Neste trabalho, a resposta dinâmica de um riser marítimo devido à geração e desprendimento alternado de vórtices é investigada numericamente. O riser é dividido em seções bidimensionais ao longo de seu comprimento. O Método dos Vórtices Discretos é empregado para a determinação das forças hidrodinâmicas que agem nestas seções bidimensionais. As seções hidrodinâmicas são resolvidas independentemente, e o acoplamento entre as mesmas é feito através da solução da estrutura no domínio do tempo pelo Método dos Elementos Finitos. Os resultados numéricos são comparados com resultados obtidos experimentalmente. Processamento paralelo é empregado para melhorar a performance do método. As simulações são realizadas através de uma metodologia mestre-escravo, utilizando MPI Message Passing Interface para explorar o paralelismo. A escalabilidade do algoritmo é mostrada e discutida. Este trabalho representa o desenvolvimento de um simulador que permite, efetivamente, a análise dinâmica de um riser com características e dimensões representativas das condições reais encontradas em campo, a um custo computacional factível para seu uso como uma ferramenta de engenharia. Isto é obtido por meio da técnica de processamento paralelo, aliada à solução do escoamento através de um método eficiente de CFD Método dos Vórtices Discretos e à solução da estrutura através do Método dos Elementos Finitos. / In this work the dy6namic response of a marine riser due to vortex shedding is numerically investigated. The riser is divided in two-dimensional sections along the riser length. The Discrete Vortex Method is employed for the assessment of the hydrodynamic forces acting on these two-dimensional sections. The hydrodynamic sections are solved independently, and the coupling among the sections is taken into account by the solution of the structure in the time domain by the Finite Element Method. The numerical results are compared with results obtained experimentally. Parallel processing is employed to improve the performance of the method. The simulations are carried out through a master-slave approach using MPI Message Passing Interface to exploit the parallelism. Scalability of the algorithm is shown and discussed. This work represents the development of a simulator that effectively allows the dynamic analysis of a riser with representative characteristics and dimensions of real field conditions, with a feasible computational cost for its use as an engineering tool. This is obtained by means of the parallel processing technique, together with an efficient CFD solution of the flow with de Discrete Vortex Method and the solution of the structure with the Finite Element Method.

Neste trabalho, a resposta dinâmica de um riser marítimo devido à geração e desprendimento alternado de vórtices é investigada numericamente. O riser é dividido em seções bidimensionais ao longo de seu comprimento. O Método dos Vórtices Discretos é empregado para a determinação das forças hidrodinâmicas que agem nestas seções bidimensionais. As seções hidrodinâmicas são resolvidas independentemente, e o acoplamento entre as mesmas é feito através da solução da estrutura no domínio do tempo pelo Método dos Elementos Finitos. Os resultados numéricos são comparados com resultados obtidos experimentalmente. Processamento paralelo é empregado para melhorar a performance do método. As simulações são realizadas através de uma metodologia mestre-escravo, utilizando MPI Message Passing Interface para explorar o paralelismo. A escalabilidade do algoritmo é mostrada e discutida. Este trabalho representa o desenvolvimento de um simulador que permite, efetivamente, a análise dinâmica de um riser com características e dimensões representativas das condições reais encontradas em campo, a um custo computacional factível para seu uso como uma ferramenta de engenharia. Isto é obtido por meio da técnica de processamento paralelo, aliada à solução do escoamento através de um método eficiente de CFD Método dos Vórtices Discretos e à solução da estrutura através do Método dos Elementos Finitos. / In this work the dy6namic response of a marine riser due to vortex shedding is numerically investigated. The riser is divided in two-dimensional sections along the riser length. The Discrete Vortex Method is employed for the assessment of the hydrodynamic forces acting on these two-dimensional sections. The hydrodynamic sections are solved independently, and the coupling among the sections is taken into account by the solution of the structure in the time domain by the Finite Element Method. The numerical results are compared with results obtained experimentally. Parallel processing is employed to improve the performance of the method. The simulations are carried out through a master-slave approach using MPI Message Passing Interface to exploit the parallelism. Scalability of the algorithm is shown and discussed. This work represents the development of a simulator that effectively allows the dynamic analysis of a riser with representative characteristics and dimensions of real field conditions, with a feasible computational cost for its use as an engineering tool. This is obtained by means of the parallel processing technique, together with an efficient CFD solution of the flow with de Discrete Vortex Method and the solution of the structure with the Finite Element Method.

