LEMOS, W. E. D. Previsão climática sazonal do regime térmico e hidrodinâmico de reservatório. 2015. 165 f. Tese (Doutorado em Engenharia Civil: Recursos Hídricos) – Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2015. / Submitted by Marlene Sousa (mmarlene@ufc.br) on 2015-06-26T13:02:00Z No. of bitstreams: 1 2015_tese_wedlemos.pdf: 7434270 bytes, checksum: 65d8e9d30c43d50d658d0e9f5e3db691 (MD5) / Approved for entry into archive by Marlene Sousa(mmarlene@ufc.br) on 2015-07-22T16:21:39Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2015_tese_wedlemos.pdf: 7434270 bytes, checksum: 65d8e9d30c43d50d658d0e9f5e3db691 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-07-22T16:21:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2015_tese_wedlemos.pdf: 7434270 bytes, checksum: 65d8e9d30c43d50d658d0e9f5e3db691 (MD5) Previous issue date: 2015-05-04 / The dynamics of water quality related processes in reservoirs is a function of its morphology, the action of meteorological variables and defluências inflows and, to a greater extent. Predict the hydrodynamic behavior of reservoirs and the impact of changes or variability in weather forcing is essential to the management of water quality and was the main objective of this thesis. Therefore, we used climate models, hydrological, hydrodynamic and energy balance in cascade. The behavior of the resulting hydrodynamic modeling showed results in line with tropical reservoirs, representing the daily patterns of movement and the formation of thermal stratification in modeled reservoir. The main hydrodynamic seasonal variations could be modeled, albeit with a high level of uncertainty. Monitoring on a Miranda Pereira reservoir that provided a means to begin the modeling and integrated monitoring cycle was performed. The dynamic downscaling technique to obtain the meteorological variables of regionalized forecast was presented, showing some application possibilities of the results of climate models in hydrodynamic modeling of reservoirs, essential in modeling of water quality. The results showed the possibility of calibration and validation of the hydrodynamic model CE-QUAL-W2 using atmospheric reanalysis data, application of climate prediction techniques in assessing and predicting the hydrodynamic patterns of tanks and the need for a monitoring system as Subsidiary information relevant to modeling, to improve existing systems and increase the level of knowledge about the dynamics of reservoirs located in the semiarid / A dinâmica dos processos relacionados à qualidade da água em reservatórios é função da sua morfologia, da ação das variáveis meteorológicas e das afluências e defluências, em maior grau. Prever o comportamento hidrodinâmico de reservatórios e o impacto causado por mudanças ou variabilidades na forçante meteorológica é essencial ao gerenciamento da qualidade da água e foi o objetivo principal desta tese. Para tanto foram utilizados modelos climáticos, hidrológicos, hidrodinâmicos e de balanço de energia, em cascata. O comportamento da hidrodinâmica resultante da modelagem mostrou resultados consonantes com reservatórios de regiões tropicais, representando os padrões diários de circulação e a formação de estratificações térmicas no reservatório modelado. As principais variações hidrodinâmicas sazonais puderam ser modeladas, ainda que com um alto índice de incerteza. Foi realizado um monitoramento no reservatório Pereira de Miranda que forneceu meios para dar início ao ciclo de modelagem e monitoramento integrado. Foi apresentada a técnica de downscaling dinâmico para a obtenção das variáveis meteorológicas de previsão regionalizadas, demostrando algumas possibilidades de aplicação dos resultados dos modelos climáticos na modelagem hidrodinâmica de reservatórios, indispensável na modelagem da qualidade da água. Os resultados mostraram a possibilidade de calibração e validação do modelo hidrodinâmico CE-QUAL-W2 com o uso de dados de reanálise atmosférica, aplicação de técnicas de previsão climática na avaliação e previsão dos padrões hidrodinâmicos de reservatórios e a necessidade de um sistema de monitoramento como subsidiário de informações relevantes à modelagem, no sentido de melhorar os sistemas existentes e aumentar o nível de conhecimento sobre a dinâmica de reservatórios localizados no semiárido

A tese investigou o uso de uma ferramenta computacional para avaliar a dinâmica espaço-temporal do metabolismo em ecossistemas aquáticos onde a hidrodinâmica possui papel de destaque na estruturação das comunidades planctônicas. A modelagem matemática foi realizada utilizando o modelo IPH-ECO, uma ferramenta computacional complexa capaz de integrar processos físicos, químicos e biológicos em três dimensões. O trabalho foi dividido em quatro capítulos principais, tendo como base os processos físicos e biológicos que influenciam as estimativas de metabolismo (Capítulos #02 e #03) e melhorias nos métodos numéricos utilizados no modelo IPH-ECO (Capítulos #04 e #05). Os primeiros dois capítulos apresentam o desenvolvimento e aplicação de um algoritmo computacional capaz de quantificar as estimativas de metabolismo aquático baseado (em termos de Produção Primária Bruta - GPP, Respiração do ecossistema - R e Produção Líquida do Ecossistema - NEP = GPP - R) em