear Driven Cavity Problem) e da Quebra de Barragem (Dambreak). / In this work a numerical simulator was developed based on the mesh-free Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) method to solve incompressible newtonian fluid flows. Unlike most existing versions of this method, the numerical code uses an iterative technique in the pressure field determination. This approach employs a differential state equation for a compressible fluid and the continuity equation to calculate the pressure correction. A parallel version of the numerical code was implemented using the Programming Language C/C++ and Compute Unified Device Architecture (CUDA) from the NVIDIA Corporation. The numerical results were validated and the speed-up evaluated for an one-dimensional Couette flow and two-dimensional Shear Driven Cavity and Dambreak problems.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Neste trabalho, foi desenvolvido um simulador numérico baseado no método livre de malhas Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) para a resolução de escoamentos de fluidos newtonianos incompressíveis. Diferentemente da maioria das versões existentes deste método, o código numérico faz uso de uma técnica iterativa na determinação do campo de pressões. Este procedimento emprega a forma diferencial de uma equação de estado para um fluido compressível e a equação da continuidade a fim de que a correção da pressão seja determinada. Uma versão paralelizada do simulador numérico foi implementada usando a linguagem de programação C/C++ e a Compute Unified Device Architecture (CUDA) da NVIDIA Corporation. Foram simulados três problemas, o problema unidimensional do escoamento de Couette e os problemas bidimensionais do escoamento no interior de uma Cavidade (Shear Driven Cavity Problem) e da Quebra de Barragem (Dambreak). / In this work a numerical simulator was developed based on the mesh-free Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) method to solve incompressible newtonian fluid flows. Unlike most existing versions of this method, the numerical code uses an iterative technique in the pressure field determination. This approach employs a differential state equation for a compressible fluid and the continuity equation to calculate the pressure correction. A parallel version of the numerical code was implemented using the Programming Language C/C++ and Compute Unified Device Architecture (CUDA) from the NVIDIA Corporation. The numerical results were validated and the speed-up evaluated for an one-dimensional Couette flow and two-dimensional Shear Driven Cavity and Dambreak problems.

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.