O problema das vibrações induzidas por vórtices em cilindros flexíveis inclinados em relação ao perfil de correnteza incidente é estudado através de uma abordagem experimental. Este tema se mostra de grande importância e aplicação na Engenharia Naval e Oceânica uma vez que são diversas as estruturas que se encaixam nesta descrição, como são o casos dos risers e linhas de amarração. Apesar de extensa, a literatura técnica especializada no assunto é focada em simplificações, tais como os estudos de cilindros rígidos fixos, cilindros rígidos montados em base elástica e cilindros flexíveis verticais ou lançados em catenária livre. A questão da inclinação é abordada em termos do Principio da Independência que diz que as forças e a frequência de emissão de vórtices em um cilindro inclinado são iguais as de um cilindro vertical se considerada apenas a parcela da correnteza normal à direção de inclinação. Estudos anteriores mostraram que este princípio é válido somente em algumas condições específicas e poucos deles apresentam resultados para cilindros flexíveis. Com base nisso, um ensaio em escala reduzida em tanque de reboque foi realizado com um modelo de linha composto por um tubo de silicone preenchido com microesferas de aço e condições de contorno articuladas em suas extremidades, o que conferiu características inerciais e geométricas ideais para a obtenção do fenômeno. Além da configuração vertical (? = 0°), que é o caso de referência, o modelo foi estudado em outras quatro inclinações com a vertical: ? = 10°, 20°, 30° e 45°. Estas inclinações foram ensaiadas para cinco diferentes azimute: ? = 0°, 45°, 90°, 135° e 180°, resultando em vinte e uma configurações de inclinação. Os resultados são analisados em termos da decomposição modal da vibração da linha, ou seja, são apresentadas amplitudes e frequências de oscilação ocorridas em cada um dos modos de vibrar. Além disso são realizadas análises espectrais, gráficos de evolução espaço-temporal, trajetórias de pontos ao longo do modelo flexível, entre outros. Frequências naturais, coeficientes de amortecimento e trações no topo são apresentados, complementarmente, como resultados de caracterização do modelo. Os estudos apontaram para uma validade do PI com algumas ressalvas, principalmente influenciadas pela diferença nas frequências do primeiro e segundo modo que é crescente com o aumento da inclinação. Além disso conclusões importantes sobre a coexistência modal, em regiões de ressonância e/ou de transição da dominância modal, foram obtidas. / The vortex-induced vibration problem in flexible cylinders yawed in relation to the incident current profile is studied through an experimental approach. This topic has great importance and application on Naval and Oceanic Engineering once there are multiple structures that fit into this description, such as risers and mooring lines. Though extensive, technical literature specialized on this topic is focused on simplifications such as the study of fixed rigid cylinders, elastic base rigid cylinders and flexible cylinders assembled vertically or launched in free hanging catenary. The inclination issue is addressed in the terms of the Principle of Independence which states that the forces and frequency shedding in an inclined cylinder are equal to those of a vertical cylinder if only considered the current component normal to the inclination plane. Previous studies showed that this principle is valid only on some specific conditions and few of them showed results to flexible systems. Based on this, a scaled tow tank test was performed with a line model composed of a silicone tube filled with steel microspheres and articulated end conditions, which offered the ideal inertial and geometrical conditions to obtaining the phenomenon. Besides the vertical configuration (? = 0°), which is the reference case, the model was studied in other four inclinations with the vertical: ? = 10°,20°, 30° and 45°. These inclinations were tested for five different azimuth directions: ? = 0°, 45°, 90°, 135° and 180°, resulting in 21 configurations. The results are analyzed on terms of the modal decomposition of the line motions, that is, amplitudes and oscillation frequencies are presented for each one of the vibration modes. Furthermore other analyzes are made, as spectral graphs, spatio-temporal evolution graphs, line points trajectories, among others. Natural frequencies, damping coefficients and tensions at the top are presented, complementarly, as results of the model characterization. The studies pointed to a validity of the IP with some reservations, mainly influenced by the difference in of the first and second mode frequencies that is increasing with the yaw increase. In addition, important conclusions about modal coexistence in regions of resonance and / or transition of modal dominance were obtained.

