Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Uma simulação numérica que leva em conta os efeitos de estratificação e mistura escalar (como a temperatura, salinidade ou substância solúvel em água) é necessária para estudar e prever os impactos ambientais que um reservatório de usina hidrelétrica pode produzir. Este trabalho sugere uma metodologia para o estudo de escoamentos ambientais, principalmente aqueles em que o conhecimento da interação entre a estratificação e mistura pode dar noções importantes dos fenômenos que ocorrem. Por esta razão, ferramentas de simulação numérica 3D de escoamento ambiental são desenvolvidas. Um gerador de malha de tetraedros do reservatório e o modelo de turbulência algébrico baseado no número de Richardson são as principais ferramentas desenvolvidas. A principal dificuldade na geração de uma malha de tetraedros de um reservatório é a distribuição não uniforme dos pontos relacionada com a relação desproporcional entre as escalas horizontais e verticais do reservatório. Neste tipo de distribuição de pontos, o algoritmo convencional de geração de malha de tetraedros pode tornar-se instável. Por esta razão, um gerador de malha não estruturada de tetraedros é desenvolvido e a metodologia utilizada para obter elementos conformes é descrita. A geração de malha superficial de triângulos utilizando a triangulação Delaunay e a construção do tetraedros a partir da malha triangular são os principais passos para o gerador de malha. A simulação hidrodinâmica com o modelo de turbulência fornece uma ferramenta útil e computacionalmente viável para fins de engenharia. Além disso, o modelo de turbulência baseado no número de Richardson leva em conta os efeitos da interação entre turbulência e estratificação. O modelo algébrico é o mais simples entre os diversos modelos de turbulência. Mas, fornece resultados realistas com o ajuste de uma pequena quantidade de parâmetros. São incorporados os modelos de viscosidade/difusividade turbulenta para escoamento estratificado. Na aproximação das equações médias de Reynolds e transporte de escalar é utilizando o Método dos Elementos Finitos. Os termos convectivos são aproximados utilizando o método semi-Lagrangeano, e a aproximação espacial é baseada no método de Galerkin. Os resultados computacionais são comparados com os resultados disponíveis na literatura. E, finalmente, a simulação de escoamento em um braço de reservatório é apresentada. / To study and forecast the environmental impacts that a hydroelectric power plant reservoir may produce, a numerical simulation that takes into account the effects of stratification and scalar mixing (such as temperature, salinity or water-soluble substance) is required. This work proposes a methodology for the study of the environmental fluid flow phenomena, mainly for flows in which the knowledge of the interaction between stratification and mixing can give important notions of the phenomena that occur. For this, a numerical simulation tool for 3D environmental flow is developed. A tetrahedral mesh generator of the reservoir based on the terrain topology and an algebraic turbulence model based on the Richardson number are the main tools developed. The main difficulty in tetrahedral mesh generation of a reservoir is nonuniform distribution of the points related to the huge ratio between the horizontal and vertical scales of the reservoir. In this type of point distributions, conventional tetrahedron mesh generation algorithm may become unstable. For this reason, a unstructured tetrahedral mesh generator is developed and the methodology used to obtain conforming elements is described. Triangular surface mesh generation using the Delaunay triangulation and the construction of the tetrahedra from the triangular surface mesh are the main steps to the mesh generator. The hydrodynamic simulation of reservoirs with a turbulence model provides a useful tool that is computationally viable for engineering purposes. Furthermore, the turbulence model based on the Richardson number takes into account the effects of interaction between turbulence and stratification. The algebraic model is the simplest among the various models of turbulence, but provides realistic results with the fitting of a small amount of parameters. Eddy-Viscosity/Diffusivity models for stratified turbulent flows models are incorporated. Using the Finite Element Method (FEM) approximation the Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) and mean scalar transport equations are approximated. The convective terms are discretized employing the Semi-Lagrangian method, and the spatial discretization is based on the Galerkin method. The computational results are compared with the results available in the literature. Finally, the simulation of the flow in a branch of a reservoir is presented.