O objetivo deste trabalho é estudar a modelagem do escoamento de fluidos incompressíveis mediante o método de Lattice-Boltzmann (LBM). Nesta classe de métodos as equações baseadas na cinética mesoscópica nos permitem modelar o comportamento macro-contínuo da dinâmica de fluidos. Desta forma, realiza-se um estudo teórico do LBM incluindo a análise de diferentes distribuições de equilíbrio, modelos de lattice, suas relações com a equação de Boltzmann assim como sua aproximação assintótica às equações de Navier-Stokes. Por outro lado, estudam-se os aspectos relacionados à imposição de condições de contorno identificando procedimentos adequados para os problemas aqui tratados. Posteriormente, realiza-se um estudo detalhado de caráter numérico sobre o desempenho do LBM na simulação computacional de escoamentos de fluidos, envolvendo problemas estacionários e transientes, para casos em 2D e 3D. A partir do conhecimento das características do modelo, desenvolvem-se técnicas para efetuar a calibração dos parâmetros do LBM visando à obtenção de resultados coerentes e confiáveis de acordo às condições físicas do problema. Estas técnicas são empregadas com ênfase em problemas 3D dependentes do tempo, e cujas características são similares às encontradas na modelagem do escoamento sanguíneo em artérias.

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / Foi implementado, na linguagem Visual Basic 6, um programa computacional para a anÃlise do Golpe de ArÃete em adutoras, utilizando-se do MÃtodo das CaracterÃsticas e das equaÃÃes caracterÃsticas de equipamentos normalmente encontrados nos sistemas hidrÃulicos. Procurou-se desenvolver um aplicativo que possibilite ao usuÃrio visualizar o comportamento das ondas de sobrepressÃo e subpressÃo decorrentes do fenÃmeno transitÃrio, alÃm de verificar a influÃncia da chaminà de equilÃbrio e do tanque de alimentaÃÃo unidirecional (TAU) como dispositivos de alÃvio do golpe de arÃete. Aplicou-se o modelo computacional na anÃlise dos transientes hidrÃulicos gerados pelo desligamento do conjunto moto-bomba, e na avaliaÃÃo da eficiÃncia da chaminà de equilÃbrio e do tanque de alimentaÃÃo unidirecional como mecanismos de atenuaÃÃo dos picos de pressÃo. A validaÃÃo do modelo se deu atravÃs da comparaÃÃo dos resultados das simulaÃÃes com os dados obtidos nos testes realizados utilizando-se o CTran, software desenvolvido pela FundaÃÃo Centro TecnolÃgico de HidrÃulica da Escola PolitÃcnica da Universidade de SÃo Paulo. De acordo com a anÃlise estatÃstica, o programa desenvolvido apresentou resultados bastante satisfatÃrios na anÃlise do golpe de arÃete, possuindo uma interface de fÃcil utilizaÃÃo e visualizaÃÃo dos resultados, fato de fundamental importÃncia para que projetistas e estudantes compreendam o comportamento do fenÃmeno. / The main goal of this research is the development of the computer code designed to model the water hammer problem which occurs in water pipes. It was used the method of characteristics to numerically solve the differential equations which control the problem. The software developed allows the user to visualize the behavior oh the over and under pressure waves resulting from the occurrence of the transient problem. Other features of the developed software includes the possibility of analyzing the introduction of mechanisms to decrease the effects of the water hammer problem such as orifice tanks, one-way tanks, closed tanks and relief valves. The developed model was applied and validated to water conducts which was previously been analyzed by the software CTran, developed by the âEscola PolitÃcnica de Universidade de SÃo Pauloâ. The results were very satisfactory

Desenvolve-se um método para estimar os parâmetros de uma rede hidráulica a partir de dados observados de cargas hidráulicas transientes. Os parâmetros físicos da rede como fatores de atrito, rugosidades absolutas, diâmetros e a identificação e quantificação de vazamentos são as grandezas desconhecidas. O problema transiente inverso é resolvido utilizando uma abordagem indireta que compara os dados disponíveis de carga hidráulica transiente observados com os calculados através de um método matemático. O Método Transiente Inverso (MTI) com um Algoritmo Genético (AG) emprega o Método das Características (MOC) na solução das equações do movimento para escoamento transiente em redes de tubos. As condições de regime permanente são desconhecidas. Para avaliar a confiabilidade do MTI-AG desenvolvido aqui, uma rede-exemplo é usada para os vários problemas de calibração propostos. O comportamento transiente é imposto por duas manobras distintas de uma válvula de controle localizada em um dos nós da rede. Analisam-se, ainda, o desempenho do método proposto mediante a variabilidade do tamanho do registro transiente e de possíveis erros de leitura nas cargas hidráulicas. Ensaios numéricos realizados mostram que o método é viável e aplicável à solução de problema inverso em redes hidráulicas, sobretudo recorrendo-se a poucos dados observados e ao desconhecimento das condições iniciais de estado permanente. Nos diversos problemas de identificação, as informações transientes obtidas da manobra mais brusca produziu estimações mais eficientes. / A method for estimation of parameters of existing hydraulic networks on the basis of observed transients pressures. Such parameters include pipe friction factors or absolute roughness, their diameters and the leakage locations and discharges. The inverse transient problem in terms of