In this thesis, we numerically investigate quantum turbulence in trapped atomic Bose-Einstein condensates (BECs). We first discuss the appropriate qualitative characterization of turbulence in these systems, showing the limitation of analogies with classical hydrodynamics and turbulence in large superfluid Helium experiments. Due to their lack of available length scales, our investigated systems can only fit the ultraquantum (or Vinen) type of quantum turbulence. Secondly, we propose experimentally feasible schemes for more controlled investigations of turbulence making use of dynamical instability of multicharged vortices as an onset for complex vortex dynamics. In two dimensions, our suggested scheme allows control over vortex polarization in the harmonically trapped system. This setup is then used to study how turbulence decays in such a scenario, through the phenomenological modeling of a vortex-number rate equation. As a consequence, we were able to identify that vortex annihilation in these trapped systems happens through a four-vortex process. For three dimensions, we have first provided a study on the decay of a quadruply-charged vortex, also in a harmonically trapped BEC. Having this setting as a comparison point, we propose a quasi-isotropic turbulent system, starting from a phase-imprinted initial state of two doubly-charged, anti-parallel vortices. The vortex turbulence arisen from such configuration was shown to agree with the Vinen turbulent regime, after we characterized specific features of its decay, such as the energy spectrum [E(k) ∼ k1] and the time evolution of the vortex-line density [L(t) ∼ t1]. Although these features have been frequently verified in the context of superfluid Helium turbulence, here this identification was for the first time done for realistic, trapped atomic BECs. / Nesta tese, investigamos numericamente a turbulência quântica em condensados de Bose- Einstein (BECs) aprisionados. Discutimos, inicialmente, a caracterização qualitativa apropriada para estes sistemas, mostrando a limitação de analogias tipicamente feitas com hidrodinâmica clássica e turbulência em grandes sistemas com Hélio superfluido. Devido às suas limitadas escalas espaciais, os sistemas investigados somente podem exibir o tipo de turbulência conhecida como ultra-quântica (ou de Vinen). Em seguida, propomos sistemas experimentalmente factíveis que permitem investigações mais controladas da turbulência, fazendo uso da instabilidade dinâmica de vórtices multi-carregados como ponto de partida para geração de dinâmicas complexas. Em duas dimensões, nossa proposta permite controle sobre a polarização de vórtices em sistemas aprisionados em potencial harmônico. Este arranjo é então utilizado no estudo do decaimento da turbulência nesse contexto, através de um modelo fenomenológico para equação que descreve a taxa de variação do número de vórtices. Como consequência, pudemos verificar que a aniquilação de vórtices dá-se através de um processo que envolve quatro vórtices. Em três dimensões, apresentamos um estudo do decaimento de um vórtice de carga topológica quatro, também em potencial harmônico. Mantendo em mente esse sistema a título de comparação, propomos um cenário turbulento, quase-isotrópico, partindo de um estado inicial formado por dois vórtices duplamente carregados, mas orientados anti-paralelamente. Verificamos que a turbulência decorrente desse arranjo coincide com a regime de Vinen analisando características do seu decaimento, especificamente obtendo o espectro de energia [E(k) ∼ k1] e evolução temporal da densidade de linhas de vórtices [L(t) ∼ t1]. Apesar de que essas características são comumente encontradas no contexto de Hélio superfluido, apresentamos pela primeira vez essa identificação no cenário realístico de BEC aprisionados.