processos biológicos individuais que influenciam o balanço de oxigênio dissolvido em ecossistemas aquáticos (e.g., respiração de zooplâncton, produção primária de macrófitas aquáticas). A implementação deste algoritmo no modelo IPH-ECO permitiu quantificar as estimativas de metabolismo aquático na Lagoa Mangueira, sul do Brasil, avaliando a importância relativa de diferentes processos individuais e o efeito da hidrodinâmica sobre os processos que compõem o metabolismo da lagoa. O metabolismo aquático da Lagoa Mangueira apresentou um gradiente espacial com maiores valores na região Litorânea e menores na região Pelágica. Além da heterogeneidade espacial, foi possível observar uma heterogeneidade temporal, com valores de produção primária mais elevados durante o verão e primavera e menores durante o inverno e outono. Esta heterogeneidade espacial e temporal acarreta em alterações no estado trófico (autotrófico - NEP positivo ou heterotrófico - NEP negativo) da lagoa, dependendo do local sendo avaliado (zona litorânea ou zona pelágica) e da época do ano. A simulação de diferentes cenários de vento (cinco no total) demonstraram que os padrões de circulação da água podem alterar a dinâmica das estimativas de metabolismo na Lagoa Mangueira, alterando a forma como o sistema é classificado (autotrofia vs. heterotrofia) e influenciando os diferentes processos biológicos que compõem estas estimativas. Os Capítulos #04 e #05 apresentam o desenvolvimento de um novo esquema numérico visando auxiliar na simulação de problemas de qualidade de água. O novo esquema é baseado no método dos Volumes Finitos e permite a integração numérica de equações de transporte utilizando um passo de tempo localizado, calculado a partir da condição de estabilidade de Courant-Friedrich-Lewy (condição CFL). A nova solução numérica é diretamente acoplada a um modelo hidrodinâmico tridimensional em grades triangulares não-estruturadas (e.g, modelo UnTRIM), que utiliza uma solução numérica semi-implícita (Crank-Nicholson) baseada em diferenças finitas e volumes finitos. Diferentes testes clássicos e idealizados são simulados e é realizada uma comparação entre o método com esquema numérico localizado (LTS - Local Time Stepping) e o método tradicional (GTS - Global Time Stepping). Ambos os métodos se mostraram conservativos considerando uma, duas e três dimensões, e ainda foi respeitada uma condição de estabilidade baseada nos valores máximos e mínimos sendo transportados (i.e., não são criados novos valores máximos nem mínimos). Os métodos também foram avaliados de forma acoplada com escoamentos a superfície livre, levando em conta substâncias conservativas e não-conservativas (e.g., balanço de temperatura na água), assim como situações onde a hidrodinâmica é controlada por vento (forte mistura vertical e horizontal) e onde a hidrodinâmica é controlada por um gradiente de pressão (e.g., maré). Além disso, situações onde a secagem e inundação de células computacionais ocorrem foram testadas e os métodos se mostraram estáveis e conservativos. O esquema numérico LTS se mostrou mais rápido do ponto de vista computacional, exigindo menos tempo de simulação em praticamente todos os testes realizados. Além disso, o esquema mostrou resultados similares ao obtidos utilizando o esquema GTS tradicional. Os testes mostraram que a eficiência do esquema LTS é maior quando ocorre a combinação de altas velocidades e pequenos elementos (alta restrição dada pela condição CFL), como a simulação da interface entre rios e lagos, entradas de água rápida (e.g., tromba d’água, Dam-Break) e estuários (efeito de maré). / This thesis investigated the use of a mathematical model to evaluate the space-time dynamics of aquatic metabolism in ecossystems where hydrodynamics plays a key role in structuring the planktonic community. The mathematical model used was the IPH-ECO model, a complex tridimensional model capable of integrating physical, chemical, and biological processes in aquatic environments. The thesis was divided into four main chapters with focus in studying the biological processes and aquatic metabolism estimates (Chapters #2 and #3), and also the improvement of numerical methods used in the IPH-ECO model (Chapters #4 and #5). The first two chapters show the development and application of a computational algorithm capable of quantifying the aquatic metabolism estimates (in terms of Gross Primary Production - GPP, Ecosystem Respiration - R, and Net Ecosystem Production - NEP = GPP-R) based on individual biological processes affecting the dissolved oxygen budget in aquatic ecosystems (e.g., zooplankton respiration, aquatic macrophyte primary production). The numerical algorithm implemented on the IPH-ECO model allowed the quantification of aquatic metabolism estimates (GPP, R, and NEP) at Lake Mangueira, South of Brazil, and the evaluation of the relative importance of different individual processes and how the lake hydrodynamic can change the complex dynamics of the biological processes comprising the lake metabolism estimates. Lake Mangueira’s metabolism estimations showed a well-marked spatial gradient with higher values observed in the littoral zone and lower values observed in the pelagic zone. Besides the spatial heterogeneity, it was also possible to notice a strong