unknown parameters is solved through an indirect calibration procedure, which compares the calculated and observed hydraulic heads. The search method for optimal parameters employs the Method of Characteristics for the solution equations of transient motions in pipes and Genetic Algorithms. The initial conditions in the state of equilibrium are supposed unknown and the observed transient behavior of the network is in response to a valve maneuver composed of partial closure and reestablishment of flow in a pipe. In order to validate the transient calibration method, an example network is used to test various proposed calibration problems. The results show that the proposed method can be used with confidence for determination of various kinds of parameters. The transient inverse method is capable of network calibration using transient data collected at few locations in response to a quick valve maneuver.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit modernen geregelten Niederspannungsdrehstromantrieben. Es wird insbesondere auf das Problem der Stromverdrängung bei Maschinen mittlerer bis großer Leistung eingegangen. Für hohe Frequenzen in Verbindung mit hohen Ständernuten kommt es dabei zu einer gravierenden Erhöhung der Ständerwicklungsverluste infolge der Stromverdrängung. Diese führt sowohl zu einem starken Anstieg der mittleren Erwärmung der Maschine als auch zu Heißpunkten in der Ständerwicklung. Aufgrund ihres Einsatzes als Prüfstandsmotor werden moderne geregelt betriebene Induktionsmotoren gezielt zu Drehschwingungen angeregt. Eine ähnliche Problematik findet man in abgwandelter Form auch bei Maschinen der Querschneiderindustrie, welche Spielzeiten im zehntel Sekundenbereich aufweisen. Bei diesen Induktionsmaschinen kommt es aufgrund der zyklischen Drehmomentänderung zu einem Stromverdrängungseffekt in den Stäben des Kurzschlusskäfigs. Es entsteht damit eine zusätzliche Verlustquelle, die wesentlich zur Erwärmung des Läufers beiträgt. Nach dem heutigen Stand der Wissenschaft geht man bei der Stromregelung von einem Trägheitsverhalten 1.Ordnung für die Übertragungsfunktion der Induktionsmaschine aus. Die vorliegende Arbeit erweitert dieses Modell unter Berücksichtigung der Läuferstromverdrängung. / This study focuses on modern controlled low voltage three phase machines, especially, on the problem of the skin effect in machines of middle and high power range. Due to the skin effect, a severe increase of the dissipation power of the slot windings can be observed for high frequencies with deep slots. This causes a sharp rise of the temperature of the machine as well as hot spots in the stator winding. As a result of its use as test bench applications, modern controlled induction machines are purposefully stimulated for torsional vibration. A similar difficulty can be found in machines for the cross cutter industry, which can be applied in the tenth part of a second, for instance. Because of the cyclical change of the torque in these induction machines, a skin effect results in the bars of the squirrel-cage. Here, an additional source of dissipation, which adds considerably to the heating of the rotor, emerges. Following the state of today’s science, at the current control loop an PT1-element can be assumed for the transfer function of induction machines. This study expands the model with regard to the rotor skin effect.

[pt] O estudo de fenômenos transitórios em sistemas hidráulicos está presente em diversos ramos da engenharia, encontra-se na área de hidrelétricas e na indústria do petróleo. O presente trabalho apresenta uma análise comparativa deste fenômeno utilizando três abordagens de modelagem distintas: o clássico método das características, a técnica de grafos de ligação e o tratamento através do fluxo de potência. No caso do método das características emprega-se o procedimento proposto por Streeter. Na modelagem através de grafo de ligação adota-se a analogia generalizada entre os sistemas fluido, mecânico e elétrico. Na representação pelo fluxo de potência acopla-se módulos previamente desenvolvidos considerando as relações de causa e efeito entre os componentes de um sistema. Todos os métodos foram implementados em Matlab e foram testados e comparados a partir de simulações em dois sistemas simples compostos de um reservatório, linha fluida e válvula. Os resultados obtidos através da metodologia de fluxo de potência aproximam-se dos encontrados pelas abordagens tradicionais. / [en] The study of transitory phenomena in hydraulic systems is present in several branches of the engineering, in the hydroelectric power stations area and in the petroleum industry. The present work introduce a comparative analysis of this phenomenon using three approaches of distinct modeling: the classic characteristics method, the technique of bond graphs and the treatment through the power flow. In the case of characteristics method is used the procedure proposed by Streeter. In the modeling through bond graphs is adopted the generalized analogy among the fluid, mechanic and electric systems. In the representation by power flow modules previously developed are coupled considering the cause and effect relationships between components of one system. All methods were implemented in Matlab and were tested and compared from simulations in two simple systems composed of a reservoir, fluid lines and valve. The results obtained through the methodology of power flow are near of the discoveries by the traditional approaches.

