A interação entre fluidos e estruturas caracteriza um problema multi-físico não linear e está presente numa grande variedade de áreas da engenharia. Este trabalho apresenta o desenvolvi mento de ferramentas computacionais com base no Método dos Elementos Finitos (MEF) para a análise de interação fluido-estrutura (IFE) considerando escoamentos com baixas velocidades. Dada a interdisciplinaridade do tema, se faz necessário o estudo em três diferentes assuntos: a dinâmica das estruturas computacional, a dinâmica dos fluidos computacional, e o problema de acoplamento. No caso da dinâmica das estruturas empregar-se um elemento finito que seja adequado para a simulação de problemas de IFE, que claramente demandam uma análise não linear geométrica, optando-se pelo emprego de uma formulação descrita em posições, a qual evita problemas relativos à aproximação de rotações finitas. Quanto à dinâmica dos fluidos computacional, é empregado um método estável e ao mesmo tempo sensível à movimentação da estrutura, utilizando a descrição Lagrangeana-Euleriana Arbitrária (ALE). Os casos considerados neste trabalho, assim como muitos dos problemas de engenharia, ocorrem com escoamentos em baixas velocidades, implicando na incompressibilidade do fluido, o que demanda, para um método estável, a utilização de elementos que atendam à condição de Ladyzhenskaya-Babuska-Brezzi (LBB). Além disso, é necessário também o emprego de métodos que consigam neutralizar as variações espúrias decorrentes da não-linearidade de possíveis escoamentos com convecção dominante e que surgem com a aplicação do processo clássico de Galerkin. Para superar esse problema, é aplicado o método Streamline-Upwind/Petrov-Galerkin (SUPG), que adiciona difusividade artificial na direção do escoamento, controlando a amplitude dos termos convectivos. No que se refere ao acoplamento fluido-casca, buscam-se modularidade e versatilidade adotando-se o modelo particionado. O modelo de acoplamento implementado garante ainda a utilização de malhas do fluido e da estrutura sem a necessidade de coincidência de nós. / Interaction between fluids and structures characterizes a nonlinear multi-physics problem presente in a wide range of engineering fields. This works presets the development of computational tools based on finite element method (FEM) for fluid-structure interaction (FSI) analysis considering low speed flows (incompressible), as a great part of the engineering problems. Given the topic multidisciplinary nature, it is necessary to study three different subjects: the computational structural dynamics, the computational fluid mechanics and the coupling problem. Regarding structural mechanics, we seek to employ a finite element adequate to FSI simulation, what clearly demands a geometric nonlinear analysis. We chose to employ shell elements with formulation in terms of positions, which avoids problems related to finite rotations approximations. Concerning computational fluid dynamics, we employ a stable method, at same time sensible o structural movements, which is written in the arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) description. The flow incompressibility demands, for a stable method, the use of elements according to the Ladyzhenskaya-Bbuska-Brezzi (LBB) condition. It is also necessary to employ methods able to neutralize the spurious variations that appears from convection dominated flows when applying the standard Galerking method. In order to overcome this problem, we apply the Streamline-Upwind/Petrov-Galerkin (SUPG) method, which adds artificial diffusivity to the streamline direction, controlling spurious variations. Considering the fluid-shell coupling, we seek modularity and versatility, adopting the partitioned model. The developed coupling model ensure the use of fluid and structure meshes with no need for matching nodes.

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.