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Uma simulação numérica que leva em conta os efeitos de estratificação e mistura escalar (como a temperatura, salinidade ou substância solúvel em água) é necessária para estudar e prever os impactos ambientais que um reservatório de usina hidrelétrica pode produzir. Este trabalho sugere uma metodologia para o estudo de escoamentos ambientais, principalmente aqueles em que o conhecimento da interação entre a estratificação e mistura pode dar noções importantes dos fenômenos que ocorrem. Por esta razão, ferramentas de simulação numérica 3D de escoamento ambiental são desenvolvidas. Um gerador de malha de tetraedros do reservatório e o modelo de turbulência algébrico baseado no número de Richardson são as principais ferramentas desenvolvidas. A principal dificuldade na geração de uma malha de tetraedros de um reservatório é a distribuição não uniforme dos pontos relacionada com a relação desproporcional entre as escalas horizontais e verticais do reservatório. Neste tipo de distribuição de pontos, o algoritmo convencional de geração de malha de tetraedros pode tornar-se instável. Por esta razão, um gerador de malha não estruturada de tetraedros é desenvolvido e a metodologia utilizada para obter elementos conformes é descrita. A geração de malha superficial de triângulos utilizando a triangulação Delaunay e a construção do tetraedros a partir da malha triangular são os principais passos para o gerador de malha. A simulação hidrodinâmica com o modelo de turbulência fornece uma ferramenta útil e computacionalmente viável para fins de engenharia. Além disso, o modelo de turbulência baseado no número de Richardson leva em conta os efeitos da interação entre turbulência e estratificação. O modelo algébrico é o mais simples entre os diversos modelos de turbulência. Mas, fornece resultados realistas com o ajuste de uma pequena quantidade de parâmetros. São incorporados os modelos de viscosidade/difusividade turbulenta para escoamento estratificado. Na aproximação das equações médias de Reynolds e transporte de escalar é utilizando o Método dos Elementos Finitos. Os termos convectivos são aproximados utilizando o método semi-Lagrangeano, e a aproximação espacial é baseada no método de Galerkin. Os resultados computacionais são comparados com os resultados disponíveis na literatura. E, finalmente, a simulação de escoamento em um braço de reservatório é apresentada. / To study and forecast the environmental impacts that a hydroelectric power plant reservoir may produce, a numerical simulation that takes into account the effects of stratification and scalar mixing (such as temperature, salinity or water-soluble substance) is required. This work proposes a methodology for the study of the environmental fluid flow phenomena, mainly for flows in which the knowledge of the interaction between stratification and mixing can give important notions of the phenomena that occur. For this, a numerical simulation tool for 3D environmental flow is developed. A tetrahedral mesh generator of the reservoir based on the terrain topology and an algebraic turbulence model based on the Richardson number are the main tools developed. The main difficulty in tetrahedral mesh generation of a reservoir is nonuniform distribution of the points related to the huge ratio between the horizontal and vertical scales of the reservoir. In this type of point distributions, conventional tetrahedron mesh generation algorithm may become unstable. For this reason, a unstructured tetrahedral mesh generator is developed and the methodology used to obtain conforming elements is described. Triangular surface mesh generation using the Delaunay triangulation and the construction of the tetrahedra from the triangular surface mesh are the main steps to the mesh generator. The hydrodynamic simulation of reservoirs with a turbulence model provides a useful tool that is computationally viable for engineering purposes. Furthermore, the turbulence model based on the Richardson number takes into account the effects of interaction between turbulence and stratification. The algebraic model is the simplest among the various models of turbulence, but provides realistic results with the fitting of a small amount of parameters. Eddy-Viscosity/Diffusivity models for stratified turbulent flows models are incorporated. Using the Finite Element Method (FEM) approximation the Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) and mean scalar transport equations are approximated. The convective terms are discretized employing the Semi-Lagrangian method, and the spatial discretization is based on the Galerkin method. The computational results are compared with the results available in the literature. Finally, the simulation of the flow in a branch of a reservoir is presented.