seasonal heterogeneity, with increased values of GPP and R during summer and spring and lower values during winter and autumn. This space-time heterogeneity leads to a switching in the trophic state of the lake (autotrophic - Positive NEP or heteotrophic - Negative NEP), depending on the site being evaluated (littoral or pelagic) and also the time of the year being assessed. The simulation of different wind scenarios (a total of five) showed that the water circulation patterns can change the metabolism estimates dynamics in Lake Mangueira, changing the system trophic status (net autotrophy v.s. net heterotrophy) e also affecting the dynamics of individual biological processes composing the metabolism estimates. Chapters #4 and #5 show the development of a new numerical scheme capable of accelerate water quality simulations. The new numerical method is based on a Finite Volume framework and allows for numerical integration of scalar transport equations using a local time step, chosen based on the Courant-Friedrich-Lewy stability criteria (the CFL condition). This new solution is directly linked to a tridimensional hydrodynamic model on triangular unstructured mesh (e.g., UnTRIm model), using a semi-implicit solution based on finite differences and finite volume. Different classical and idealized test-cases were simulated and the results from using the new Local Time Stepping (LTS) numerical method is compared against the usage of a traditional Global Time Stepping method (GTS). Both implemented methods showed precise mass conservation in one, two, and three dimensions, moreover, a discrete max-min property was observed in all simulations (i.e., no new maximum nor minimum was created). The methods were also tested when the coupling with hydrodynamic models of free-surface flows is simulated, accounting both conservative (e.g., Salt) and non-conservative substances (e.g., water temperature). The idealized coupled test-cases accounted for situations where hydrodynamics is controled by the wind (strong vertical and horizontal mixing), and situations where hydrodynamics is driven by pressure gradients (e.g., tidal currents). Furthermore, situations where an intense wet- and dry-ing of computational cells is observed was tested and the methods showed stability and precise mass conservation. In a general manner, the new LTS scheme was faster from a computational point-of-view, requiring less simulation time in praticaly all tests. In addition, the new scheme presented concentration fields similar to the ones computed by a traditional GLS algorithm. Our findings suggested that the efficiency of the LTS algorithm is increased when a combination of high velocities and small polygons is observed (elevated CFL stability restriction), such as the simulation of the interface between rivers and lakes, fast water inflow (e.g., Dam-Break), and estuaries (Tidal effect).

Made available in DSpace on 2016-08-29T14:10:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tese_8927_Tese Sury Monteiro 2015.pdf: 10583453 bytes, checksum: d6cfcda3a7da117a946ca841382908d1 (MD5) Previous issue date: 2015-05-27 / FAPES / O objetivo deste trabalho foi avaliar a dinâmica e os fluxos dos elementos maiores (Al, Fe e Mn) e traço (Cr, Zn, Cu, Cd, Pb, As e Ni) no material particulado em suspensão em um sistema estuarino tropical composto por dois rios, o Piraquê-Açu (PA) e Piraquê-Mirim (PM), Espírito Santo, Brasil. Este sistema é composto pelas bacias hidrográficas do PM com área de 69,4 km2 e do PA com 378,6 km2. Estes rios se encontram (confluência) a uma distância aproximada de 4,5 km da desembocadura do estuário. A descarga fluvial no PM é cinco vezes menor que no PA, por isso é mais influenciado pelas correntes de maré, na fase da enchente. O clima da região é tropical litorâneo do tipo úmido-seco, com dois períodos sazonais: maior pluviosidade (200-250 mm) e menor pluviosidade (25-50 mm). Foram realizadas cinco campanhas: três no período de maior pluviosidade (março e dezembro/2013; e março de 2014) e duas no de menor pluviosidade (junho e setembro/2013); durante um ciclo de maré de sizígia (13h); em seis estações de coleta: 2 no PA, 2 no PM e 2 na confluência. Realizou-se amostragem de material particulado em suspensão (MPS) através de coleta de água (filtração) e de armadilha de sedimento; coletou-se in situ dados físico-químicos e hidrodinâmicos; realizou-se análises sedimentológicas, mineralógicas e químicas nas amostras de MPS; e utilizou-se a modelagem numérica para verificar as principais tendências de transporte destes materiais nos cenários de maior e menor pluviosidade. O sistema estuarino, nos pontos coletados, apresenta águas levemente alcalinas (pH 7.7±0.8), saturadas em oxigênio (6.17±0.9) e com salinidade variando entre 25.3±1.5 a 36.9 ±0.6. O PA apresentou percentuais de concentrações superiores ao PM dos elementos maiores (16% Al, 10% Fe e 15% Mn) e traço (45% Cr, 48% Zn, 56% Cd e 79% Pb) principalmente no período de elevada pluviosidade. Somente os elementos Ni (55%), Cu (94%) e As (13%) apresentaram maiores percentuais de concentrações no PM. A confluência estuarina reflete a influência do PA, durante o período de elevada pluviosidade, quando a descarga fluvial deste rio, transporta elevadas concentrações de elementos para