Une étude numérique de l’écoulement dans la buse et de l’atomisation primaire en injection Diesel est conduite afin de comprendre le lien entre la géométrie interne de l’injecteur et l’atomisation du carburant. En raison de la complexité des phénomènes impliqués, les effets de compressibilité sont étudiés séparément de ceux liés à la turbulence et à la dynamique tourbillonnaire.Dans une première partie, un modèle à 5 équations pour des écoulements diphasiques à deux espèces est développé et implémenté dans le code IFP-C3D pour analyser les effets de compressibilité sur l’écoulement. Il décrit des mélanges gaz-liquide dont la phase gazeuse est composée de deux espèces : vapeur et gaz non condensable. Le modèle est validé à l’aide de trois cas test très répandus et est appliqué à un injecteur monotrou. Les résultats sont comparés à des données expérimentales, confirmant que le modèle est capable de reproduire la formation de vapeur et la détente de l’air. Dans une seconde partie, l’impact de la géométrie de la buse sur la génération de turbulence, sur la dynamique tourbillonnaire et sur l’atomisation primaire est étudié sous l’hypothèse d’un écoulement incompressible. Large-Eddy Simulation est employée pour simuler l’écoulement dans la buse et proche de sa sortie.La méthodologie employée consiste à comparer des géométries de buse se distinguant par des paramètres de conception très tranchés. Les résultats montrent que l’atomisation du carburant dans la zone d’atomisation primaire est le résultat de un phénomène de haute fréquence engendré par des tourbillons détachés, et un phénomène de basse fréquence causé par filaments tourbillonnaires. Les interactions complexes entre ces tourbillons impactent le type d’atomisation, la stabilité du spray et la taille des gouttes. Il est conclu qu’en agissant sur ces deux types de tourbillons, il est envisageable de contrôler dans certaines limites la dynamique du spray. / Numerical study of nozzle flow and primary breakup in Diesel injection is conducted in order to understand the link between injector geometry and fuel atomization. Owing to the complex physical processes involved, flow compressibility effects are studied separately from turbulence and vortex dynamics.In a first part, a 5-Equation model for two-phase, two-species flows is developed and implemented in the IFP-C3D code to analyze the flow behavior under compressibility effects. It is intended for liquid-gas mixtures where the gas phase is composed of two species, vapor and noncondensable gas. The model is validated against three well-known test cases and is applied to a single hole injector. The results are compared with available experimental and numerical data, showing that it is able to successfully predict vapor formation and air expansion. In a second part, the impact of nozzle geometry on turbulence generation, vortex dynamics and primary breakup is studied assuming incompressible flow. Large-Eddy Simulation is used to simulate the flow inside the nozzle and close to its exit.The investigation strategy consists of comparing different geometries with contrasting design parameters. The results show that fuel atomization in the primary breakup region is driven by a high frequency event triggered by shed vortices, and a low frequency event caused by large string vortices. The complex interaction between them determines the breakup pattern, the spray stability and the size of ligaments and droplets. In view of the results, it is concluded that acting on these two structures makes it possible to control the dynamics of the spray to some extent.

