Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-05-30T18:07:09Z No. of bitstreams: 1 joseluizribeirodesouzafilho.pdf: 14599386 bytes, checksum: b6c429c2f45228c7e68a7f951c5456ba (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-06-01T11:49:25Z (GMT) No. of bitstreams: 1 joseluizribeirodesouzafilho.pdf: 14599386 bytes, checksum: b6c429c2f45228c7e68a7f951c5456ba (MD5) / Made available in DSpace on 2017-06-01T11:49:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 joseluizribeirodesouzafilho.pdf: 14599386 bytes, checksum: b6c429c2f45228c7e68a7f951c5456ba (MD5) Previous issue date: 2013-02-22 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Análise e visualização de campos tensoriais simétricos de segunda ordem é um pro blema desafiador, pois eles geralmente representam dados multivariados. Trabalhos nessa área utilizam de diferentes estratégias para tornar perceptíveis propriedades desejadas dos campos. Essas propriedades são, por exemplo, estruturas colineares e coplanares. Em casos como campos tensoriais que representam tecidos orgânicos obtidos por ressonância magnética, ressaltar essas estruturas pode ser útil para a área médica de diagnóstico e neurociência por exemplo. Um tipo específico de visualização consiste na observação da propagação de partículas sobre os campos. Mas, grande parte desses métodos não des creve interações entre partículas e são estáticos. Essa dissertação propõe um método que induz o sistema perceptual humano a perceber de forma mais intuitiva essas estruturas, utilizando dinâmica de fluidos. Foram propostas modificações de uma implementação específica das Equações de Navier-Stokes, chamada Hidrodinâmica de Partículas Suavi zadas (SPH). Diferente de outras abordagens, o modelo proposto explora interação entre partículas para ressaltar a percepção de estruturas subjacentes no campo tensorial. Foi proposta uma força externa para manter partículas em regiões de interesse e também a aplicação de uma distorção na função núcleo, ambas baseadas nas informações dos tenso res. A distorção faz com que as partículas se alinhem de acordo com estruturas colineares e coplanares consecutivas do campo, exibindo continuidades e também conectividades. / Analysis and visualization of symmetric second order tensor fields are challenging since they generally represent multivariate data. Works in this area use different approaches to enhance desired properties of the field. Those properties are, for example, colinear and coplanar structures. In some cases, such as tensor fields obtained by magnetic resonance imaging of organic tissues, highlighting those structures can be useful for studies in neu roscience and diagnostics, for example. A specific technique of visualization consists in observing particles’ trajectories along the field. But, most of those methods are static and does not present interaction between particles. This work proposes a method that induces the human perceptual system to visualize more intuitively those structures, using fluid dynamics. Modifications in a specific implementation of Navier-Stokes equations, called Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) were proposed. Different from other ap proaches, interactions between particles are used to enhance the perception of underlying structures in a tensor field. It was also proposed an external force to keep particles around areas of interest and a distortion in the kernel functions, both based on tensors’ informa tion.The distortion forces particles to align according to consecutive colinear and coplanar structures of a field, showing continuities and connectivities.

Desde a década de 70, há um crescente interesse em simulações em computador de fenômenos físicos visto sua diversidade de aplicações. Dentre esses fenômenos, podem ser destacados a interação entre corpos rígidos, elásticos, plásticos, quebráveis e também fluidos. Neste trabalho realizamos a simulação de um desses fenômenos, o escoamento de fluidos, por um método conhecido como Smoothed Particles Hydrodynamics, uma abordagem lagrangeana baseada em partículas para resolução das equações que modelam o movimento do fluido. Várias são as vantagens de métodos lagrangeanos usando partículas sobre os que usam malhas, por exemplo, as propriedades do material transladam com as partículas como função do tempo, além da capacidade de lidar com grandes deformações. Dentre as desvantagem, destacamos uma deficiência relacionada ao ganho de energia total do sistema e estabilidade das partículas. Para lidar com isso, utilizamos uma abordagem baseada na lei da conservação da energia: em um sistema isolado a energia total se mantém constante e ela não pode ser criada ou destruida. Dessa forma, alterando o integrador temporal nós restringimos o aumento arbitrário de energia, tornando a simulação mais tolerante às condições iniciais / Since the late 70s, there is a growing interest in physically-based simulations due to its increasing range of application. Among these simulations, we may highlight interaction between rigid, elastic, plastic and breakable bodies and also fluids. In this work, one of these phenomena, fluid flow, is simulated using a technique known as Smoothed Particle Hydrodynamics, a meshless lagrangean method that solves the equations of the flow behavior of fluids. There are several advantages of meshless methods over mesh-based methods, for instance, the material properties are translated along with particles as a function of time and the ability to handle arbitrary deformations. Among the disadvantages, we may highlight a problem related to the gain of energy by the system and stability issues. In order to handle this, we used an approach based on the law of conservation of energy: in an isolated system the total energy remains constant and cannot be created or destroyed. Based on this, we used a technique that bounds the total energy and the simulation becomes less sensitive to initial conditions