esta região; enquanto que no período de menor pluviosidade há maior influência das correntes de maré, onde as concentrações de Fe, Mn, Ni e As foram máximas quando comparadas aos dois rios. Os índices geoquímicos indicam que este sistema estuarino apresenta-se preservado, e o aporte natural é a principal fonte dos elementos maiores e traço, os quais são influenciados pela presença de minerais, como caulinita, goethita, magnetita, ilmenita, gibbsita, hematita e pirita. Os cenários modelados demonstram a transferência de materiais (MPS e elementos maiores e traço) entre os cursos fluviais, ocorrendo uma maior influência do PA e da confluência no PM, principalmente no período de elevada pluviosidade, quando há maior retenção de materiais a montante do PM, aumentando o tempo de residência e tornando-a mais vulnerável, principalmente pelo acumulo de elementos considerados tóxicos, como Zn e Cr. Este sistema estuarino é um ambiente exportador de materiais, sendo a taxa de exportação do PA cinco vezes superior a do Piraquê-mirim durante o período de elevada pluviosidade. Palavras-chaves: Geoquímica, Material particulado em suspensão, estuário, hidrodinâmica, modelagem numérica / This research aimed to evaluate the dynamic and flow of major elements (Al, Fe and Mn) and trace elements (Cr, Zn, Cu, Cd, Pb, As and Ni) in suspended particulate matter within a tropical estuarine system. This estuarine system comprises two rivers: the Piraquê-açu River (PA) and the Piraquê-mirim River (PM), Espírito Santo, Brazil. The system covers the river basins of PM and PA, with 69.4 km2 and 378.6 km2, respectively. The confluence of these rivers occurs about 4.5 km from the estuary mouth. The PM discharge is five times lower than PA discharge and then the it is dominated by tidal currents during flood tide. The climate is coastal tropical wet-dry type, with two seasonal periods: higher rainfall (200-250mm) and lower rainfall (25-50 mm). Five field works were performed: tree during higher rainfall (March and December, 2013, and March, 2014 ) and two during lower rainfall (June and September, 2013); along spring tide cycle (13 hours); in six sampling stations: two in PA, two in PM and two at these rivers confluence. Sampling of suspended particulate matter (SPM) was performed by water sampling (filtration) and sediment trap; physicochemical and hydrodynamic data were sampled in situ; sedimentological, mineralogical and chemical analysis were conducted in SPM samples; and numerical modelling was applied in order to verify the main transport patterns of these material in scenarios of high and low rainfall. The estuarine system presents alkaline water (pH 7.7±0.8), which is saturated in oxygen (6.17±0.9) with salinity ranging from 25.31±1.5 to 36.92±0.6. PA presented percentages concentration of major elements (16% Al, 10% Fe e 15% Mn) and trace elements (45% Cr, 48% Zn, 56% Cd e 79% Pb) higher than PM, mainly during high rainfall period. Only Ni (55%), Cu (94%) e As (13%) presented higher concentrations in PM. The estuarine confluence reflect the PA influence, during the high rainfall period, when its river discharge carries high concentration of elements for this region; while in the lower rainfall period, there is higher influence of tidal current, when the concentrations of Fe, Mn, Ni e As were highest compared to the both rivers. The geochemical indices indicate that this estuarine system is preserved, and the natural supply is the main source of major and trace elements, which are influenced by the presence of minerals for instance kaolinite, goethite, magnetite, ilmenite, gibbsite, hematite and pyrite. The model scenarios demonstrate the materials transfer (SPM, major and trace elements) between the rivers. The model also shows a greater influence of PA and its confluence on PM, mainly during high rainfall period when there is higher retention of material upstream of PM, that increases the residence time and does it more vulnerable, especially due to accumulation of toxic elements such as Zn and Cr. This estuarine system is materials exporter environment, in which the exportation rate is five times larger in PA than in PM during high rainfall period.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnologico / Made available in DSpace on 2016-01-08T19:02:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 96197.pdf: 4882053 bytes, checksum: 12060f8b1f5d1fc58caaa64b03a5876a (MD5) Previous issue date: 1994 / Análise da estabilidade hidrodinâmica de escoamentos radiais na região de transição entre o escoamento laminar e o turbulento. Visa o entendimento de mecanismos de transferência de calor e bifurcação entre padrões de escoamentos estáveis e instáveis. Adota-se a teoria linear da estabilidade hidrodinâmica e avalia-se a evolução temporal de perturbações no campo de velocidades. O método dos volumes finitos foi utilizado para a resolução das equações que regem os escoamentos envolvidos, bem como para as equações da estabilidade hidrodinâmica. Diversas formas de discretização numérica dos termos convectivos foram implementadas. Captou-se padrões transientes de escoamentos radiais, caracterizando bifurcação de Hopp. Detectou-se, pela primeira vez, padrões atípicos de transferência de calor que haviam sido verificados experimentalmente.