Este trabalho consiste no desenvolvimento de ferramentas computacionais para análise não linear geométrica de interação fluido-casca utilizando o Método dos Elementos Finitos (MEF). O algoritmo para dinâmica dos fluidos é explícito e a integração temporal é baseada em linhas características. O código computacional é capaz de simular as equações de Navier-Stokes para escoamentos compressíveis tanto na descrição Euleriana como na descrição Lagrangeana-Euleriana arbitrária (ALE), na qual é possível prescrever movimentos para a malha do fluido. A estrutura é modelada em descrição Lagrangeana total através de uma formulação de MEF para análise dinâmica não linear geométrica de cascas baseada no teorema da mínima energia potencial total escrito em função das posições nodais e vetores generalizados e não em deslocamentos e rotações. Essa característica evita o uso de aproximações de grandes rotações. Dois modelos de acoplamentos são desenvolvidos. O primeiro modelo, ideal para problemas onde a escala de deslocamentos não é muito grande comparada com as dimensões do domínio do fluido, é baseado na descrição ALE e o acoplamento entre as duas diferentes malhas é feito através do mapeamento das posições locais dos nós do contorno do fluido sobre os elementos de casca e vice-versa, evitando a necessidade de coincidência entre os nós da casca e do fluido. A malha do fluido é adaptada dinamicamente usando um procedimento simples baseado nas posições e velocidades nodais da casca. O segundo modelo de acoplamento, ideal para problemas com grande escala de deslocamentos tais como estruturas infláveis, considera a casca imersa na malha do fluido e consiste em um procedimento robusto baseado em curvas de nível da função distância assinalada do contorno, o qual integra o algoritmo Lagrangeano de casca com o Fluido em descrição Euleriana, sem necessidade de movimentação da malha do fluido, onde a representação computacional do fluido se resume a uma malha não estruturada maior ou igual ao domínio inicial do fluido e a interface fluido-casca dentro da malha do fluido é identificada por meio de curvas de nível da função distância assinalada do contorno. Ambos os modelos são testados através de exemplos numéricos mostrando robustez e eficiência. Finalmente, como uma sugestão para o futuro desenvolvimento desta pesquisa, iniciaram-se estudos relativos a funções B-splines. O uso desse tipo de funções deverá resolver problemas de estabilidade relativos a oscilações espúrias devidas ao uso de polinômios de Lagrange para a representação de descontinuidades. / This work consists of the development of computational tools for nonlinear geometric fluid-shell interaction analysis using the Finite Element Method (FEM). The fluid solver is explicit and its time integration based on characteristics. The computational code is able to simulate the Navier-Stokes equations for compressible flows written in the Eulerian description as well as in the arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) description, enabling movements prescription for the fluid mesh. The structure is modeled in a total Lagrangian description, using a FEM formulation to deal with geometrical nonlinear dynamics of shells based on the minimum potential energy theorem written regarding nodal positions and generalized unconstrained vectors, not displacements and rotations, avoiding the use of large rotation approximations. Two partitioned coupling models are developed. The first model, ideal for simulations where the displacements scale is not very large compared to the fluid domain, is based on the ALE description and the coupling between the two different meshes is done by mapping the fluid boundary nodes local positions over the shell elements and vice-versa, avoiding the need for matching fluid and shell nodes. The fluid mesh is adapted using a simple approach based on shell nodal positions and velocities. The second model, ideal for problems with large scales of displacements such as inflatable structures, is based on immersed boundary and consists of a robust level-set based approach that integrates the Lagrangian shell finite and the Eulerian finite element high speed fluid flow solver, with no need for mesh adaptation, where the fluid representation relies on a fixed unstructured mesh larger or equal to the initial fluid domain and the fluid-shell interface inside the fluid mesh is tracked with level sets of a boundary signed distance function. Both models are tested with numerical examples, showing efficiency and robustness. Finally, as a suggestion for future development of this research, we started studies relatives to B-Spline functions. The use of this kind of functions should solve stability problems related to spurious oscillations due to the use of Lagrange polynomials for representing discontinuities.

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.