Ce travail de thèse a pour oblectif de simuler numériquemetn les impacts de recharges sédimentaires sur la morphodynamique du tronçon du Vieux-Rhin situé entre les barrages de Kembs et Breisach. Dans le cadre du projet InterReg de redynamisation du Vieux-Rhin, ces simulations sont primordiales pour évaluer l'efficacité des scénarios de recharge sédimentaire ainsi que lesrisques associés , tels que la fixation des dépôts ou encore la déstabilisation du lit pavé. a l'échelle du vieux-Rhin entioer (50 km) les simulations numériques 1D des années 1950, 1990 et 2009 ont permis d'appréhender la dynamique fluviale du lit en tenant compte de l'impact de la végétation. Les modélisations des processus granulométriques en jeu dans les recharges sédimentaires ont été préalablement testés et améliorés sur des expériences de laboratoires avec le modèles numériques 1D RubarBE. Dans ces modélisations, le tri granulométrique longitudinal, les évolutions morphologiques et le phénomène de capture des sédiments les plus fins ont été reproduits. Les modélisations bi-dimensionnelle à l'échelle des sites d'injections ont été réalisées avec le modèle numérique Rubar20TS. Les évolutions morphologiques des recharges ont été simulées et les zones favorisant les dépôts sédimentaires ont été identifiées. Les conclusions suivantes ont été tirées des simulations d'un banc sédimantaire et des scénarios de redynamisation : des flancs de banc pentus facilitent la mobilisation sédimentaire ; le choix du site et de la largeur du banc semblent très imporants afi de créer des conditions suffisament dynamiques en bordure de banc ; l'injection d'un banc de galets apparaît plus efficace qu'une érosion latérale de berge. Un scénario de recharge sédimentaire optimal pourrait consister en des injections de bancs latéraux étroits d'un volume d''environ 20 000 m3 répétées dans le temps et/ou dans l'espace. / Pas de résumé en anglais

Os sedimentos transportados por cursos de água, quando depositados nos reservatórios, podem lhes causar danos, como redução do seu volume de água, prejuízos à navegação, danificação de turbinas e bloqueio de tomadas de água e comportas. Para que medidas preventivas possam ser tomadas nesse sentido, a capacidade de predizer taxas de sedimentação e sua distribuição não-uniforme em reservatórios é muito importante, ainda em sua fase de projeto. Este trabalho compreende a construção e o assoreamento de uma armadilha de sedimentos em laboratório, bem como a utilização de um programa computacional para reprodução numérica do assoreamento. A comparação satisfatória entre resultados experimentais e simulados, tanto para o padrão do escoamento no interior da armadilha quanto para a deposição de sedimentos, permitiu avaliar o programa MIKE 21C como ferramenta útil no estudo e na estimativa do assoreamento de reservatórios / Sediment transport in alluvial rivers may cause serious problems to reservoirs, such as decrease in storage volume, impairment of navigability, damage to hydropower turbines, and blockage of gates and intakes. The capacity of predicting sedimentation and its non-uniform distribution inside reservoirs is very important, still in their phase of planning and design. This work comprehends the construction of a sand trap in a laboratory and its experimental sedimentation, as well as the use of a computational program to reproduce numerically the experiment. The satisfactory comparison between experimental and numerical results, for the flow pattern inside the trap and for the sediment deposition, validated the program MIKE 21C as a useful tool in the study and prediction of reservoir sedimentation

Escoamentos sobre superfícies côncavas, como os que ocorrem no intradorso de uma pá de turbina, estão sujeitos à instabilidade centrífuga. A esse tipo de configuração atribui-se possibilidade de transição à turbulência devido a formação dos vórtices de Görtler. Estudos são propostos no sentido de identificar possível influência do gradiente de pressão nos mecanismos de desenvolvimento desses vórtices e sua interação com outras perturbações na transição. O processo de investigação dá-se numericamente por meio do desenvolvimento e uso de um código numérico paralelizado e de alta ordem de precisão. Resultados obtidos caracterizam o gradiente de pressão adverso como mais instável se comparado ao caso neutro ou favorável. Variações no gradiente de pressão não se mostram eficientes no processo de controle da instabilidade. Ao gradiente adverso atribui-se antecipação da região de saturação dos vórtices. Ressalta-se ainda a natureza desestabilizadora do gradiente adverso quanto aos mecanismos de amplificação dos modos varicoso e sinuoso associados à instabilidade secundária. / Flows over concave surfaces are subjected to centrifugal instability and may transition to turbulence. Studies are conducted to identify the role of the external pressure gradient on the development of the Görtler vortices and their interaction with other flow disturbances. Numerical simulations are carried out by the development and use of an in-house parallel code with highorder of accuracy. Adverse pressure gradient configurations are observed to be more unstable than the neutral and favourable ones. Pressure gradient variations do not prove to be an efficient way to control the centrifugal instability. The destabilizing behaviour that is observed by the adverse pressure gradient justifies its influence on the anticipation of the saturation of the primary vortices and growth of the sinuous and varicose secondary modes.