Die dreidimensionale Positionsbestimmung unter Tage ist eine in der bergbautechnischen Praxis häufig gestellte Aufgabe. Die derzeit gebräuchlichen Verfahren basieren überwiegend auf zahlreichen relativen Messungen zwischen Festpunkten an der Erdoberfläche und dem zu bestimmenden Punkt unter Tage. Das hier vorgestellte Verfahren ist ein im geodätischen Sinn absolutes Verfahren. Die Punktbestimmung erfolgt direkt mit Hilfe der Festpunkte über Tage und dem unbekannten Punkt unter Tage. Relative Messungen zu benachbarten Punkten sind nicht notwendig. Die Grundlage des Verfahrens bildet die zeitliche Erfassung transienter elektromagnetischer Felder an einem zu bestimmenden Punkt unter Tage. Die Quellen dieser Felder sind gleichstromdurchflossene Drahtschleifen an der Erdoberfläche, die näherungsweise magnetische Dipole darstellen. Nach Abschalten des Stromes zerfällt das statische Magnetfeld und induziert elektrische Ströme in der leitfähigen Erde. Das transiente Magnetfeld wird unter Tage an einem Punkt für verschiedene Senderpositionen aufgezeichnet. Mit Hilfe eines Inversionsalgorithmus werden letztlich die dreidimensionalen Koordinaten des Messpunktes bestimmt. / Three-dimensional positioning in mines and caves is a common challenge. The methods currently used are based on numerous relative measurements. The method presented here is an absolute procedure in a geodesic sense. The coordinates of the unknown point are directly calculated using the surface points and the point underground. Relative measurements to neighboring points are not necessary. The localization procedure is based on recording transient electromagnetic fields under-ground. They are generated at the surface using direct-current carrying wire loops, which approximately represent magnetic dipoles. After shutoff the static magnetic field decays and induces electric currents in the conductive Earth. The transient electromagnetic field is recorded at an unknown point in the subsurface for different source positions. Finally, the three-dimensional coordinates of this point are reconstructed using an inversion algorithm.

Uma versão do POM - Princeton Ocean Model foi implementada no litoral norte do Estado de São Paulo, região compreendida entre as longitudes 46o e 44o30\'W e latitudes 24o30\' e 23o18\'S, abrangendo as cidades de Bertioga, São Sebastião, Caraguatatuba e Ubatuba, da linha da costa até aproximadamente a isóbata de 100 m, para estudos da resposta do mar ao vento. Para tanto foram realizados diferentes experimentos numéricos, combinando diferentes períodos e forçantes (de maré, vento e campos médios mensais de temperatura e salinidade). As respostas das simulações foram comparadas entre si, com estudos anteriores e a dados reais de diferentes fontes (marégrafo, correntômetro e altímetro). As simulações reproduziram razoavelmente os dados medidos, demostrando uma boa calibração do modelo. Foi observado o padrão de correntes predominantes para sudoeste, infuenciado pela Alta Subtropical do Atlântico Sul e seus ventos de nordeste, bem como eventuais efeitos de frentes frias com ventos de sudoeste e correntes para nordeste.Também se observou que as frentes frias mais intensas não ocorreram nos meses de inverno para os processamentos do ano de 2005, que apresentou várias situações anômalas, como por exemplo: um mês de Fevereiro com excepcional persistência de ventos do quadrante sul; ventos muito fracos em Março; Junho também com ventos fracos e praticamente ausência de frentes frias; e Setembro e Outubro com incursões muito freqüentes de frentes. Apesar das anomalias dos ventos e correspondentes campos de correntes, variações dos valores médios mensais de elevação da superfície do mar foram mais regulares, reproduzindo inclusive os valores medidos por altimetria, com um ciclo sazonal bem definido, o que provavelmente se deve ao fato das elevações da superfície do mar serem mais dependentes da circulação geral no Atlântico Sul e menos dependentes de ventos locais. Também foram analisados através da modelagem, os campos hidrodinâmicos causados por diversas combinações de condições de maré (típicas e extremas) e de efeitos meteorológicos (predominantes e extremos). O processamento final do modelo indicou que a circulação de maré é uma boa aproximação da circulação total, com exceção de períodos em que ocorrem eventos meteorológicos extremos. / A version of POM - Princeton Ocean Model was used in the northern coastal area of São Paulo State, longitudes 46o ? 44o30\'W and latitudes 24o30\' ? 