O objetivo deste projeto de mestrado é estudar o escoamento bidimensional ao redor de um cilindro isolado oscilando forçadamente e apoiado em base elástica através de simulações computacionais utilizando o Método de Elementos Espectrais. Este tópico suscita grande interesse no meio tecnológico, pois esta configuração aparece com bastante freqüência em estruturas marítimas, como os \"risers\" de produção e umbilicais de plataformas de exploração de petróleo, e também no meio acadêmico, uma vez que se trata do estudo de fenômenos complexos originados do escoamento ao redor de uma geometria simples: cilindro circular. A pesquisa tem seu principal enfoque na avaliação da utilização do método espectral de elementos finitos para solução do escoamento bidimensional no limite do regime de esteira laminar, Re < ou = 200 , ao redor de um cilindro oscilando forçadamente e apoiado em base elástica. As simulações do escoamento ao redor de um cilindro oscilando forçadamente são realizadas com duas amplitudes de oscilação do cilindro: 0.15D e 0.40D . Para cada amplitude são utilizadas dez freqüências de oscilação: 0.8 s f , 0.85 s f , 0.9 s f , 0.95 s f , 0.975 s f , 0.9875 s f , 1.025 s f , 1.05 s f , 1.075 s f e 1.1 s f ; onde D é o diâmetro do cilindro e s f é a freqüência de desprendimento de vórtices para cilindro fixo. O objetivo destas simulações é a tentativa de observação do fenômeno da mudança brusca do ângulo de fase entre a força transversal à direção da corrente e o deslocamento do cilindro, \"phase-jump\", obtendo, deste modo, uma base para comparação com trabalhos já existentes sobre o mesmo tema, avaliando o método numérico utilizado para o caso do escoamento ao redor de um cilindro oscilando. As simulações do escoamento ao redor de um cilindro apoiado em base elástica (livre para oscilar) foram feitas com apenas um grau de liberdade: a direção transversal ao escoamento incidente (eixo y no caso estudado). O resultado mais importante deste tipo de configuração, do ponto de vista prático (projetos de \"risers\", e outras estruturas cilíndricas), é a curva max A / D versus r V , isto, devido à dependência da vida útil destas estruturas à máxima amplitude de oscilação. Para reproduzir a curva max A / D versus r V , foram escolhidos os seguintes valores de velocidade reduzida: 1.0, 2.0, 3.0, 3.5, 4.0, 4.5, 5.0, 6.0, 7.0, 8.0, 9.0, e 10.0. / The goal of this work is to study through numerical simulations using the Spectral Elements Method the two-dimensional the flow past a single circular cylinder that is either in simple harmonic cross-flow oscillation or elastically mounted. This is a very important topic for the technological environment because this configuration is identical to offshore structures, like risers of oil production platform and is also important to scientific environment due to the study of complex phenomena originated from the flow past a very simple geometry: a circular cylinder. The focus of this research is to evaluate the use of Spectral Element Method for solution of two-dimensional flow past a circular cylinder that is either in simple harmonic cross-flow oscillation or elastically mounted, at the laminar wake limit, Re < or = 200 . Two oscillation amplitudes were employed for the forced oscillations simulations: 0.15D e 0.40D . And, for each amplitude, were selected ten frequencies: 0.8 s f , 0.85 s f , 0.9 s f , 0.95 s f , 0.975 s f , 0.9875 s f , 1.025 s f , 1.05 s f , 1.075 s f e 1.1 s f ; where D is the cylinder diameter and s f is the vortex shedding frequency. The phase jump phenomenon, e.g., the fast change of phase angle, is observed and compared with existents works evaluating the Spectral Elements Method for forced oscillations cases. In the elastically mounted simulations the most important result, for the practical point of view (risers design), is the max A / D x r V curve, e.g., maximum amplitude versus velocity ratio, due to the relation of risers lifetime with maximum oscillation amplitude. To build the max A / D x r V curve were selected the follow values of velocity ratio: 1.0, 2.0, 3.0, 3.5, 4.0, 4.5, 5.0, 6.0, 7.0, 8.0, 9.0, e 10.0.

Tanto os motores turbo-jato quanto os turbo-fan, são os maiores responsáveis pela geração de ruído durante a decolagem, segmento de subida e de aceleração de uma aeronave. Devido a isto, o problema de ruído em jatos vem sendo intensamente investigado ao longo dos últimos anos. Já na fase do pouso, o slat é uma das fontes de ruído mais importantes. Para este caso, na maioria das aplicações práticas, existe o descolamento da camada limite no intradorso do slat a partir de onde se desenvolve uma camada de mistura. Ainda assim, existem inúmeros aspectos de tais escoamentos que precisam de investigação. Uma abordagem frequentemente feita para o estudo da instabilidade hidrodinâmica e ruído em jatos é o estudo de metade do jato. A estratégia consiste em estudar os fenômenos na camada de mistura, o que é uma aproximação razoável quando o jato tem diâmetro muito grande comparado à espessura da camada cisalhante que se