Escoamento de água subterrânea em meios porosos fraturados é um problema de grande importância, principalmente nos contextos de petróleo, energia geotérmica e repositórios geológicos. Com o aquecimento da Terra, a geração de energia com baixa emissão de gases estufa torna-se imperativa, considerando o crescimento de uso de energia e o impacto do aquecimento global. Dentre as opções disponíveis para geração de energia, a energia nuclear apresenta-se como candidata. Entretanto, dentre os riscos do uso de energia nuclear, o destino do combustível usado e de materiais provenientes de descomissionamento é um problema em aberto. Repositórios geológicos surgem como uma alternativa para a estocagem de médio e longo prazo, por serem capazes de proporcionar isolamento em escalas geológicas de tempo. O principal vetor de propagação do material radioativo estocados em repositórios é a água subterrânea, e meios fraturados estão presentes na maioria dos domínios. Fraturas podem propagar a água subterrânea e, portanto, solutos com velocidades muito maiores que as do meio poroso. Além disso, fraturas são, geralmente, sistemas multiescala, em que diferentes escalas - de centímetros a kilômetros - podem ter um papel significativo. Métodos como elementos finitos, apesar de representarem certos comportamentos do escoamento em fraturas, têm dificuldade em simular sistemas com grandes diferenças de escala, já que necessitam de discretização do domínio. O Método de Elementos Analíticos (MEA) surge como uma alternativa a esse problema, pois não necessita de discretização de domínio, podendo simular características hidrogeológicas em diferentes escalas. Este trabalho tem como proposta aperfeiçoar o MEA, desenvolvendo um elemento analítico para fraturas que interagem com o meio poroso, aplicando os desenvolvimentos recentes na teoria do Método. Baseado na Integral de Cauchy e em transformações de coordenadas, o novo formalismo de solução no plano permite maior precisão na imposição das condições de contorno, sendo aplicado para inomogeneidades circulares, inomogeneidades poligonais formadas por line doublets e para o elemento de fratura. Dificuldades numéricas na simulação para fraturas levaram ao desenvolvimento de um método matricial de solução, aplicado com sucesso para todos os elementos apresentados neste trabalho. Soluções exatas para a inomogeneidade circular e para uma fratura foram comparadas com inomogeneidades poligonais equivalentes, com sucesso. O método matricial permitiu também um estudo da convergência do método iterativo e possibilita a melhoria do Método de Elementos Analíticos em geral. / Groundwater flow in fractured porous media is a recent and modern problem, considering the petroil, geothermic energy and geologic repositories context. As the Earth warms, low \'CO IND.2\' energy generation is paramount, when the projections of energy demand and worsening of the global warming effects are factored in. Nuclear energy generation appears as one of the canditates to generate electricity with low \'CO IND.2\' emissions. Several factors must be considered, thought, when nuclear energy is concerned. The spent nuclear fueld and the decomission residues must be safely stored for long periods of time. One of the alternatives for mid and long term disposal is the use of geological repositories. Because of its characteristics, groundwater studies must be conducted to assert the safety of the repositories, as its the main contaminant vector for the stored nuclear material. Fractures must be considered in those studies, as they are usually present in almost all settings considered for repositories, and can propagate groundwater (and dissolved solutes) with very high speeds, several orders of magnitude faster than the porous media. Fractures also forms multiscale problems, where different problem scales - from centimeters to kilometers - can influence the behavior of the groundwater flow and the consequent solute transport. The usual groundwater simulation methods, even when capable of including fracture phenomena, have problems with the scale differences, as they usually depend on domain discretization. The Analytic Element Method is based on analytic solutions of the groundwater governing equations and does not depend on domain discretization, being able to tackle multiscale problems that the other methods cant produce a feasible solution. The Analytic Element Method has been developed in recent years and has been applied in different fields, as wellhead protection area delineation. This work proposes to improve the Analytic Elemento Method developing an analytic element for flow in fractures, using the recent developments as the direct use of Cauchy Integrals in the plane. These new developments allow increased precision on the numerical boundary conditions matching. This method is applied on circular inhomogeneities, polygonal inhomogeneities modelled by line doublets and the fracture element. Numerical problems in the boundary condition matching for the fractures led to the development of matrix solution method, used on all elements presented in this work. Exact solutions for one circular inhomogeneity and for one fracture allowed comparison with the numerical ones, with satisfactory results. The matrix method also permitted a convergence study of the iterative methods, possibilitating for the general improvement of the Analytic Element Method.