As lagoas costeiras em geral exibem reduzidas profundidades máximas, sendo portanto, ambientes altamente vulneráveis às oscilações dos fatores climáticos, em particular o vento. Movimentos da água em zonas pelágicas são fortemente influenciados por mudanças no tempo, as quais promovem mudanças no plâncton. A biomassa é uma importante variável em ecossistemas aquáticos uma vez que representa a quantidade de energia estocada em certo nível trófico da comunidade biológica. O trabalho teve como hipótese principal do trabalho que o vento (principal fator determinante na hidrodinâmica da Lagoa Itapeva), influencia diretamente a biomassa fitoplanctônica. Períodos de ausência de ventos ou ventos fracos provocam uma homogeneidade da comunidade, devido á estabilidade da coluna d’água, propiciando eventos de florações com alta biomassa e baixa diversidade. Outra hipótese formulada é que há variação espaço-temporal da biomassa, da diversidade de espécies e das diferentes frações de tamanho na Lagoa Itapeva, no período estudado. O objetivo do trabalho foi determinar o efeito do vento, principal fator hidrodinâmico da Lagoa Itapeva, sobre a comunidade fitoplanctônica em termos de biomassa, diversidade de espécies e categorias de tamanho. A Lagoa Itapeva é a primeira lagoa do Sistema Lagunar de Tramandaí no sentido N→S. Foram realizadas análises espaciais, formando-se três pontos de amostragem (Norte, Centro e Sul) ao longo do maior eixo longitudinal da lagoa, aliada a uma escala temporal diária (turnos de amostragem: 6h, 10h, 14h e 18h) e sazonal (quatro estações do ano), procurando estabelecer padrões e relações com os fatores hidrodinâmicos (velocidade e direção de vento, e nível d’água). Durante o estudo a Divisão Cyanophyta foi a responsável pelos elevados valores de biomassa observados nos pontos de amostragem. Este fato deve-se principalmente às florações de Anabaena circinalis durante as campanhas sazonais. A biomassa foi a variável que melhor se relacionou com os fatores físicos (nível d’água e velocidade média do vento) pela ação dos ventos de quadrantes predominantes que resultavam num fetch efetivo longo. Neste estudo foram apresentados índices de diversidade de espécies calculados através de indivíduos (H’ind) e de biomassa (H’ biom). Estes índices apresentaram estreitas relações positivas entre si. Os índices também apresentaram relações diretas e significativas com os fatores físicos (nível d’água e velocidade média do vento). Na Lagoa Itapeva, a contribuição das diferentes categorias de tamanho em função da biomassa (estimada através do biovolume), ressaltou três frações que melhor representaram a comunidade fitoplanctônica: nanoplâncton, microplâncton e netplâncton. A fração netplanctônica predominou sobre as demais frações de tamanho. A predominância desta fração sobre as outras estudadas deu-se principalmente às espécies de colônias filamentosas Aulacoseira granulata, Anabaena circinalis e A. spiroides. O comportamento da comunidade fitoplanctônica na Lagoa Itapeva sugere estar de acordo com a Hipótese de Distúrbio Intermediário de Connell (1978). Os distúrbios intensos (provocados pelos forte ventos e fetch longo) ou a falta deste (criando um ambiente estável), nos pontos de amostragem, resultaram em florações da cianobactéria Anabaena circinalis. Essas florações proveram uma densa biomassa em todo o período da pesquisa, além de promoverem a baixa diversidade através do domínio desta cianobactéria, e provocar sucessões das frações de tamanho do fitoplâncton.

Cerca de dois terços das maiores áreas metropolitanas mundiais estão nas proximidades dos estuários, portanto são regiões comumente sujeitas à situações de risco impostas pela pressão populacional. Instalações portuárias, efluentes diversos, uso indevido das suas margens, estão entre os riscos potenciais à grande diversidade de seus recursos naturais. A ação das marés, das ondas e o aporte fluvial interagem tornando bastante complexa a caracterização do seu funcionamento. A presente dissertação foca os seguintes aspectos: hidrodinâmica, transporte de sedimentos em suspensão, sedimentologia, morfologia e classificação do ambiente. A hidrodinâmica e o transporte de sedimentos foram estudados em duas etapas de campo em condições de maré de sizígia e de quadratura, cada qual com abrangência de dois ciclos de maré (25 hs). Estas etapas foram realizadas numa estação fixa com medições de: maré, velocidade da corrente, material em suspensão, sólidos totais dissolvidos, salinidade, pH, oxigênio dissolvido e temperatura. As características sedimentológicas foram avaliadas pela coleta de sedimentos de fundo em 24 pontos. Os aspectos morfológicos foram reconhecidos por uma batimetria detalhada e por aerofotografias. Os resultados revelaram a dominância das correntes de maré vazante em sizígia e de enchente em quadratura. O fluxo total de sedimentos por ciclo de maré na sizígia foi de 71 ton. (vazante), enquanto que na quadratura foi de 2,2 ton. (enchente). Os sedimentos de fundo variaram de areia muito grossa a silte. A profundidade máxima foi de 7,4 m (maré alta de sizígia). A comparação das aerofotografias revela a instabilidade morfológica da desembocadura. Relaciona-se este fato à influência variável da deriva litorânea e da descarga hidráulica. Este estuário foi classificado como: de frente de barreira arenosa; de circulação do tipo xvi parcialmente misturada e, por vezes, verticalmente homogênea; de Tipo 2b (quadratura); de tipo intermerdiário 2a e 2b (sizígia); de negativo; de mesomaré e de energia mista.