23o18\'S, with the cities of Bertioga, São Sebastião, Caraguatatuba e Ubatuba in the domain, from the coast to the 100m isobath, to study the sea response to the wind forcing. For this purpose, several numerical experiment were performed, involving different periods and forcings (including tides, winds and monthly means fields of temperature and salinity). The simulations results were compared to other studies, with real observations from several sources methods (tide gauge, current meter and altimeter). The simulations reproduced reasonably the real datas, showing a good model calibration. Standard currents to the southeast, were observed, due to the South Atlantic Subtropical High influence and its northeast winds, as well as eventual northeast currents generated by cold fronts with southeast winds. It was also observed that the strongest cold fronts did not occur in winter\'s months in the model runs of the year of 2005, which presented several anomalies, as for example: February exceptional southern winds persistence; very weak winds in March; June practically without colds fronts and weak winds too; and September and October with frequent cold fronts incursions. Despite the wind anomalies and correspondent currents fields, the monthly means elevations of sea surface has regular pattern, reproducing the altimeter data, with clear seasonal cycle, probably because the sea surface elevations depend more on the general circulation in the South Atlantic and not on the local winds. Through the modeling hydrodynamical fields generated by differents tidal conditions (typical and extremes) and by several meteorological effect (standard and extremes) were analyzed. The last model processement indicate that tidal circulation is a god approximation of the total circulation, except when extreme meteorological events occur.

Uma versão do POM - Princeton Ocean Model foi implementada no litoral norte do Estado de São Paulo, região compreendida entre as longitudes 46o e 44o30\'W e latitudes 24o30\' e 23o18\'S, abrangendo as cidades de Bertioga, São Sebastião, Caraguatatuba e Ubatuba, da linha da costa até aproximadamente a isóbata de 100 m, para estudos da resposta do mar ao vento. Para tanto foram realizados diferentes experimentos numéricos, combinando diferentes períodos e forçantes (de maré, vento e campos médios mensais de temperatura e salinidade). As respostas das simulações foram comparadas entre si, com estudos anteriores e a dados reais de diferentes fontes (marégrafo, correntômetro e altímetro). As simulações reproduziram razoavelmente os dados medidos, demostrando uma boa calibração do modelo. Foi observado o padrão de correntes predominantes para sudoeste, infuenciado pela Alta Subtropical do Atlântico Sul e seus ventos de nordeste, bem como eventuais efeitos de frentes frias com ventos de sudoeste e correntes para nordeste.Também se observou que as frentes frias mais intensas não ocorreram nos meses de inverno para os processamentos do ano de 2005, que apresentou várias situações anômalas, como por exemplo: um mês de Fevereiro com excepcional persistência de ventos do quadrante sul; ventos muito fracos em Março; Junho também com ventos fracos e praticamente ausência de frentes frias; e Setembro e Outubro com incursões muito freqüentes de frentes. Apesar das anomalias dos ventos e correspondentes campos de correntes, variações dos valores médios mensais de elevação da superfície do mar foram mais regulares, reproduzindo inclusive os valores medidos por altimetria, com um ciclo sazonal bem definido, o que provavelmente se deve ao fato das elevações da superfície do mar serem mais dependentes da circulação geral no Atlântico Sul e menos dependentes de ventos locais. Também foram analisados através da modelagem, os campos hidrodinâmicos causados por diversas combinações de condições de maré (típicas e extremas) e de efeitos meteorológicos (predominantes e extremos). O processamento final do modelo indicou que a circulação de maré é uma boa aproximação da circulação total, com exceção de períodos em que ocorrem eventos meteorológicos extremos. / A version of POM - Princeton Ocean Model was used in the northern coastal area of São Paulo State, longitudes 46o ? 44o30\'W and latitudes 24o30\' ? 23o18\'S, with the cities of Bertioga, São Sebastião, Caraguatatuba e Ubatuba in the domain, from the coast to the 100m isobath, to study the sea response to the wind forcing. For this purpose, several numerical experiment were performed, involving different periods and forcings (including tides, winds and monthly means fields of temperature and salinity). The simulations results were compared to other studies, with real observations from several sources methods (tide gauge, current meter and altimeter). The simulations reproduced reasonably the real datas, showing a good model calibration. Standard currents to the southeast, were observed, due to the South Atlantic Subtropical High influence and its northeast winds, as well as eventual northeast currents generated by cold fronts with southeast winds. It was also observed that the strongest cold fronts did not occur in winter\'s months in the model runs of the year of 2005, which presented several anomalies, as for example: February exceptional southern winds persistence; very weak winds in March; June practically without colds fronts and weak winds too; and September and October with frequent cold fronts incursions. Despite the wind anomalies and correspondent currents fields, the monthly means elevations of sea surface has regular pattern, reproducing the altimeter data, with clear seasonal cycle, probably because the sea surface elevations depend more on the general circulation in the South Atlantic and not on the local winds. Through the modeling hydrodynamical fields generated by differents tidal conditions (typical and extremes) and by several meteorological effect (standard and extremes) were analyzed. The last model processement indicate that tidal circulation is a god approximation of the total circulation, except when extreme meteorological events occur.