Orientador: João Batista Campos Silva / Resumo: Nas últimas décadas, há uma crescente preocupação em mensurar os parâmetros dinâmicos do sangue, dadas as imensas perdas de vidas por doenças cardiovasculares sendo, muitas delas, por aneurismas. A formação e desenvolvimento de um aneurisma é, predominantemente, degenerativo e provém de uma complexa interação entre os efeitos biológicos da parede arterial, os estímulos de escoamento e tensões provenientes da hemodinâmica. A tensão cisalhante na parede e o cíclico campo de pressão são um dos principais fatores responsáveis pela formação e crescimento de um aneurisma. Logo, há a necessidade de se conhecer os campos de velocidades e pressão além das tensões cisalhantes e efetivas na parede. Uma análise numérica é mais promissora que uma experimental. Uma análise experimental in-vivo possui impasses éticos e morais, sem contar a necessidade de um grande investimento. Outra vantagem de um estudo numérico é a disponibilidade de softwares livres de extração de tomografias que permite a extração da geometria sem a necessidade de um método invasivo que ocorreria em estudo experimental in vivo. Portanto com o auxílio de simulações numéricas (Ansys®), considerando o efeito multi-física de interação fluido estrutura (FSI) pela metodologia de elementos e volumes finitos foi possível verificar o efeito dos fatores que levam a formação e crescimento de aneurisma na aorta abdominal. Os aneurismas estudados foram modelos geométricos e reais sendo um dos reais obtidos através de imagens DICOM... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: In recent decades, there is growing concern in measuring the dynamic parameters of the blood, given the immense loss of life from cardiovascular disease in human history, including, aneurysms. The formation and development of an aneurysm is predominantly degenerative and results from a complex interaction between the biological effects of the arterial wall and the flow and stress effects from hemodynamics. The stress in the wall and in the cyclic field of pressure is one of the main factors for the formation and growth of an aneurysm that degenerates until its rupture. Therefore, it is necessary to know the velocity and pressure fields as well as the shear stress and effective stress on the wall. A numerical analysis is more promising than an experimental one since an in-vivo experimental analysis has ethical and moral impasses, not counting the need for a large investment. Another advantage of a numerical study is the availability of free softwares for tomography analysis that allows the extraction of the geometry without the need for an invasive method that would occur in an in vivo experimental study. Therefore, with the aid of numerical simulations (Ansys®), considering the multi-physical effect of fluid structure interaction (FSI) by the methodology of finite elements and finite volumes it was possible to verify the effect of factors that lead to the formation and growth of abdominal aortic aneurysm. The studied aneurysms came from geometric models and from real examples... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:27:13Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2010-02-26Bitstream added on 2014-06-13T20:16:16Z : No. of bitstreams: 1 souza_ap_me_ilha.pdf: 2793163 bytes, checksum: cac24da914ff0917c1d9438da0bc50f8 (MD5) / A Bioengenharia está cada vez mais presente em todo o mundo. Ela estuda problemas que tenham dificuldades em análise experimental em laboratório. Este trabalho determina a força exercida por um grampo cirúrgico quando o mesmo é aplicado em determinada região Arterial a fim de ocluir o fluxo sanguíneo. Esta força foi medida utilizado uma simulação computacional. Duas áreas foram consideradas: uma representando a parede Arterial e a outra, representando o sangue. Esta simulação realizou-se em regime de acoplamento entre os dois domínios utilizando interação fluido-estrutura. A modelagem foi feita considerando dois domínios distintos: estrutura e fluido. O fluido é considerado incompressível e Newtoniano e é governado pelas equações de Navier-Stokes. As paredes da estrutura são modeladas a partir da Lei de Hooke. A solução numérica calcula: os campos de pressão e velocidade do fluido, campo de deslocamento da estrutura e a força aplicada pelo grampo para que ocorra a obstrução do fluxo sanguíneo naquele local / The Bioengineering is increasingly present in the fields of scientific research throughout the world. It studies problems that have difficulty in experimental analysis in the laboratory. This work measures the force exerted by a surgical clip when it is applied in a given region Arterial to occlude blood flow. This force was measured