La prévention du risque volcanique est un enjeu majeur, notamment pour l'Etna, dont les éruptions fréquentes menacent la province de Catane. Sont exposés les éléments physiques nécessaires à la compréhension des mécanismes intervenant dans un écoulement de lave basaltique. Un système d'information intégrant les principaux aspects du risque volcanique et permettant la création de cartes de risques est alors proposé. Ce système comprend un modèle, basé sur les automates cellulaires et intégrant le traitement d’images satellitaires. Il permet de simuler l'évolution d'une coulée ainsi que son débit. Ce système est alors intégré dans un Système d'Information Géographique. Il est validé sur les éruptions 2001, 2006 et 2007. Enfin, nous développons, pour l’enrichir, un modèle numérique pour le refroidissement d'une coulée de lave à l'aide des Smoothed Particle Hydrodynamics. Ce modèle, validé sur différents cas test, est appliqué au refroidissement d'un lac et d’une coulée de lave. Keywords : risque volcanique, automates cellulaires, système de veille, information élaborée, système d'information géographique, Smoothed Particle Hydrodynamics / Preventing volcanic risk is a major challenge, in particular when dealing with Mt Etna whose frequent eruptions regularly threaten Catane province. First, the physical elements necessary to understand the mechanism intervening in basaltic lava flow are exposed. Then, we develop an information system which deals with the main aspects of volcanic risk : lava flow evolution foresight and risk map design. This system is integrated in a geographical information system and is composed of both a model based on cellular automata permitting to simulate the evolution of a lava flow, and an infrared satellite image treatment module permitting to evaluate the lava flux rate. All the models and procedures developed were validated with the 2001, 2006 and 2007 eruptions. Lastly, to enhance the information system, we develop a digital model for lava flow cooling by means of Smoothed Particles Hydrodynamics. This model is validated by different case tests before being applied to the cooling of a lava lake

The primary concern of this work is real-time fluid simulation on modern programmable graphics hardware. It starts by introducing fundamental fluid simulation principles with focus on Smoothed particle hydrodynamics technique. The following discussion then provides a brief introduction to OpenCL as well as contemporary GPU hardware and outlines their programming specifics in comparison with CPUs. Finally, the last two chapters of this work, detail the problem analysis and its implementation.

Particle simulations in real-time become reality only a few years before, when in computer science occured the idea of GPGPU. This new technology allows use the massive force of graphics card for general purposes. Today, the trend is to accelerate existing algorithms by rewriting into parallel form. On this priciple operate the particle systems too. An interesting area of particle systems are fluid simulations. The simulations are based on the theory of Navier-Stokes equations and their numerical solutions with SPH (Smoothed particle hydrodynamics). Liquids are part of everyday life, and therefore it is important to render them realistically. They are used in modern computer games and different visualizations that run in real time, therefore they must be quickly displayed.

Für die effektive numerische Berechnung von Strömungsphänomenen im frühen Entwicklungsprozess wurde methodisch das Zusammenwirken verschiedener Berechnungstools hinsichtlich der Berechnungsdauer und Güte auf handelsüblichen Desktoprechnern untersucht. Dabei ist die Skalierbarkeit der Berechnungsmodelle auf unterschiedliche geometrische Skalen sowie die Umsetzungsmöglichkeit der Berechnung kombinierter Fluidphasen essenziell. Für die Umsetzung wurden erste Grundlagenuntersuchungen an einfachen Geometrien experimentell und virtuell durchgeführt sowie die Ergebnisse gegenübergestellt. Daraus konnten Anforderungen abgeleitet und bereits im Ausschlussverfahren für das Projekt ungeeignete Software detektiert werden. Weiterhin wurden die Simulationsparameter, aufbauend auf den Grundlagenuntersuchungen, an die komplexen Geometrien von Bauteilen/Baugruppen bis hin zum Viertelfahrzeug angepasst. Somit konnten für die jeweiligen Berechnungstools die Stärken hinsichtlich der Anforderungen an die Geometrie und die physikalischen Randbedingungen abgeleitet werden. Anschließend wurde eine Software entwickelt, welche automatisiert Ergebnisse unterschiedlicher Softwarelösungen und geometrischer Skalen verarbeitet, interpoliert und anschließend auf gewählten Schnittstellen bereitstellt. Somit lassen sich die effektivsten Berechnungsmethoden miteinander verknüpfen. Zudem konnte im Laufe der Bearbeitungszeit eine Software (PreonLab) zum Einsatz kommen, welche hinreichend genau und dennoch zeitlich effektiv komplexe Strömungsphänomene berechnen kann. Im Zuge der Projektbearbeitung konnten somit Anforderungen als auch Randbedingungen für die numerische Berechnung komplexer Strömungsphänomene am Gesamtfahrzeug beschrieben werden.