Ultrassonografia (US) é usada por médicos para ajudar em diagnósticos e intervenções. Ela fornece uma visada tomográfica de órgãos internos como, por exemplo, pâncreas aorta, fígado, bexiga, rins e baço. O médico pode utilizar a US para realizar apenas uma avaliação visual ou pode também comprimir o tecido para analisar a dinâmica, uma vez que a elasticidade da lesão pode estar relacionada à patologias. Consequentemente, diversos procedimentos computacionais vem sendo desenvolvidos com o intuito de fornecer ao médico informações acerca das propriedades elásticas do tecido. Entretanto, uma avaliação completa e objetiva dos procedimentos computacionais sobre US pode ser dificultada pelo difícil acesso a imagens com as propriedades desejadas ou pela falta de padrão-ouro para ser utilizado como referência. Portanto, nós desenvolvemos uma ferramenta capaz de criar phantoms numérico que imitam a compressão induzida por um médico através de um transdutor. A deformação do tecido é baseada em método doe elementos finitos e o deslocamento dos espalhadores é calculado usando isomorfismo linear. Depois do deslocamento dos espalhadores, Field II foi utilizado para simular o ruído Speckle. Assim, foi possível a criação de uma sequência de imagens de US com deformação realística. Este método foi implementado em Matlab e está disponível para download sem custos. A deformação do phantom foi validada através da medição de contraste de compressão em phantoms de duas camadas. Uma atenção especial foi dada a doenças cardiovasculares devido ao impacto que essas patologias causam no cenário médico do Brasil e do mundo. Nas últimas décadas, a prevalência de patologias cardiovasculares têm crescido progressivamente e se tornou uma séria questão de saúde pública. Elas estão entre as maiores causas de mortes, internações e gastos com saúde. Na prática intervencionista, o ultrassom intravascular (IVUS) é utilizado para obter informações do vaso sanguíneo e de eventuais patologias. Portanto, foi desenvolvida também uma simulação numérica de phantoms de IVUS. A simulação do vaso sanguíneo também se baseou em método dos elementos finitos e isomorfismo linear. Contudo, uma simulação confiável de IVUS deve considerar o caminho do cateter no interior do vaso sanguíneo, porque isto determina a posição do transdutor. Portanto, nós desenvolvemos um novo método, baseado em equilíbrio de forças, para determinar a posição de menor energia do cateter. O método foi validado através da comparação da posição estimada com a posição de um fio-guia de aço real e apresentou erro quadrático médio e média Hausdorff menor que 1 mm para ambos. Foram utilizados dois métodos diferentes para rastrear e estimar a deformação de determinadas estruturas no tecido: Optical Flow e 2D Block Matching. Foi aplicado uma implementação inovadora de 2D Block Matching com interpolação sub-pixel linear e propagação de deslocamento. Posteriormente, a validação será feita comparando-se a o movimento estimado com o padrão-ouro numérico utilizado para construir a simulação. O 2D block matching forneceu resultados melhores que o optical flow. Após a análise em phantoms numéricos, equipamento real de ultrassom foi utilizado para aquisição de imagens modo-B de phantoms físicos. Então, nós realizamos a estimativa do movimento das estruturas para analisar as propriedades morfológicas e dinâmicas do tecidos. Os resultados obtidos foram comparados com a elastografia fornecida pelo equipamento. Em acordo com os resultados obtidos na simulação numérica, o 2D block matching novamente apresentou resultados melhores que o optical flow. Finalmente, os dois métodos de rastreamento foi aplicada em imagens simuladas de IVUS, que foram divididas em 2 conjuntos de quadros. O primeiro conjunto, S1, continha todos os quadros da sequência de IVUS e o segundo conjunto, S2, continha apenas os quadros correspondentes a uma fase específica do ciclo cardíaco. Sendo assim, foi analisado o balanço entre o impacto do movimento cardíaco e a taxa de quadros. Para os pontos localizados nas bordas dos objetos, Optical flow teve um bom desempenho para ambos S1 e S2. Em regiões homogêneas, entretanto, o optical flow foi capaz de rastrear os pontos em S2, sugerindo que é melhor o trabalho com movimento cardíaco reduzido em detrimento da taxa de quadros, tal qual a aquisição de IVUS engatilhado por ECG. Já o 2D block matching apresentou um mau rastreamento para todos os pontos selecionados. Além da simulação da aquisição de ultrassonografia com deformação e do rastreamento de estruturas, também desenvolvemos uma nova técnica de filtragem capaz de remover a textura speckle sem borrar as bordas. A técnica proposta apresentou os melhores resultados quando comparados com outros nove filtros da literatura. Foi desenvolvida também