A tese investigou o uso de uma ferramenta computacional para avaliar a dinâmica espaço-temporal do metabolismo em ecossistemas aquáticos onde a hidrodinâmica possui papel de destaque na estruturação das comunidades planctônicas. A modelagem matemática foi realizada utilizando o modelo IPH-ECO, uma ferramenta computacional complexa capaz de integrar processos físicos, químicos e biológicos em três dimensões. O trabalho foi dividido em quatro capítulos principais, tendo como base os processos físicos e biológicos que influenciam as estimativas de metabolismo (Capítulos #02 e #03) e melhorias nos métodos numéricos utilizados no modelo IPH-ECO (Capítulos #04 e #05). Os primeiros dois capítulos apresentam o desenvolvimento e aplicação de um algoritmo computacional capaz de quantificar as estimativas de metabolismo aquático baseado (em termos de Produção Primária Bruta - GPP, Respiração do ecossistema - R e Produção Líquida do Ecossistema - NEP = GPP - R) em processos biológicos individuais que influenciam o balanço de oxigênio dissolvido em ecossistemas aquáticos (e.g., respiração de zooplâncton, produção primária de macrófitas aquáticas). A implementação deste algoritmo no modelo IPH-ECO permitiu quantificar as estimativas de metabolismo aquático na Lagoa Mangueira, sul do Brasil, avaliando a importância relativa de diferentes processos individuais e o efeito da hidrodinâmica sobre os processos que compõem o metabolismo da lagoa. O metabolismo aquático da Lagoa Mangueira apresentou um gradiente espacial com maiores valores na região Litorânea e menores na região Pelágica. Além da heterogeneidade espacial, foi possível observar uma heterogeneidade temporal, com valores de produção primária mais elevados durante o verão e primavera e menores durante o inverno e outono. Esta heterogeneidade espacial e temporal acarreta em alterações no estado trófico (autotrófico - NEP positivo ou heterotrófico - NEP negativo) da lagoa, dependendo do local sendo avaliado (zona litorânea ou zona pelágica) e da época do ano. A simulação de diferentes cenários de vento (cinco no total) demonstraram que os padrões de circulação da água podem alterar a dinâmica das estimativas de metabolismo na Lagoa Mangueira, alterando a forma como o sistema é classificado (autotrofia vs. heterotrofia) e influenciando os diferentes processos biológicos que compõem estas estimativas. Os Capítulos #04 e #05 apresentam o desenvolvimento de um novo esquema numérico visando auxiliar na simulação de problemas de qualidade de água. O novo esquema é baseado no método dos Volumes Finitos e permite a integração numérica de equações de transporte utilizando um passo de tempo localizado, calculado a partir da condição de estabilidade de Courant-Friedrich-Lewy (condição CFL). A nova solução numérica é diretamente acoplada a um modelo hidrodinâmico tridimensional em grades triangulares não-estruturadas (e.g, modelo UnTRIM), que utiliza uma solução numérica semi-implícita (Crank-Nicholson) baseada em diferenças finitas e volumes finitos. Diferentes testes clássicos e idealizados são simulados e é realizada uma comparação entre o método com esquema numérico localizado (LTS - Local Time Stepping) e o método tradicional (GTS - Global Time Stepping). Ambos os métodos se mostraram conservativos considerando uma, duas e três dimensões, e ainda foi respeitada uma condição de estabilidade baseada nos valores máximos e mínimos sendo transportados (i.e., não são criados novos valores máximos nem mínimos). Os métodos também foram avaliados de forma acoplada com escoamentos a superfície livre, levando em conta substâncias conservativas e não-conservativas (e.g., balanço de temperatura na água), assim como situações onde a hidrodinâmica é controlada por vento (forte mistura vertical e horizontal) e onde a hidrodinâmica é controlada por um gradiente de pressão (e.g., maré). Além disso, situações onde a secagem e inundação de células computacionais ocorrem foram testadas e os métodos se mostraram estáveis e conservativos. O esquema numérico LTS se mostrou mais rápido do ponto de vista computacional, exigindo menos tempo de simulação em praticamente todos os testes realizados. Além disso, o esquema mostrou resultados similares ao obtidos utilizando o esquema GTS tradicional. Os testes mostraram que a eficiência do esquema LTS é maior quando ocorre a combinação de altas velocidades e pequenos elementos (alta restrição dada pela condição CFL), como a simulação da interface entre rios e lagos, entradas de água rápida (e.g., tromba d’água, Dam-Break) e estuários (efeito de maré). / This thesis investigated the use of a mathematical model to evaluate the space-time dynamics of aquatic metabolism in ecossystems where hydrodynamics plays a key role in structuring the planktonic community. The mathematical model used was the IPH-ECO model, a complex tridimensional model capable of integrating physical, chemical, and biological processes in aquatic environments. The thesis was divided into four main chapters with focus in studying the biological processes and aquatic metabolism estimates (Chapters #2 and #3), and also the improvement of numerical methods used in the IPH-ECO model (Chapters #4 and #5). The first two chapters show the development and application of a computational algorithm capable of quantifying the aquatic metabolism estimates (in terms of Gross Primary Production - GPP, Ecosystem Respiration - R, and Net Ecosystem Production - NEP = GPP-R) based on individual biological processes affecting the dissolved oxygen budget in aquatic ecosystems (e.g., zooplankton respiration, aquatic macrophyte primary production). The numerical algorithm implemented on the IPH-ECO model allowed