Fragmenterande stridsdelar har funnits länge och idag finns tre huvudsakliga metoder för att uppnå fragmentering i en stridsdel. Metoden styrd fragmentering som undersöks i arbetet fungerar generellt sett bra men saknar önskad kontrollförmåga. Målet med arbetet var att utveckla koncept av styrt fragmenterande stridsdelar och undersöka om fragmentspridningen kan riktas och snävas in till mindre än ±20° enligt två fall, cirkelskiva och cirkelsektor. De framtagna koncepten önskades vara tillverkningsbara med additiv tillverkning och lämpligheten för detta skulle därför undersökas. I samband med detta önskades även ett materialval. Examensarbetet genomfördes i samarbete med uppdragsgivaren Saab Dynamics AB och Karlstads universitet. Arbetet följde en teknikutvecklingsprocess innefattande en förstudie där vetenskaplig litteratur studerades och kontakt etablerades med tillverkare samt områdesexperter för att undersöka möjligheterna. Följande förstudien genomfördes en konceptutvecklingsprocess där de 3D-modellerade konceptens funktion undersöktes och verifierades med SPH-simuleringar i IMPETUS Afea. Ett materialval gjordes utifrån tillverkarens tillgängliga material samt önskvärda materialegenskaper och konceptens tillverkningsbarhet undersöktes. De slutsatser som kan dras utifrån teknikutvecklingen är att det med styrd fragmentering är möjligt att rikta en stridsdels fragment till önskade spridningsfall, dock med förbättringsmöjligheter med avseende på bland annat fragmentens massfördelning. Koncepten som framställdes visades vara lämpliga att tillverka med additiv tillverkning då de framtagna geometriernas komplexitet gynnas av de ökade frihetsgraderna samt då det valda materialet tillät en godtagbar fragmentering och var tillverkningsbart med AM. Prototyper tillverkades i plast men verkliga tester genomfördes ej. Verkliga tester och vidare optimering av tekniken lämnades som framtida arbete. / Fragmentation warheads have been used for a long time and today there are three main methods of achieving fragmentation in a warhead. The method studied in this work is controlled fragmentation, a method that generally works adequately but can only control the fragmentation to a certain degree. The goal of this project was to develop multiple concepts of controlled fragmentation warheads and investigate whether it is possible to aim and reduce the projection angle of the fragments to ±20° for two cases, circular disc and circle sector. It was wished for the developed concepts to be manufacturable with additive manufacturing, its feasibility to be studied and therefore a material selection with this in mind to be done. The thesis work has been carried out in collaboration with Saab Dynamics AB and Karlstad University. A technology development process was used consisting of a literature study where scientific literature was studied and contact was established with the manufacturer as well as other experts in the field of study in order to examine the possibilities regarding the project. Following the literature study, a concept development process was carried through where the function of the 3D-modeled concepts were examined and verified through SPH-simulations in IMPETUS Afea. A material selection was done with regards to the manufacturers available materials and the sought after material properties. Finally, the concepts manufacturability was examined and verified. The conclusions drawn from this technology development are the following: It is possible to both reduce the projection angle and aim the resulting fragments to the specified cases, although with great room for improvement regarding, among other things, the fragment mass distribution. The presented concepts proved to be suitable for additive manufacturing, because of their geometric complexity where the increased design freedom of AM is greatly benefited. The chosen material also proved suitable for both AM and use in fragmenting warheads. Plastic prototypes were made but real experimental tests were not conducted. Real experiments and further optimization of the technology were left as future work.