desenvolve nas bordas do jato. Assim, alguns aspectos do ruído gerado pelos modos axi-simétricos de instabilidade são em grande parte reproduzidos. Um aspecto aparentemente jamais estudado antes é o efeito do emparelhamento de vórtices de diferentes geometrias na camada de mistura. Caso o efeito da modulação dos vórtices produzisse um padrão de ruído com características diferentes no emparelhamento, um controle ativo de escoamento por excitação periódica poderia ser usado para reduzir o ruído em jatos. O objetivo do presente trabalho é investigar tal efeito. A idéia é investigar este emparelhamento de vórtices na camada de mistura em desenvolvimento temporal bi-dimensional. Com isto foi possível visualizar um emparelhamento isolado de outros emparelhamentos e sem o efeito Doppler (presente na camada de mistura em desenvolvimento espacial). O método adotado foi a simulação numérica direta (DNS) das equações de Navier Stokes compressíveis na forma não-conservativa escritas na formulação característica. Os resultados mostram que a modulação dos vórtices não produz alteração significativa do ruído gerado no emparelhamento. / Turbo-fan and turbo-jet engines are the most important noise sources during the aircraft take off, climb and acceleration segments. Owing to this fact, the jet flow noise has been studied in the past years. For the landing stage, the slat is an important sound source. In this case, the slat leading edge frequently experiences a boundary layer deattachment causing the development of a mixing layer inside the slot. Nevertheless, there are many aspects of such phenomenon that have not been studied yet. Mixing layers constitutes an usual approach for jet flow instability in aeroacoustics studies. The stategy is to study the mixing layer in order to understand the jet-flow. This strategy becomes better as the ratio between the jet diameter and mixing layer thickness becomes larger. This approach is only reazonable for the jet flow axi-symetric unstable modes. The effect of vortex modulation on the vortex pairing sound production has not been found in the literature. If such effect could cause a significant change in the sound generation patterns, an active flow control system could be developed in order to enhance the jet noise performance. The purpose of the present work was to investigate such effect. It was also possible to observe a single vortex pairing inside a wide domain without the Doppler effect. The strategy was to study the vortex pairing in a bi-dimensional mixing layer under temporal development. The method used was the direct numerical simulation (DNS) of the compressible bidimensional (2D) Navier Stokes equations written in a nonconservative form of the characteristics formulation. The results showed that the vortex modulation did not produce a significant change on the vortex pairing sound.

Este trabalho tem por objetivo estudar através de simulações numéricas a interação fluido-estrutura de um escoamento ao redor de um cilindro livre para vibrar na direção transversal do escoamento, com o objetivo de compreender melhor o fenômeno muito recorrente em estruturas oceânicas, principalmente os dutos de extração de petróleo, chamados risers. A condição a ser estudada é a de escoamento com número de Reynolds igual a 10000, em um cilindro com parâmetro de massa igual a 3,3 e de amortecimento igual a 0,0026. Nestas condições, diversos modelos serão criados para representar toda a faixa de velocidades reduzidas em que ocorre o fenômeno de sincronização. Estes parâmetros foram escolhidos devido à presença de dados experimentais para o comparativo entre as simulações e os dados experimentais, que será apresentado ao final do trabalho. Resultados como a média do coeficiente de arrasto e o RMS do coeficiente de sustentação também serão comparados com dados experimentais disponíveis na literatura e uma análise dos perfis de escoamento na região da esteira é feita para a identificação de padrões recorrentes nestes tipos de caso. / The objective of this work is to study through numerical simulations the fluid-structure interaction in a cylinder, which is free to oscillate in the cross flow direction, aiming to better comprehend the phenomena that frequently appears in offshore structures, mainly in pipelines for oil extraction, called risers, The studied condition is a flow with Reynolds 10000 around a cylinder with mass ratio of 3.3 and damping factor of 0.0026. Under these conditions, multiples models are created to represent the reduced velocities range where the synchronization phenomena happen. Those parameters were chosen due to the availability of experimental data in the literature, which allows the comparison between the simulations and experiments that is presented in the end of the work. Results such as the drag coefficient mean and the lift coefficient RMS are also compared with the experimental data available in the literature and an analysis of the flow in the wake region is done with the intention of identifying the patterns found in this type of case.