uma nova métrica que utiliza o ruído speckle da própria imagem para fornecer um parâmetro que pode ajudar o usuário a decidir o tamanho da janelo de um filtro. / Ultrasonography (US) is used by physicians to help on diagnosis and interventions. It provides tomographic views of inner organs such as pancreas, aorta, inferior vena cava, liver, gall bladder, bile ducts, kidneys and spleen. The physician may utilize US to perform only a visual assessment or may also compress the tissue to analyze its dynamics, since lesion elasticity may be related to dangerousness. Consequently, several computational procedures have been developed in order to provide information about the elastic properties of the tissue. However, a thorough and objective evaluation of US computational procedures may be hindered by the difficult access to US images with the desired features and the lack of gold-standard parameters. Therefore, we developed a tool that is able to create numeric phantom that mimics the compression induced by physician with the transducer. The tissue deformation was based on finite elements method and the displacement of the scatterers were calculated using linear isomorphism. After the scatterer displacement, Field II was used to simulate the speckle noise. Thus, it is possible to create a sequence of US images with realistic deformation. This technique was implemented in Matlab and is available for free download. The phantom deformation was validated by measuring the strain contrast from double-layered phantoms. Special attention was given to cardiovascular diseases due to their impact on Brazilian and world populations. During the last decades, the prevalence of cardiovascular pathologies has increased progressively, and has become a serious public health problem. They are among the major causes of death, hospitalizations and health expenses. In interventionist practice, intravascular ultrasound (IVUS) is used to obtain information about blood vessels and eventual pathologies. Therefore, we also created numeric IVUS phantoms. The simulation of the blood vessel was also based in finite elements method with linear isomorphism. However, a reliable IVUS simulation must consider the catheter path inside the blood vessel, because it determines the position of the transducer. Hence, we developed a new method, based on equilibrium of forces, to determine the minimum energy position of the catheter. The method was validated by comparing its position with the position of a real stainless steel IVUS guidewire and presented root mean squared error and Hausdorff mean smaller than 1 mm for both. We used two different techniques to track and estimate deformation of different structures in the simulated US images, namely, Optical Flow and 2D Block Matching. We applied an innovative implementation of 2D block matching with sub-pixel linear interpolation and displacement propagation. Then, the estimated deformation from both methods were compared with the numeric gold-standard, and 2D block matching presented better results than optical flow. After the work with numeric phantoms, real US equipment was utilized to acquire B-mode images from a physical phantom. Then, we performed the movement estimation of the imaged tissue to analyze its morphological and dynamic properties. The results were compared to the elastography images provided by the US equipment. In accordance with the results from the numeric simulation, 2D block matching presented better results than Optical flow. Finally, we performed the two speckle tracking on a set of numerically simulated IVUS images, where the images were divided into two sets of frames. The first set, S1, contained all the frames from the IVUS sequence and the second set, S2, contained only the frames corresponding to a specific phase of the cardiac cycle. Thus, we analyzed the trade-off between the impact of the cardiac motion and low frame rate. For the points located at the edges of the object, optical flow had a good performance for both S1 and S2. In homogenous regions, however, optical flow was able to track the points only in S2, suggesting that it is better to work with low frame rate and reduced cardiac motion, as in EKG-triggered IVUS acquisition. 2D block matching presented poor results in all points of both S1 and S2. Besides the simulation of ultrasound acquisition with deformation and structure tracking, in this work, we also developed a new filtering technique that is able to remove the speckle texture without blurring the edges. The proposed filter presented the best results when compared to other nine filters from the literature. We also developed a metric that uses the speckle texture of the image to provide a parameter that may help the user decide the size of the window of the filter.