A Computational Fluid Dynamics (CFD) tool is developed in this thesis to solve complex fluid-structure interaction (FSI) problems. The fluid domain is based on Smoothed Particle Hydro-dynamics (SPH) and the structural domain employs large-deformation Finite Element Method (FEM). Validation tests of SPH and FEM are first performed individually. A loosely-coupled SPH-FEM model is then proposed for solving FSI problems. Validation results of two benchmark FSI problems are illustrated (Antoci et al., 2007; Souto-Iglesias et al., 2008). The first test case is flow in a sloshing tank interacting with an elastic body and the second one is dam-break flow through an elastic gate. The results obtained with the SPH-FEM model show good agreement with published results and suggest that the SPH-FEM model is a viable and effective numerical tool for FSI problems. This research is then applied to simulate a two-dimensional free-stream flow interacting with a deformable, pressurized surface, such as an ACV/SES bow seal. The dynamics of deformable surfaces such as the skirt/seal systems of the ACV/SES utilize the large-deformation FEM model. The fluid part including the air inside the chamber and water are simulated by SPH. A validation case is performed to investigate the application of SPH-FEM model in ACV/SES via comparison with experimental data (Zalek and Doctors, 2010). The thesis provides the theory of the SPH and FEM models incorporated and the derivation of the loosely-coupled SPH-FEM model. The validation results have suggested that this SPH-FEM model can be readily applied to skirt/seal dynamics of ACV/SES interacting with free-surface flow. / Ph. D.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung von partikelbasierenden Strömungs- und Transportmodellen zur Charakterisierung von kleinskaligen Strömungsprozessen in gesättigten und ungesättigten Poren- und Kluftsystemen. Aufgrund der unzureichenden Prozessbeschreibung von ungesättigter Strömung in Doppelkontinuummodellen mittels der Richardsgleichung und van Genuchten Parametern werden innovative Methoden präsentiert um die zugrunde liegenden hochdynamischen Strömungs- und Transportprozesse zu erfassen. Die Simulation von Strömung und Transport in ungesättigten geklüfteten Aquiferen bildet immer noch ein höchst anspruchsvolles Aufgabenfeld aufgrund von skalenübergreifenden Diskontinuitäten, welche oftmals die Definition eines globalen repräsentativen Einheitsvolumens nicht zulassen. Des Weiteren können die hydraulischen Eigenschaften und potentiellen Parameterräume von geklüfteten Aquiferen oftmals nur durch integrale Ansätze, wie z.B. Pump- und Slugtests, Zeitreihenanalysen von Quellschüttungen und Tracertests ermittelt werden. Doppelkontinuummodelle bieten hierfür einen ausgewogenen Ansatz hinsichtlich der erforderlichen Felddaten und der resultierenden prädiktiven Modellqualität. Der erste Teil dieser Arbeit evaluiert den Doppelkontinuumansatz, welcher die Simulation von Strömung mittels der Richardsgleichung und van Genuchten Parametern in zwei, durch einen linearen Austauschterm gekoppelten, Kontinua ermöglicht. Ganglinien von Karstquellen weisen eine charakteristischen steilen Abfall nach Niederschlagsereignissen auf, der durch das Modell erfolgreich reproduziert werden kann. Das Röhrensystem bildet die hydraulische Brücke zur Karstquelle und nimmt potentialabhängige Wassermengen des geklüfteten Matrixsystems auf. Um die Simulation von schneller Grundwasserinfiltration durch das Röhrenkontinuum innerhalb der ungesättigten Zone zu vermeiden wurde die entsprechende Randbedingung an die untere Grenze des Kontinuums gesetzt. Ein genereller Nachteil des Doppelkontinuumsansatz ist die potentielle Mehrdeutigkeit von Modellergebnissen. Der duale Parameterraum in Kombination mit schwierig zu ermittelnden Parametern, führt zur Existenz von mehr als einem kalibrierten Modell, wie durch mehrdimensionale Sensitivitätsanalysen aufgezeigt wird.  Insbesondere in Karstaquiferen bilden Diskontinuitäten, wie z.B. Lösungsdolinen, Klüfte und Störungssysteme, bevorzugte hydraulische Elemente für schnelle vertikale Grundwasserneubildungsprozesse, die oftmals nicht durch volumeneffektive Modellansätze erfasst werden können. Der Hauptteil dieser Arbeit befasst sich daher mit der Entwicklung von zwei Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) Modellen um ein adäquates numerisches Werkzeug zur partikelbasierenden Simulation von kleinskaligen Strömungen mit freien Oberflächen und Transportprozessen bereitzustellen. SPH Modelle ermöglichen eine Eulersche Beschreibung eines Strömungsfelds auf Basis der Navier-Stokes Gleichung und Partikelbewegung mittels klassischer Newtonscher Mechanik. Der