[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.

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