using a computational simulation. It was modeled two cylinders, one representing the arterial wall and the other in this first, representing the blood. This simulation was carried out under the coupling between the two domains using fluid-structure interaction. Modeling was done in three-dimensions, considering two distinct areas: one as structure and other as fluid. The fluid was considered incompressible and Newtonian. It is governed by the Navier-Stokes equations. The walls of the structure were modeled from the Hooke's Law. The numerical solution calculate: pressure fields, and fluid velocity, displacement field of the structure and the force applied by the clip for the occurrence of obstruction of blood flow there

Submitted by Jeane Batista de Carvalho null (carvalhojeanetiagina@yahoo.com.br) on 2017-05-23T15:08:27Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_CarvalhoJeane.pdf: 8189158 bytes, checksum: ebb9bc23a7d48fbc4154db51680f263e (MD5) / Approved for entry into archive by Luiz Galeffi (luizgaleffi@gmail.com) on 2017-05-23T18:27:50Z (GMT) No. of bitstreams: 1 carvalho_jb_me_ilha.pdf: 8189158 bytes, checksum: ebb9bc23a7d48fbc4154db51680f263e (MD5) / Made available in DSpace on 2017-05-23T18:27:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 carvalho_jb_me_ilha.pdf: 8189158 bytes, checksum: ebb9bc23a7d48fbc4154db51680f263e (MD5) Previous issue date: 2017-03-24 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Nas últimas décadas, há uma crescente preocupação em mensurar os parâmetros dinâmicos do sangue, dadas as imensas perdas de vidas por doenças cardiovasculares sendo, muitas delas, por aneurismas. A formação e desenvolvimento de um aneurisma é, predominantemente, degenerativo e provém de uma complexa interação entre os efeitos biológicos da parede arterial, os estímulos de escoamento e tensões provenientes da hemodinâmica. A tensão cisalhante na parede e o cíclico campo de pressão são um dos principais fatores responsáveis pela formação e crescimento de um aneurisma. Logo, há a necessidade de se conhecer os campos de velocidades e pressão além das tensões cisalhantes e efetivas na parede. Uma análise numérica é mais promissora que uma experimental. Uma análise experimental in-vivo possui impasses éticos e morais, sem contar a necessidade de um grande investimento. Outra vantagem de um estudo numérico é a disponibilidade de softwares livres de extração de tomografias que permite a extração da geometria sem a necessidade de um método invasivo que ocorreria em estudo experimental in vivo. Portanto com o auxílio de simulações numéricas (Ansys®), considerando o efeito multi-física de interação fluido estrutura (FSI) pela metodologia de elementos e volumes finitos foi possível verificar o efeito dos fatores que levam a formação e crescimento de aneurisma na aorta abdominal. Os aneurismas estudados foram modelos geométricos e reais sendo um dos reais obtidos através de imagens DICOM. / In recent decades, there is growing concern in measuring the dynamic parameters of the blood, given the immense loss of life from cardiovascular disease in human history, including, aneurysms. The formation and development of an aneurysm is predominantly degenerative and results from a complex interaction between the biological effects of the arterial wall and the flow and stress effects from hemodynamics. The stress in the wall and in the cyclic field of pressure is one of the main factors for the formation and growth of an aneurysm that degenerates until its rupture. Therefore, it is necessary to know the velocity and pressure fields as well as the shear stress and effective stress on the wall. A numerical analysis is more promising than an experimental one since an in-vivo experimental analysis has ethical and moral impasses, not counting the need for a large investment. Another advantage of a numerical study is the availability of free softwares for tomography analysis that allows the extraction of the geometry without the need for an invasive method that would occur in an in vivo experimental study. Therefore, with the aid of numerical simulations (Ansys®), considering the multi-physical effect of fluid structure interaction (FSI) by the methodology of finite elements and finite volumes it was possible to verify the effect of factors that lead to the formation and growth of abdominal aortic aneurysm. The studied aneurysms came from geometric models and from real examples, being one of the real ones obtained through DICOM images. / CNPq: 131153/2015-3