Animais que nadam ou voam apresentam uma coordenação de movimentos similar que garante uma interação ótima de seus corpos com o escoamento gerando máxima eficiência propulsiva devido a interação dos vórtices liberados. O grupamento adimensional da mecânica dos fluidos que avalia esta coordenação é o número de Strouhal. Este estudo visa verificar se seres humanos seriam capazes de utilizar desta coordenação para nadar de forma mais rápida e eficiente. Para isso, foram analisadas as influencias antropométricas, de habilidade, desempenho, sexo e idade na possível utilização desta coordenação. Foram filmados 144 participantes de ambos os sexos, entre 12 e 53 anos e diferentes níveis de habilidade, enquanto nadavam crawl em máxima velocidade de forma livre, com limitação de velocidade e apenas com ação de pernas. Estes dados permitiram avaliar as condições do escoamento, o arrasto, o índice de coordenação, o número de Strouhal e a coordenação entre membros dos participantes. Embora as diferenças entre sexos e idades já reportadas na literatura a respeito do índice de coordenação e do arrasto tenham sido confirmadas, estas características parecem não afetar a coordenação entre membros e o número de Strouhal de forma a não influenciar o possível mecanismo propulsivo relacionado à interação dos vórtices. Nadadores mais habilidosos parecem tentar coordenar seus nados em um valor de Strouhal de aproximadamente 0,5, com um número fixo de pernadas dentro dos ciclos de braçadas e com movimentos de braços e pernas sincronizados. Esta coordenação constante parece privilegiar a ocorrência da finalização de uma pernada durante uma fase propulsiva crítica da braçada sustentando a possibilidade da interação das ações propulsivas. Quando submetidos a uma condição com limitação de velocidade os nadadores mais habilidosos buscaram alterar suas técnicas. Eles apresentaram maior amplitude de pernada, porém não foi possível determinar se isso ocorreu devido ao maior arrasto ou a uma tentativa de aumentar o número de Strouhal. O mesmo aumento da amplitude de pernada também foi observado para as condições com apenas propulsão de pernas, no entanto, para este caso, nadadores de todos os níveis identificaram a necessidade de alterar suas técnicas de pernadas. Estes resultados parecem sugerir que o aproveitamento da interação com vórtices não ocorreria em baixas velocidades e que apenas os nadadores mais habilidosos identificam a coordenação necessária para cada situação. Desta forma, o desempenho e experiência do nadador parecem constituir restritores para o aproveitamento da interação com vórtices. No entanto a partir de um determinado valor de número de Froude (velocidade normalizada pela raiz quadrada do produto entre estatura e a aceleração da gravidade), apenas a habilidade do nadador parece interferir nesta coordenação. O arrasto e as características antropométricas parecem não influenciar o número de Strouhal ou a coordenação entre membros / Flying and swimming animals presents a similar movement coordination that insure a optimal interaction between their bodies and the flow. This coordination generate high propulsive efficiency due to the interaction between shedding vortex. The dimensionless group used in fluid mechanics to evaluate this phenomenon is Strouhal number. This study aims to verify if the human beings are able to use this coordination to swim in a faster and more efficient way. For this purpose we analyzed the influence of anthropometric characteristics, ability, performance, sex and age in the possible use of the coordination mentioned above. 144 subjects of both sex, age between 12 and 53 years, and different ability levels were filmed while they swan front crawl in maximal velocity in three different conditions: free swimming, with velocity limitation and using legs action only. These data allowed evaluating the flow conditions, the drag force, the index of coordination, the Strouhal number and the coordination between limbs. Although differences between sex and age related to Index of coordination and drag reported previously have been confirmed, these characteristics seem not to affect the coordination between limbs and Strouhal number, in such a way, that the possible vortex interaction\'s propulsive mechanism would not be affected by sex and age. The most skilled swimmers seem to try to coordinate their movements to reach a Strouhal number about 0,5; with a fixed number of kick beats per stroke; and with a synchronized coordination between arms and legs. This coordination seems to lead to an occurrence of the ending of the kick beat in a critical propulsive phase of the stroke, which supports the possibility that there is an interaction between the propulsive actions of arms and legs. When the swimmers are exposed to a condition with velocity limitation, the most skilled of them tried to change their techniques. They raised their kick amplitude, however, it was not possible to determine if this raise happened due to the either higher drag force or to an attempt to raise the Strouhal number. The same kick amplitude raise was also observed on the legs propulsion condition, however, in this case, all swimmers were able to identify the need of change their techniques. These results suggest that the use of the interaction between vortex would not occur in low velocities, moreover, only the most skilled swimmers are able to identify the best coordination for each condition. In this way, the swimmer\'s performance and experience seem to be constraint for the use of the interaction between vortex. Nonetheless, since a Froude (V.(gl)-0.5) threshold was reached, only the swimmer\'s ability seems to affect this coordination. The drag and anthropometric characteristics seem not to affect Strouhal number or the limbs\' coordination