the quantification of aquatic metabolism estimates (GPP, R, and NEP) at Lake Mangueira, South of Brazil, and the evaluation of the relative importance of different individual processes and how the lake hydrodynamic can change the complex dynamics of the biological processes comprising the lake metabolism estimates. Lake Mangueira’s metabolism estimations showed a well-marked spatial gradient with higher values observed in the littoral zone and lower values observed in the pelagic zone. Besides the spatial heterogeneity, it was also possible to notice a strong seasonal heterogeneity, with increased values of GPP and R during summer and spring and lower values during winter and autumn. This space-time heterogeneity leads to a switching in the trophic state of the lake (autotrophic - Positive NEP or heteotrophic - Negative NEP), depending on the site being evaluated (littoral or pelagic) and also the time of the year being assessed. The simulation of different wind scenarios (a total of five) showed that the water circulation patterns can change the metabolism estimates dynamics in Lake Mangueira, changing the system trophic status (net autotrophy v.s. net heterotrophy) e also affecting the dynamics of individual biological processes composing the metabolism estimates. Chapters #4 and #5 show the development of a new numerical scheme capable of accelerate water quality simulations. The new numerical method is based on a Finite Volume framework and allows for numerical integration of scalar transport equations using a local time step, chosen based on the Courant-Friedrich-Lewy stability criteria (the CFL condition). This new solution is directly linked to a tridimensional hydrodynamic model on triangular unstructured mesh (e.g., UnTRIm model), using a semi-implicit solution based on finite differences and finite volume. Different classical and idealized test-cases were simulated and the results from using the new Local Time Stepping (LTS) numerical method is compared against the usage of a traditional Global Time Stepping method (GTS). Both implemented methods showed precise mass conservation in one, two, and three dimensions, moreover, a discrete max-min property was observed in all simulations (i.e., no new maximum nor minimum was created). The methods were also tested when the coupling with hydrodynamic models of free-surface flows is simulated, accounting both conservative (e.g., Salt) and non-conservative substances (e.g., water temperature). The idealized coupled test-cases accounted for situations where hydrodynamics is controled by the wind (strong vertical and horizontal mixing), and situations where hydrodynamics is driven by pressure gradients (e.g., tidal currents). Furthermore, situations where an intense wet- and dry-ing of computational cells is observed was tested and the methods showed stability and precise mass conservation. In a general manner, the new LTS scheme was faster from a computational point-of-view, requiring less simulation time in praticaly all tests. In addition, the new scheme presented concentration fields similar to the ones computed by a traditional GLS algorithm. Our findings suggested that the efficiency of the LTS algorithm is increased when a combination of high velocities and small polygons is observed (elevated CFL stability restriction), such as the simulation of the interface between rivers and lakes, fast water inflow (e.g., Dam-Break), and estuaries (Tidal effect).

Um algoritmo para a simulação numérica de escoamentos laminares incompressíveis tridimensionais de fluidos viscosos é proposto neste trabalho. A equação de conservação da energia, assim como as forças de flutuação devido à ação da gravidade, calculadas através da aproximação de Bousinessq, são implementadas para analisar problemas não-isotérmicos. Emprega-se o esquema de Taylor-Galerkin de um passo para a dicretização no tempo e no espaço, respectivamente. O elemento finito empregado é o hexaédrico isoparamétrico de oito nós. Adota-se um enfoque de pseudo-compressibilidade o que permite escrever a equação da continuidade em termos da pressão, a qual é resolvida implicitamente através do Método dos Gradientes Conjugados com Precondicionamento, enquanto as equações de conservação de quantidade de movimento e de energia são resolvidas explicitamente. A integração das matrizes de elemento é efetuada analiticamente considerando o elemento não distorcido e usando um único ponto de integração para avaliar a matriz Jacobiana. O programa é codificado na linguagem FORTRAN 90 e vetorizado para aproveitar as características dos processadores vetoriais existentes nos atuais supercomputadores. / The formulation and application of an algorithm to simulate numerically 3-D incompressible laminar flows is presented in this work. The energy equation and buoyancy forces, which are calculated by Bousinessq approximation, are also implemented to analyse non-isothermic problems. The one-step Taylor-Galerkin scheme is used in order to obtain a useful numerical model. The eight node isoparametric hexahedron finite element is employed. A pseudocompressibility approach is adopted, allowing to write the continuity equation in terms of the pressure. The continuity equation is solved implicitly by the Conjugate Gradient Method with a preconditioning technique, whereas the Equation of Momentum and Energy Conservation are solved explicitly. Element matrices are calculated analytically considering undistorted elements and using one integration point to evaluate the Jacobian Matrix. The code is written in FORTRAN 90 language, and is vectorized in order to take advantage of fast vectorial processors existing in modern supercomputers.