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:58:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 RairamFCA_DISSERT2.pdf: 4758176 bytes, checksum: bfb1653549a50848b4721bda9a78bd6e (MD5) Previous issue date: 2010-03-26 / The pumping through progressing cavities system has been more and more employed in the petroleum industry. This occurs because of its capacity of elevation of highly viscous oils or fluids with great concentration of sand or other solid particles. A Progressing Cavity Pump (PCP) consists, basically, of a rotor - a metallic device similar to an eccentric screw, and a stator - a steel tube internally covered by a double helix, which may be rigid or deformable/elastomeric. In general, it is submitted to a combination of well pressure with the pressure generated by the pumping process itself. In elastomeric PCPs, this combined effort compresses the stator and generates, or enlarges, the clearance existing between the rotor and the stator, thus reducing the closing effect between their cavities. Such opening of the sealing region produces what is known as fluid slip or slippage, reducing the efficiency of the PCP pumping system. Therefore, this research aims to develop a transient three-dimensional computational model that, based on single-lobe PCP kinematics, is able to simulate the fluid-structure interaction that occurs in the interior of metallic and elastomeric PCPs. The main goal is to evaluate the dynamic characteristics of PCP s efficiency based on detailed and instantaneous information of velocity, pressure and deformation fields in their interior. To reach these goals (development and use of the model), it was also necessary the development of a methodology for generation of dynamic, mobile and deformable, computational meshes representing fluid and structural regions of a PCP. This additional intermediary step has been characterized as the biggest challenge for the elaboration and running of the computational model due to the complex kinematic and critical geometry of this type of pump (different helix angles between rotor and stator as well as large length scale aspect ratios). The processes of dynamic generation of meshes and of simultaneous evaluation of the deformations suffered by the elastomer are fulfilled through subroutines written in Fortan 90 language that dynamically interact with the CFX/ANSYS fluid dynamic software. Since a structural elastic linear model is employed to evaluate elastomer deformations, it is not necessary to use any CAE package for structural analysis. However, an initial proposal for dynamic simulation using hyperelastic models through ANSYS software is also presented in this research. Validation of the results produced with the present methodology (mesh generation, flow simulation in metallic PCPs and simulation of fluid-structure interaction in elastomeric PCPs) is obtained through comparison with experimental results reported by the literature. It is expected that the development and application of such a computational model may provide better details of the dynamics of the flow within metallic and elastomeric PCPs, so that better control systems may be implemented in the artificial elevation area by PCP / O sistema de bombeamento por cavidades progressivas est? sendo cada vez mais empregado na ind?stria do petr?leo, devido ? sua capacidade de eleva??o de ?leos altamente viscosos ou de fluidos com grandes concentra??es de areia ou outras part?culas s?lidas. Uma Bomba de Cavidades Progressivas (BCP) ? composta, basicamente, por um rotor - uma pe?a met?lica de forma semelhante a um parafuso exc?ntrico, e um estator - um tubo de a?o revestido internamente por uma h?lice dupla, a qual pode ser r?gida ou deform?vel/elastom?rica. Em geral, uma BCP ? submetida a uma combina??o de press?o do po?o com press?o gerada pelo pr?prio processo de bombeio. Em BCPs elastom?ricas, essa combina??o de esfor?os comprime o estator, gerando ou aumentando a folga existente entre o rotor e o estator, reduzindo, portanto, o efeito de veda??o entre suas cavidades. Tal abertura da regi?o de selagem produz o que ? conhecido como escorregamento do fluido, diminuindo, com isso, a efici?ncia de sistema de bombeio por BCP. Dessa maneira, este trabalho se prop?e a desenvolver um modelo computacional tridimensional transiente do processo din?mico da intera??o fluido-estrutural (FSI) que ocorre no interior de BCPs met?licas e elastom?ricas. O objetivo principal ? avaliar, a partir do uso do modelo desenvolvido, as caracter?sticas din?micas de efici?ncia de bombeio por BCPs, em fun??o de informa??es locais e instant?neas detalhadas dos campos de velocidade, press?o e deforma??o no seu interior. Para o alcance de tais metas (desenvolvimento e uso do modelo), fez-se necess?rio o desenvolvimento de uma metodologia pr?pria para gera??o de malhas computacionais din?micas, m?veis e deform?veis, representando as regi?es fluida e