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[pt] APLICAÇÃO DE TÉCNICAS DE REDES NEURAIS PARA A MELHORIA DA MODELAGEM DA TURBULÊNCIA, UTILIZANDO DADOS EXPERIMENTAIS / [en] APPLICATION OF NEURAL NETWORK TECHNIQUES TO ENHANCE TURBULENCE MODELING USING EXPERIMENTAL DATALEONARDO SOARES FERNANDES 12 March 2024 (has links)
[pt] Apesar dos recentes avanços tecnológicos e do surgimento de computadores
extremamente rápidos, a simulação numérica direta de escoamentos turbulentos
ainda é proibitivamente cara para a maioria das aplicações de engenharia e até
mesmo para algumas aplicações de pesquisa. As simulações utilizadas são, no geral,
baseadas em grandezas médias e altamente dependentes de modelos de turbulência.
Apesar de amplamente utilizados, tais modelos não conseguem prever
adequadamente o escoamento médio em muitas aplicações, como o escoamento em
um duto quadrado. Com o reflorescimento do Aprendizado de Máquina nos últimos
anos, muita atenção está sendo dada ao uso de tais técnicas para substituir os
modelos tradicionais de turbulência. Este trabalho estudou o uso de Redes Neurais
como alternativa para aprimorar a simulação de escoamentos turbulentos. Para isso,
a técnica PIV-Estereoscópico foi aplicada ao escoamento em um duto quadrado
para obter dados experimentais de estatísticas do escoamento e campos médios de
velocidade de 10 casos com diferentes números de Reynolds. Um total de 10
metodologias foram avaliadas para entender quais grandezas devem ser previstas
por um algoritmo de aprendizado de máquina para obter simulações aprimoradas.
A partir das metodologias selecionadas, excelentes resultados foram obtidos com
uma Rede Neural treinada a partir dos dados experimentais para prever o termo
perpendicular do Tensor de Reynolds e a viscosidade turbulenta. As simulações
turbulentas auxiliadas pela Rede Neural retornaram campos de velocidade com
menos de 4 por cento de erro, em comparação os dados medidos. / [en] Although the technological advances that led to the development of fast
computers, the direct numerical simulation of turbulent flows is still prohibitively
expensive to most engineering and even some research applications. The CFD
simulations used worldwide are, therefore, based on averaged quantities and
heavily dependent on mathematical turbulence models. Despite widely used, such
models fail to proper predict the averaged flow in many practical situations, such
as the simple flow in a square duct. With the re-blossoming of machine learning
methods in the past years, much attention is being given to the use of such
techniques as a replacement to the traditional turbulence models. The present work
evaluated the use of Neural Networks as an alternative to enhance the simulation of
turbulent flows. To this end, the Stereoscopic-PIV technique was used to obtain
well-converged flow statistics and velocity fields for the flow in a square duct for
10 values of Reynolds number. A total of 10 methodologies were evaluated in a
data-driven approach to understand what quantities should be predicted by a
Machine Learning technique that would result in enhanced simulations. From the
selected methodologies, accurate results could be obtained with a Neural Network
trained from the experimental data to predict the nonlinear part of the Reynolds
Stress Tensor and the turbulent eddy viscosity. The turbulent simulations assisted
by the Neural Network returned velocity fields with less than 4 percent in error, in
comparison with those previously measured.
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Modelagem e simulação do escoamento em aqüíferos livres sotopostos a zonas urbanas / Modeling and simulation of groundwater flow in the urban areas free sotopostosMiranda, Michelle Crescêncio de 26 April 2012 (has links)
Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This study discusses the mathematical modeling of groundwater flows, and the bases for
the development of a numerical model that simulates the flow in unconfined aquifers,
affected by singularities like wells and interconnected streams. The main application of
the model is directed to urban areas with water wells. Numerical approximations are used
to estimate changes of the piezometric levels, groundwater drawdowns and water flow
rates in the aquifer caused by simultaneous pumping from multiple wells. In this study, we
used the finite differences method for the numerical treatment of the differential governing
equation. In this context, all spatial derivatives were discretized by central differences of
the second order. Two explicit schemes were used for the treatment of the temporal
derivative: the first order Euler scheme, and the fourth order Adams-Bashforth scheme.
Two schemes were also used to model the sinks, that is the extraction of water by the
wells. The results of these two schemes are compared with a hybrid model that uses
analytical solutions in small areas within the radius of influence of the wells, a numerical
solution in the remaining area. As a case study, the model is applied to our area situated in
the urban fabric of the city of Araguari (MG), in the area of the Bauru aquifer. The model
has the potential to help future guidelines for the management of the free aquifers
underlying urban areas, intending its best use, and indicating possible saturation places of
exploitation. / O presente trabalho aborda a modelagem matemática do escoamento de águas
subterrâneas. E os fundamentos para elaboração de um modelo numérico que simule o
escoamento em aquíferos não confinados, submetidos a singularidades como poços e
córregos interconectados. O modelo visa à aplicação preferencial em zonas urbanas que
apresentam poços tubulares distribuídos na sua área. São utilizadas aproximações
numéricas com o objetivo de estimar as mudanças nas cotas piezométricas, os
rebaixamentos do lençol freático e as velocidades de escoamento da água no aquífero,
ocasionadas pelo bombeamento simultâneo de múltiplos poços. Neste trabalho, utilizou-se
o método de diferenças finitas para tratamento numérico da equação diferencial
governante. Neste contexto, todas as derivadas espaciais foram discretizadas por diferenças
centrais de segunda ordem. Dois esquemas explícitos foram utilizados para o tratamento da
derivada temporal: o esquema de Euler, de primeira ordem, e o esquema de Adams-
Bashforth, de quarta ordem. Também foram utilizadas duas alternativas para modelação do
termo sumidouro, que representa a extração de água pelos poços. Os resultados desses dois
esquemas são comparados com um modelo híbrido que utiliza soluções analíticas em áreas
pequenas, dentro do raio de influência dos poços e, nas outras áreas, uma solução numérica
por diferenças finitas. A área de aplicação do modelo situa-se sob a malha urbana da
cidade de Araguari (MG), nos domínios do aquífero Bauru. O modelo tem potencial de
auxiliar as futuras diretrizes para a gestão de aquíferos livres sotopostos a zonas urbanas,
para seu melhor aproveitamento, indicando possíveis lugares de saturação de explotação. / Mestre em Engenharia Civil
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