[pt] Este trabalho apresenta um novo modelo térmico analítico que acopla poço e reservatório, constituído por um sistema combinado de reservatório, revestimento e coluna de produção. As soluções analíticas consideram fluxo monofásico de fluido pouco compressível em um reservatório homogêneo e infinito e fornecem dados transitórios de temperatura e pressão ao longo do poço para testes de fluxo e de crescimento de pressão, considerando efeitos Joule-Thomson, de expansão adiabática, de condução e convecção. A massa específica do fluido é modelada como função da temperatura e a solução analítica faz uso da transformada de Laplace para resolver a equação diferencial de fluxo de calor transiente, assumindo o termo aT⁄az totalmente transiente. Com relação à análise de transientes de pressão (PTA), dados de pressão impactados por variações térmicas podem levar à interpretação de falsas heterogeneidades geológicas, pois a perda de calor durante a estática proporciona um aumento da pressão exercida pela coluna de fluido, devido ao incremento de sua massa específica, além de uma contração da coluna de produção, provocando uma mudança na posição do registrador. Esses efeitos podem fazer com que um reservatório homogêneo seja erroneamente interpretado como um reservatório de dupla porosidade, resultando em conclusões inválidas para a modelagem geológica. Os resultados deste trabalho são comparados com a resposta de um simulador comercial não-isotérmico e impactos nas interpretações são extensivamente investigados. Adicionalmente, um estudo de caso de campo é fornecido para validar as soluções analíticas propostas. Comparado à Literatura, o modelo proposto fornece perfis transientes de temperatura mais acurados. / [en] This work presents a new coupled transient-wellbore/reservoir thermal analytical model, consisting of a reservoir/casing/tubing combined system. The analytical solutions consider flow of a slightly compressible, single-phase fluid in a homogeneous infinite-acting reservoir system and provide temperature- and pressure-transient data for drawdown and buildup tests at any gauge location along the wellbore, accounting for Joule-Thomson, adiabatic fluid-expansion, conduction and convection effects. The wellbore fluid mass density is modeled as a function of temperature and the analytical solution makes use of the Laplace transformation to solve the transient heat-flow differential equation, accounting for a rigorous transient wellbore-temperature gradient aT⁄az. Regarding pressure transient analysis (PTA), thermal impacted pressure data may lead to the interpretation of false geological heterogeneities, since the heat loss during the buildup period provides an increase in the pressure exerted by the wellbore-fluid column, due to an increase in the oil mass density, and a change in tubing length, consequently causing a change in the gauge location. These effects can make a homogeneous reservoir be wrongly interpreted as a double-porosity reservoir, yielding invalid conclusions to geological modeling. Results are compared to the response of a commercial non-isothermal simulator and thermal impacts on PTA interpretations are thoroughly investigated. In addition, a field case study is also provided to verify the proposed analytical solutions. The proposed model provides more accurate transient temperature flow profiles along the wellbore when compared to previous models in Literature.

We present the analysis for the higher order continuous Galerkin−Petrov (cGP) time discretization schemes in combination with the one-level local projection stabilization in space applied to time-dependent convection-diffusion-reaction problems. Optimal a priori error estimates will be proved. Numerical studies support the theoretical results. Furthermore, a numerical comparison between continuous Galerkin−Petrov and discontinuous Galerkin time discretization schemes will be given.