estrutural de uma BCP. Tal procedimento caracterizou-se como o maior desafio para a elabora??o do modelo computacional, devido ? cinem?tica complexa e ? geometria cr?tica desse tipo de bomba (?ngulos de h?lice diferentes entre rotor e estator e grandes diferen?as de escala de comprimento). Os processos de gera??o din?mica das malhas e de avalia??o simult?nea das deforma??es sofridas pelo elast?mero s?o realizados atrav?s de sub-rotinas em linguagem Fortran 90, as quais interagem dinamicamente com o software de din?mica dos fluidos computacional CFX/ANSYS. Desde que o modelo linear el?stico ? empregado para avaliar as deforma??es elastom?ricas, n?o ? necess?rio usar nenhum software para an?lise estrutural. Entretanto, uma proposta inicial para simula??o din?mica no ANSYS empregando-se modelos constitutivos hiper-el?sticos para o elast?mero ? tamb?m apresentada no presente trabalho. A valida??o dos resultados produzidos com a presente metodologia (gera??o de malha, simula??o do escoamento em BCPs met?licas e simula??o da intera??o fluido-estrutural em BCPs elastom?ricas) ? obtida atrav?s da compara??o com resultados experimentais reportados pela literatura. Vislumbra-se que o desenvolvimento e aplica??o de tal ferramenta computacional poder?o fornecer maiores detalhes da din?mica do escoamento no interior de BCPs met?licas e elastom?ricas, de maneira que melhores sistemas de controle possam ser implementados na ?rea de eleva??o artificial por BCPs

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In the present thesis it is proposed and evaluated, both numerically and experimentally, an inverse procedure for the indirect determination of axial loads applied to submersed pipe-like structures, based on their dynamic responses. The investigation is motivated by the existence of practical problems encountered in the oil industry. An experimental bench has been designed and built, consisting in a reservoir inside which a tubular stainless steel beam has been mounted and tested. Special fixtures have been designed in such a way to enable to apply controlled axial loads and represent different types of boundary conditions. In parallel, computational routines have been developed for the two-dimensional modeling of the structure accounting for the effects of axial loads, flexible supports and fluid-structure interaction, based on the finite element approach. Having in mind the difficulties which are expected to be encountered when the methodology be applied in real conditions, some special dynamic test procedures have been considered, including Operational Modal Analysis (OMA), which enables to identify modal parameters from output-only measurements. Numerous scenarios have been considered using either numerically simulated or experimentally measured responses. As for the resolution of the inverse problem, two strategies have been investigated: the first consists in the deterministic resolution of a constrained optimization problem based on evolutionary algorithms, and the second, which enables to account for the presence of uncertainties in the experimental data, is a stochastic approach based on Bayesian inference, combined with Markov chains and Metropolis-Hastings algorithm. The results obtained confirm the operational feasibility and satisfactory accuracy provided by the suggested identification approaches. / Na presente tese de doutorado é proposto e avaliado numérica e experimentalmente um procedimento inverso para determinação indireta de carregamentos axiais aplicados a estruturas tubulares submersas a partir de suas respostas dinâmicas. A investigação é motivada pela existência de problemas práticos evidenciados pelo setor de tecnologia submarina da indústria petrolífera. Nesta proposta, as cargas axiais, que na prática não podem ser medidas diretamente, são identificadas através da resolução de um problema inverso, formulado como um problema de otimização, a partir das respostas dinâmicas da estrutura. Uma bancada experimental foi projetada e construída, composta de um reservatório dentro do qual foi ensaiado um tubo metálico de seção circular. Mecanismos de fixação e aplicação de carga à estrutura foram especialmente projetados de modo a permitir consideração de dois tipos diferentes de condição de contorno. Paralelamente, rotinas computacionais foram desenvolvidas para a modelagem numérica bidimensional da estrutura incluindo os efeitos de interação fluido-estrutura e das cargas axiais, com base no Método de Elementos Finitos. Tendo em vista o objetivo da aplicação da metodologia proposta em situações práticas, as quais envolvem dificuldades de execução de ensaios em ambientes submarinos, foram investigados procedimentos de ensaios dinâmicos especialmente