Le sujet de ce mémoire de thèse concerne l’usure des inserts en carbure de tungstène soumis à des sollicitations d’impact-glissement. Ces inserts situés sur la tête de coupe de tunneliers permettent d’excaver le sol. Ces carbures sont caractérisés par une dureté élevée et une résistance à l’usure importante ; néanmoins, ils sont soumis à des conditions d’excavation sévères qui finissent par les endommager. Il est donc primordial d’augmenter leur résistance à l’usure afin d’augmenter leur durée de vie dans le but de réduire les opérations de remplacement et les coûts. Une étude expérimentale avec un banc d’impact-glissement permet de solliciter les carbures de tungstène dans des conditions proches de celles rencontrées lors de l’excavation. Nous analysons trois carbures de tungstène avec des propriétés et des compositions différentes. Un des trois carbures sert de référence et est utilisé industriellement. Les deux autres carbures ont été développés récemment. Une bille, en acier 100Cr6 ou en carbure de silicium, est soumise à un déplacement vertical, et vient impacter l’échantillon en carbure de tungstène. Le déplacement de deux lames flexibles, situées sous l’échantillon impacté, permet de générer le glissement au moment de l’impact. L’abrasion et l’adhésion sont les principaux mécanismes d’usure, accompagnés de la formation de fissures dans le cas du carbure le plus fragile. Le volume d’usure dépend fortement de l’énergie d’impact, du nombre d’impacts, de l’angle d’impact, de la nature des matériaux au contact et de l’environnement de contact. Le carbure de référence s’use le plus parmi les trois carbures. De plus, le glissement contribue à augmenter l’usure et la bille en SiC forme une couche sacrificielle avec l’un des carbures développé récemment. La présence d’argon au contact tend à réduire l’adhésion et, par conséquent, l’usure est moins sévère. Parallèlement aux tests expérimentaux, une analyse numérique par éléments finis sous Abaqus/Explicit est réalisée. Un modèle 3D représentant le contact entre la bille et le plan incliné a été développé en mettant en avant la dynamique du contact. Cela nous donne accès à des grandeurs non déterminées expérimentalement (distance glissée, énergie dissipée par frottement, énergie de déformation plastique, contraintes au contact) et permet ainsi de mieux comprendre les mécanismes mis en jeu lors du contact. Les coefficients énergétiques d’usure obtenus expérimentalement sont mis en corrélation avec les énergies dissipées par frottement et les énergies de déformation plastique. La distribution des contraintes de traction et de compression permet d’établir un lien avec la formation des fissures pour le carbure le plus fragile. Cette approche expérimentale combinée à la simulation numérique nous permet de mieux comprendre les phénomènes d’endommagement qui se déroulent au contact de l’insert. / Tungsten carbide cutting tools are very frequently used for tunnel boring machines, as inserts on the drag bits at the front face. With their high toughness, hardness and their wear resistance, they are highly suitable for this kind of application. During excavation, those tools are subjected to important mechanical stresses mostly represented as repetitive impacts combined with the sliding motion induced by the rotation of the cutting wheel. In this regard, their lifetime should be optimized in order to reduce the maintenance operations cost. This thesis highlights the wear mechanisms associated to the impact-sliding motion of tungsten carbide cutting tools. An experimental approach is presented with an impact-sliding test rig allowing to represent the contact dynamics closed to the one observed during the excavation. The test rig is