Esta tese visa o estudo das propriedades magnéticas de um sistema formado por um substrato de alumina nanoporosa contendo um arranjo organizado de nanofios de Ni sob o qual é depositado um filme supercondutor de Nb. Os substratos foram obtidos através da técnica de anodização em dois passos, seguida de uma eletrodeposição AC do material ferromagnético. O filme de Nb foi depositado via magnetron sputtering. A resposta magnética deste sistema foi investigado num amplo intervalo de temperaturas através de medidas de susceptibilidade magnética AC, magnetização DC e imagens de magneto-ótica (MOI). Inicialmente foram estudadas as propriedades magnéticas do sistema de nanofios de Ni. Para isto, realizamos medidas de magnetização a temperaturas acima da temperatura de transição supercondutora do Nb, no intervalo de 10 a 300 K, onde o filme supercondutor não contribui a magnetização. Estes resultados mostraram o forte caráter uniaxial da anisotropia efetiva neste tipo de sistemas, assim como também a sua dependência com a temperatura e com os diferentes parâmetros estruturais dos nanofios. Medidas de curvas de inversão magnética de primeira ordem (FORC) evidenciaram a presença predominante de interações magnéticas desmagnetizantes, assim como efeitos não lineares nos campos de interações. Propriedades supercondutoras do filme de Nb foram estudadas a partir de medidas de susceptibilidade AC e curvas de magnetização M(H) para diferentes temperaturas abaixo de Tc. As curvas de histerese magnéticas mostraram claramente anomalias em altos campos, comportamento que é atribuído a efeitos de correspondência (matching) entre a rede de vórtices no filme de Nb e o arranjo poroso com nanofios do substrato. As medidas mostraram que o substrato gera um forte potencial de aprisionamento de vórtices no filme supercondutor, o qual incrementa a sua eficiência a medida que a temperatura é diminuída. A análise das curvas de inversão de primeira ordem realizada na região supercondutora mostraram uma distribuição de eventos mais complexa do que o normalmente observado para um ferromagneto. Por causa disso, realizamos medidas FORC num sistema mais simples formado por um filme de Nb crescido num substrato de Si. No diagrama de níveis se observaram regiões negativas associadas a eventos de queda na magnetização, e regiões positivas fortemente localizadas como consequência da mudança na densidade de vórtices no supercondutor quando o campo é variado. Uma análise através de imageamento magneto-ótico (MOI) mostra que em baixas temperaturas e baixos campos as amostras apresentam um padrão de penetração de fluxo conhecido como avalanches de vórtices, efeito que aparece como consequência de um processo de instabilidade termomagnética em diferentes regiões do filme supercondutor. Esta penetração de fluxo é suave quando a temperatura é próxima à Tc do supercondutor, mas quando a temperatura é diminuída a penetração de fluxo adota um perfil dendrítico aleatório. / In this work we have studied the magnetic properties of a system formed by a Nb thin film deposited on top of an array of ferromagnetic Ni nanowires embedded in a ordered porous alumina membrane as substrate. The substrates were obtained by the two-step anodization technique, followed by an electrodeposition AC of the ferromagnetic material. The Nb film was deposited via magnetron sputtering. The magnetic response of this system was investigated over a wide range of temperatures through AC susceptibility, DC magnetization and magneto-optical images (MOI) measurements. Initially, the magnetic properties of Ni nanowire system were studied. We perform magnetization measurements above the superconducting transition temperature of Nb, in the range of 10 to 300 K where the superconducting film does not contribute to magnetization. These results showed the strong uniaxial character of the effective anisotropy in such systems, as well as its dependence on the temperature and the different structural parameters of the nanowires. First order reversal curves measurements showed the predominant of demagnetizing magnetic interactions, as well as non linear effects in the interaction fields. Superconducting properties of Nb thin film were studied from AC susceptibility and magnetization DC measurements at different temperatures below Tc. Magnetic hysteresis curves clearly showed anomalies in high fields, a behavior that is attributed to matching effects between the network of vortices in the Nb film and the porous arrangement with nanowires in the substrate. These measurements show that the substrate generates a strong vortex potential pinning which increases its efficiency as the temperature is decreased. Because of this, we performed FORC measurements on a simpler system consisting of a Nb film grown on a Si substrate. In the diagram of levels we observed negative regions associated with events of magnetization drop, and positive regions strongly localized as a consequence of the variation in density of vortices in the superconductor when the field is changed. An analysis using magneto-optical imaging (MOI) shows that at low temperatures and low magnetic fields the samples exhibit a flux penetration pattern known as vortex avalanches, an effect that appears as a consequence of a thermomagnetic instability process in different regions of the superconductor. This flux penetration is smooth when the temperature is close to Tc, but when the temperature is decreased the flux penetration adopts a random dendritic profile.