gitterlose Modellansatz ermöglicht flexible Simulationen von hochdynamischen Phasengrenzen in ungesättigten Klüften und Porenräumen. Das erste SPH Modell wird eingesetzt um durch Oberflächenspannung dominierte Tropfen- und Filmströmungen auf glatten und rauhen Kluftoberflächen zu simulieren. Charakteristische dimensionslose Kennzahlen werden über einen weiten Bereich von Benetzungswinkeln und Reynoldszahlen bestimmt. Modellergebnisse weisen einen hervorragende Übereinstimmung mit dimensionslosen Skalierungsfunktionen auf und kritische Kontaktwinkel folgen der zu erwartenden Entnetzungsdynamik. Die Entstehung von adsorbierten Filmen auf trockenen Oberflächen wird für einen breiten Parameterraum bestimmt. Des Weiteren wird der Einfluss von befeuchteten Oberflächen auf die Geschwindigkeitszunahme von Tropfenströmung aufgezeigt und so die Bedeutung der Koexistenz verschiedener Strömungsmodi gezeigt. Der Effekt von Oberflächenrauhigkeit auf Tropfenströmung wird für verschiedene Rauhigkeiten ermittelt und eine deutliche Geschwindigkeitsabnahme demonstriert. Um die makroskopische Kontinuumsbeschreibung der Navier-Stokes Gleichung und atomistische Effekte eines klassischen Partikelsystems der statistischen Mechanik zu kombinieren wurde ein zweites mesoskopisches SPH Modell entwickelt. Diese neue Diskretisation der vollständig gekoppelten Landau-Lifshitz-Navier-Stokes und Advektions- Diffusionsgleichung ermöglicht die Simulation von Strömung und Transport bei gleichzeitiger Berücksichtigung von Fluktuationsdynamiken, welche sich korrekt der Systemskala anpassen. Die Verbindung von klassischer Fickscher Diffusion und thermodynamischen Fluktuationen wird hierbei durch einen effektiven Diffusionskoeffizienten beschrieben. Numerische Experimente zeigen die Präzision des Modells. Grenzflächen zwischen zwei Fluiden unterschiedlicher Konzentration weisen eine korrekte Wellenzahldivergenz entsprechend aktuellen Laborergebnissen auf.

Nesse trabalho, foi desenvolvido um simulador numérico (C/C++) para a resolução de escoamentos de fluidos newtonianos incompressíveis, baseado no método de partículas Lagrangiano, livre de malhas, Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). Tradicionalmente, duas estratégias são utilizadas na determinação do campo de pressões de forma a garantir-se a condição de incompressibilidade do fluido. A primeira delas é a formulação chamada Weak Compressible Smoothed Particle Hydrodynamics (WCSPH), onde uma equação de estado para um fluido quase-incompressível é utilizada na determinação do campo de pressões. A segunda, emprega o Método da Projeção e o campo de pressões é obtido mediante a resolução de uma equação de Poisson. No estudo aqui desenvolvido, propõe-se três métodos iterativos, baseados noMétodo da Projeção, para o cálculo do campo de pressões, Incompressible Smoothed Particle Hydrodynamics (ISPH). A fim de validar os métodos iterativos e o código computacional, foram simulados dois problemas unidimensionais: os escoamentos de Couette entre duas placas planas paralelas infinitas e de Poiseuille em um duto infinito e foram usadas condições de contorno do tipo periódicas e partículas fantasmas. Um problema bidimensional, o escoamento no interior de uma cavidade com a parede superior posta em movimento, também foi considerado. Na resolução deste problema foi utilizado o reposicionamento periódico de partículas e partículas fantasmas. / In this work, we have developed a numerical simulator (C/C++) to solve incompressible Newtonian fluid flows, based on the meshfree Lagrangian Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) Method. Traditionally, two methods have been used to determine the pressure field to ensure the incompressibility of the fluid flow. The first is calledWeak Compressible Smoothed Particle Hydrodynamics (WCSPH) Method, in which an equation of state for a quasi-incompressible fluid is used to determine the pressure field. The second employs the Projection Method and the pressure field is obtained by solving a Poissons equation. In the study developed here, we have proposed three iterative methods based on the Projection Method to calculate the pressure field, Incompressible Smoothed Particle Hydrodynamics (ISPH) Method. In order to validate the iterative methods and the computational code we have simulated two one-dimensional problems: the Couette flow between two infinite parallel flat plates and the Poiseuille flow in a infinite duct, and periodic boundary conditions and ghost particles have been used. A two-dimensional problem, the lid-driven cavity flow, has also been considered. In solving this problem we have used a periodic repositioning technique and ghost particles.