developed with a ball/flat configuration. The ball undergoes a vertical sinusoidal motion derived by an electromagnetic shaker and impacts the inclined tungsten carbide sample. There are two vertical foils underneath the tungsten carbide, which slide backward during the impact: this induces the sliding motion. Three types of tungsten carbides with different chemical compositions, production processes and mechanical properties have been tested. AISI 52100 and SiC balls are considered in this study. Abrasion and adhesion are mainly observed on wear scars, with cracks initiation for the more brittle tungsten carbide. Wear volume depends on many factors : the impact energy, the number of impacts, the impact angle, the ball material, the hardness of materials and the environment under which they are tested. The reference material wears out the most with larger wear scars. The sliding motion contributes greatly on the wear and SiC ball tends to create a sacrificial layer in some conditions. Tests run under argon showed that adhesion is less likely to occur at the contact. Besides, a 3D finite element dynamic model has been developed with the use of ABAQUS/Explicit. Experimental data are taken into account in order to obtain simulation conditions analogous to those in the experimental study. This numerical approach gives an insight on wear phenomena involved in this impact-sliding contact. In addition to this, parameters that were unreachable experimentally could be calculated (sliding distance, friction dissipated energy, plastic deformation energy). Energetic wear coefficient, calculated experimentally, can be correlated with the dissipated energy and the plastic deformation energy. Cracking features are linked to the contact stress distribution. Numerical results provide an input on experimental data and help in understanding complex wear processes entailed in this impact-sliding conditions.

O presente trabalho refere-se à modelagem fenomenológica da transferência de movimento das bolhas de ar para o meio líquido, simulação com integrações numéricas de Equações Diferenciais Parciais (EDP\'s) e comparação com resultados experimentais de viscosidades turbulentas. Esse tipo de modelo com transporte turbulento se faz necessário para avaliar a natureza dos escoamentos, seja em situação enquanto em monitoramento de recursos hídricos ou em operações nos tratamentos de efluentes líquidos. Foram obtidas soluções para o caso laminar e turbulento considerando modelo kappa-epsilon para um volume de controle com geometria cartesiana bidimensional. O método de resolução das equações parciais usado foi o dos volumes finitos. Os valores das viscosidades turbulentas calculadas convergiram com valores muito próximos dos encontrados experimentalmente num período de tempo de 5 (cinco) segundos, após esse período de tempo, os resultados divergiram muito dos experimentais, mesmo com grande refino de malha, o que sugere mudança de estratégia na proposição do modelo de turbulência. / The present work refers to the phenomenological modeling of the air bubbles transfer movementto the liquid phase, numerical simulation with integrations of Ordinary Differential Equations (ODEs) and Partial Differential Equations (PDE\'s), compared with experimental results. Such models contribute to the turbulent transport, which are needed to assess the nature of the flows, in situations while monitoring water resources or in operations of wastewater treatment. Solutions were obtained considering the case laminar or turbulent using kappa-epsilon model. The calculated kinematic viscosities values diverged greatly from experimental results, suggesting the necessity of strategy changes in the proposed turbulence model.