A partir da teoria híbrida cinética foi, recentemente, deduzida uma equação de autovalores para as perturbações eletromagnéticas de frequências w~wci em o-pinches não colisionais e anisotrópicos na temperatura de íons. Esta equação é aqui reduzida a duas equações diferenciais ordinárias, de segunda ordem e homogêneas, mediante uma expansão do raio de larmor do íons térmicos. O termo de ordem zero desta expansão reproduz a relação de dispersão para plasmas homogêneos anisotrópicos enquanto que o termo de ordem e2 (primeira correção não nula) contém, entre outras, ressonâncias de Cherenkov, as quais não compareciam no tratamento homogêneo; mostra-se que estas ressonâncias acontecem para velocidades ~vin/BiII e números de onda típicos dos modos instáveis no caso homogêneo o que ressalta a importância do efeito na estabilidade dos modos íon-ciclotrônicos de Alfvén. O mecanismo físico de base para este fenômeno é discutido e apontado como um efeito FLR de maior importância. Para um plasma encerrado num cilindro perfeitamente condutor são estabelecidos condições de contorno que refletem a existência de relação de dispersão global. Deduz-se ainda uma relação de dispersão local, válida para meios fracamente inomogêneos e que é analisada numericamente revelando substancial redução das razões de crescimento previstas pelo tratamento homogêneo. / From hybrid-kinetic theory an eigenvalue equation for electromagnetic perturbations with w~wci in collisionless theta-pinches with anisotropic ion energy was recently derived. In the present work this equation is reduced to two ordinary second order linear differential equations by an expansion in the thermal ion Larmor radius. The zeroth order expression yields the usual dispersion relation for anisotropic homogeneous plasmas whereas the second order terms (first significant correction) contain Cherenkov resonances, absent in the former treatment, which are reached for speeds ~viII/biII and wavenumbers typical of unstable modes in the homo geneus case, indicating this importance on the stability of modes driven by ion energy anisotropy. These equations are supplemented by appropriate boundary conditions for the case when the plasma is surrounded by a perfectly conducting cylindrical wall. The physical mechanics underlying the influence of Cherenkov resonance parallel to the confining magnetic field as a FLR effect on stability behavior is illustrated. For weak inhomogeneities a local dispersion relation is obtained and numerically analyzed to show significant reduction of growth rate as compared to the homogeneous.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Física, 2012. / Submitted by Alaíde Gonçalves dos Santos (alaide@unb.br) on 2012-11-01T13:40:27Z No. of bitstreams: 2 2012_DanielDouradodeAragaoSantos (2).pdf: 1073544 bytes, checksum: 928034cdd558c35d889738e94a175fca (MD5) 2012_DanielDouradodeAragaoSantos (2).pdf: 1073544 bytes, checksum: 928034cdd558c35d889738e94a175fca (MD5) / Approved for entry into archive by Guimaraes Jacqueline(jacqueline.guimaraes@bce.unb.br) on 2012-11-06T14:06:25Z (GMT) No. of bitstreams: 2 2012_DanielDouradodeAragaoSantos (2).pdf: 1073544 bytes, checksum: 928034cdd558c35d889738e94a175fca (MD5) 2012_DanielDouradodeAragaoSantos (2).pdf: 1073544 bytes, checksum: 928034cdd558c35d889738e94a175fca (MD5) / Made available in DSpace on 2012-11-06T14:06:25Z (GMT). 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Apesar de se tratar de um somatório in finito, veri camos que é possível, como boa aproximação, limitá-lo a um número máximo de fótons, e assim obter gráfi cos referentes á relação de dispersão. Para gerar as curvas de dispersão, calculamos numericamente as raízes da constante dielétrica por meio de uma subrotina escrita em linguagem C. Os limites assintóticos (harmônicos ciclotrônicos) referentes a pequenos comprimentos de onda não são alterados pela presençaa da radiação, porém observamos o surgimento de modos ressonantes propagativos e de modos estacionários com comprimentos de onda finitos e não nulos. Analisamos a influência do número de fótons envolvidos nas transições eletrônicas entre os níveis de Landau e de parâmetros do plasma como densidade e temperatura sobre o aspecto das curvas de dispersão. Veri camos que no limite de baixas temperaturas a presença da radiação afeta signi cativamente as curvas de dispersão, entretanto, para plasmas mais energéticos essa influência praticamente desaparece. Na ótica quântica esse comportamento sugere uma relação de predominância entre os processos de transição eletrônica motivados pela interação elétron-plasmon e pela interação eletrôn-fóton. Por fim, veri camos a forte dependência dos modos coletivos longitudinais com a magnitude do campo magnetostático e com a amplitude do campo de radiação. Observamos que as oscilações em torno dos harmônicos ciclotrônicos são intensi cadas à medida que aumentamos a amplitude do campo elétrico da radiação e atenuadas quando aumentamos a magnitude do campo magnetostático. _______________________________________________________________________________________ ABSTRACT / In this work, we are interested to describe the behavior of longitudinal modes in magnetized plasmas subjected to an external electromagnetic field in the dipole approximation. We assume that collective modes are in the direction of polarization of the external field. To describe the system, we employ a semiclassical model, for which electrons receive a quantum mechanical treatment and the external fields are treated from a classical viewpoint. This approach provide us an expression for the dielectric constant similar to that found for the Bernstein modes [1], however, increased by a sum over the number of photons involved on the electronic transitions. Although the sum is infinite, we show that is possible, to a good approximation, restrict it to a maximum number of photons and then, obtain graphs for the dispersion relation. To generate the dispersion relation graphs, we compute numerically the roots of the dielectric constant by means of a subroutine written in C language. The asymptotic limits (cyclotron harmonics) for small wavelengths are not affected by presence of radiation however, we observed the emergence of resonant propagative modes and stationary modes with wavelengths infinite and nonzero. We analyze the infuence of the number of photons involved on the electronic transitions between Landau levels and how the plasma parameters such as density and temperature affect the dispersion curves. We found that in the low temperatures limit the presence of radiation significantly affects the dispersion curves, whereas for more energetic plasmas this infuence virtually disappears. In the quantum picture this behavior suggests a relationship of dominance between the electronic transitions driven by electron-plasmon interaction and caused by the electronphoton interaction. Finally, we found a strong dependence of the longitudinal collective modes with the magnitude of the magnetostatic feld and the amplitude of the radiation field. We observed that the oscillations around the cyclotron harmonics are intensifed as we increase the amplitude of the radiation field and attenuated when we increase the magnitude of the homogeneous magnetic field.