A importância da exploração marítima de petróleo, em especial para o Brasil, é indiscutível e risers são estruturas essenciais para essa atividade. Uma melhor compreensão da dinâmica dessas estruturas e dos esforços a que estão submetidas vem resultando de pesquisa constante na área, pesquisa que gera um grande volume de dados, freqüentemente descrevendo fenômenos de difícil compreensão. Este trabalho descreve o desenvolvimento de um ambiente que combina técnicas de realidade virtual (como ambientes 3D, navegação e estereoscopia) e visualização científica (como mapeamento de cores, deformações e glifos) para facilitar a visualização desses dados. O ambiente, batizado como RiserView, permite a montagem de cenas tridimensionais compostas por risers, relevo do solo, superfície marítima, embarcações, bóias e outras estruturas, cada um com sua dinâmica própria. Permite ainda a visualização do escoamento para que a formação de vórtices na vizinhança dos risers e a interação fluido-mecânica resultante possam ser estudadas. O usuário pode controlar parâmetros da visualização de cada elemento e da animação da cena, bem como navegar livremente por ela. Foi desenvolvido também um algoritmo de baixo custo computacional (graças a simplificações possíveis devido à natureza do problema) para detecção e exibição em tempo real de colisões entre risers. O Processo Unificado foi adaptado para servir como metodologia para o projeto e implementação do aplicativo. O uso do VTK (API gráfica e de visualização científica) e do IUP (API para desenvolvimento de interfaces com o usuário) simplificou o desenvolvimento, principalmente para produzir um aplicativo portável para MS-Windows e Linux. Como opções de projeto, a visualização científica e a velocidade na renderização das cenas são privilegiadas, ao invés do realismo e da agilidade na interação com o usuário. As conseqüências dessas escolhas, bem como alternativas, são discutidas no trabalho. O uso do VTK e, através dele, do OpenGL permite que o aplicativo faça uso dos recursos disponíveis em placas gráficas comerciais para aumentar sua performance. Em sua versão atual a tarefa mais custosa para o RiserView é a atualização das posições de risers, principalmente descritos no domínio da freqüência, mas o trabalho discute aprimoramentos relativamente simples para minimizar esse problema. Apesar desses (e de outros) aprimoramentos possíveis, discutidos no trabalho, o ambiente mostra-se bastante adequado à visualização dos risers e de sua dinâmica bem como de fenômenos e elementos a eles associados. / The importance of offshore oil exploration, especially to Brazil, cannot be argued and risers are crucial structures for this activity. A better understanding of the dynamics of these structures and of the efforts to which they are subject has been resulting from constant research in the field, research that generates a large volume of data, often describing phenomena of difficult comprehension. This work describes the development of a software environment that combines elements of virtual reality (3D environments, navigation, stereoscopy) and scientific visualization techniques (such as color mapping, deformations and glyphs) to improve the understanding and visualization of these data. The environment, christened RiserView, allows the composition of tridimensional scenes including risers, the floor and surface of the ocean and ships, buoys and other structures, each with its own dynamics. It also allows the visualization of the flow in the neighborhood of the risers so that vortex shedding and the resulting fluid-mechanic interactions may be studied. The user may control parameters of the scene animation and of the visualization for each of its elements, as well as navigate freely within the scene. An algorithm of low computational cost (thanks to simplifications possible due to the nature of the problem), for the detection and exhibition of collisions between risers in real time, was also developed. The Unified Process was adapted to guide the software's project and implementation. The use of VTK (a scientific visualization and graphics API) and IUP (a user interface development API) simplified the development, especially the effort required to build an application portable to MS-Windows and Linux. As project choices, scientific visualization and the speed in rendering scenes in real time were given higher priority than realism and the agility in the user interaction, respectively. The consequences of these choices, as well as some alternatives, are discussed. The use of VTK and, through it, OpenGL, allows the application to access features available in most commercial graphics cards to increase performance. In its current version, the most costly task for RiserView are the calculations required to update riser positions during animation, especially for risers described in the frequency domain, but the work discusses relatively simple improvements to minimize this problem. Despite these (and other) possible improvements discussed in the work, the application proves quite adequate to the visualization of risers and their dynamics, as well as of associate elements and phenomena.