Orientador: Rafael Sfair de Oliveira / Resumo: A estrela PDS110 (HD290380) com idade aproximada de 10 milhões de anos, apresentou dois eclipses ocorridos em 2008 e 2011, com duração de 25 dias e queda de aproximadamente 26 % na luminosidade da estrela. Outra estrela J1407 (1SWASP J140747.93-39454.6) apresentou uma complexa série de eclipses com 56 dias de duração. As hipóteses dadas a esses dois eventos foram a passagem da borda de um disco planetário ou um disco circunstelar de uma anã marrom. Neste trabalho foi analisada a natureza desses possíveis sistemas de anéis ao redor de um exoplaneta gigantesco não observado, que teria ocultado essas estrelas. Para estudar o sistema PDS110b, devido ao grande número de variáveis envolvidas ainda desconhecidas neste problema como, por exemplo, massa e excentricidade do planeta, inclinação e extensão do disco, foram criados diversos modelos numéricos considerando a interação gravitacional entre a estrela, o planeta e a partícula do anel. Desta forma foi possível refinar os intervalos dos parâmetros predeterminados através dos dados observacionais, que seriam compatíveis com o eclipse observado. Os resultados indicam que provavelmente os eclipses teriam ocorrido por um planeta com massa entre 50 e 70 MJup, em uma orbita quase circular (ePDS110b < 0,05) e o semieixo maior de 2 ua. O sistema de anel ao redor do PDS110b, teria uma extensão radial de ~ 0,2 ua, significativamente maior que o raio de Roche do planeta e um forte indicio da presença de satélites. Ao analisar o sistema de an... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The star PDS110 (HD290380) is approximately 10 millions years old, underwent two eclipses observed in 2008 and 2011 in the surrounding 25 days with a depth 26 % in the star's luminosity. Other star J1407 (1SWASP J140747.93-39454.6) underwent a complex series of eclipses that lasted 56 days. The hypothesis could explain those events are the transit of the edge one disc circumplanetary or circumstelar (brown dwarf). In this work, we analyzed the nature of a possible ring system around these giant exoplanets would have occulted the star. To study the PDS110b system, in the reason to the large number of unknown variable involved in this problem like: mass and the eccentricity of the PDS110b, inclination and size of the disc, we created a several numerical models considering the only gravitational interactions between the star, the planet and the particle of the ring. We managed to restrict the interval of the parameters predetermined by the observational data. The best models indicate a planet's mass between [50 - 70] MJup, in the quasi circular orbit (ePDS110b < 0,05) and semi major axis of 2 ua. The ring system around the PDS110b, probably has ~ 0,2 ua of radial extension. To analyze the ring system around J1407b, after excluded some proposals of the eclipsing body to be a secundary star, the studies propose an extensive ring system with radius of 0,6 ua, formed by at least 37 different rings and one possible exomoon with mass proportional to Earth, located at the gap observed ... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

O método ISPH (do inglês, Incompressible Smoothed Particle Hydrodynamics) é um método de aproximação livre de malha que, através de um conjunto finito de partículas e uma formulação completamente Lagrangeana, permite a solução de diversos tipos de escoamentos. Entretanto, sua aplicação para escoamentos bifásicos ainda é um desafio, principalmente no que refere-se à manutenabilidade da interface entre fluidos. Diante disso, nesta tese é apresentado o desenvolvimento de um código numérico baseado no método ISPH, sendo propostas duas técnicas de tratamento de interface. Para tanto é realizado um estudo a cerca do método, considerando diferentes metodologias, e analisando pontos específicos, tais como a solução do campo de pressões. São apresentados resultados que mostram a eficácia do método, tanto em escoamentos monofásicos, quanto em escoamentos multifásicos, onde, neste caso, são destacadas as melhorias obtidas através das técnicas de tratamento de interface propostas. Por fim, é realizado um estudo do comportamento de misturas bifásicas, com referência ao fenômeno da inversão de fase / Incompressible Smoothed Particle Hydrodynamics (ISPH) method is a meshless approximation that has been used to simulate several types of fluid flows, through a finite particle set and fully lagrangian formulation. The application of ISPH method in two-fluid flow simulations however, has presented many challenges, specially related to the presence of the interface between different fluids. Thus, we present in this study the development of a numerical code based on ISPH, introducing novel interface treatment techniques. A thorough study about this method is provided, considering different methodologies and analysing specific points such as the position of the interface and the obtained pressure field. Results have been presented to show the methods developed in this thesis efficiently simulate two-fluid flows, illustrating the improvements achieved by the proposed interface treatment techniques. Finally, a study of biphasic mixture behavior is carried out with reference to phase inversion phenomena