adaptados a estas condições. Com este intuito, foi analisado o emprego da técnica de análise modal experimental denominada OMA (Operational Modal Analysis), que permite obter os parâmetros modais sem conhecimento das forças de excitação da estrutura. Numerosos cenários de identificação foram estudados utilizando tanto respostas dinâmicas simuladas numericamente, quanto respostas medidas experimentalmente. Visando considerar a influência de incertezas nos dados experimentais, o problema de identificação da carga axial também foi tratado utilizando uma abordagem estocástica, com base em inferência bayesiana, a partir da simulação de cadeias de Markov, associada ao algoritmo Metropolis-Hastings. Os resultados obtidos atestam a viabilidade operacional e a precisão satisfatória do procedimento de identificação proposto. / Doutor em Engenharia Mecânica

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In this work, the combined multi-direct forcing and immersed boundary method (IBM) were presented to simulate uid-structure interaction problems. The multi-direct forcing is used aim at satisfying the no-slip condition in the immersed boundary. For the numerical simulations was used a multi-purpose computer code that is being developed in the MFlab - Fluid Mechanics Laboratory of Federal University of Uberl^andia. Tests are made to validate the numerical schemes and routines were implemented to simulate uid-structures interaction problems. Furthermore, computational tools are developed to construct and manage and optimize the use of a Beowulf cluster where all the parallel simulations presented in this work were done. The Method of Manufactured Solutions has been used for order-of-accuracy verication in the computational uid dynamics code. Two uid-structure interaction problems were studied using this methodology. The rst is a ow over a sphere for some Reynolds numbers. The results were compared to empirical results, obtaining satisfactory approximations. The second one is a immersed simple pendulum. For this problem the results are in agreement with physics. Indeed, these are preliminar results. New tests must be done to make progress in the methodology. Improvements are proposed in the IBM, in the uid-structure model, in the turbulence model, in the method used to discretize the uid domain. It is also proposed to apply the methodology to real problems as risers and valves. / O presente trabalho tem como principal objetivo a aplicação do método multifoçagem (MMF) para solução numérica tridimensional de problemas de interação uidoestrutura, buscando-se garantir a condição de não-escorregamento na região da fronteira imersa. Para as simulações numéricas foi utilizado um código computacional multipropósito em desenvolvimento no MFlab - Laboratório de Mecânica dos Fluidos da Universidade Federal de Uberlândia. Foram feitas modificações nesse código para que se pudesse validá-lo para solução de problemas com fronteira imersa e foi implementada uma rotina para solução de um problema de interação uido-estrutura total. Além disso, foi desenvolvido um pacote de ferramentas computacionais que possibilitou instalar e melhorar o desempenho de um cluster do tipo Beowulf utilizado para o desenvolvimento das simulações num eriças em paralelo do presente trabalho. Utilizando o Método das Soluções Manufaturadas foram obtidas soluções sintetizadas para as equações de Navier-Stokes, o que possibilitou obter a ordem de convergência numérica do código computacional para problemas contínuos e a validação deste código para problemas envolvendo corpos imersos ao combinar a o método das soluções manufaturadas com a metodologia de fronteira imersa. Na sequência foi solucionado o problema de escoamento ao redor de uma esfera parada, cujos resultados foram comparados com referencias empíricas, obtendo-se boa aproximação. Ainda para esse caso foi feita a avalição da norma L2 para as soluções num eriças obtidas nos pontos lagrangianos verificando a garantia da condição de não-escorregamento e feita uma análise da inuência dos número de ciclos utilizados no método multi-forçagem. Foi vericado que a solução numérica obtida depende do número de ciclos o que faz com que seja necessário se estabelecer um critério de convergência para este método. Um segundo problema de interação uido-estrutura total foi estudado. Consiste em um pêndulo simples imerso em um uido que parte de uma dada posição angular inicial e oscila em torno da sua posição de equilíbrio, até parar. Para esse caso foram feitas análises quantitativas. Os resultados são preliminares mas coerentes com a física do problema, indicando que a metodologia é adequada para solução deste tipo de problema. / Mestre em Engenharia Mecânica