Métodos de resolução numérica de equações diferenciais parciais que utilizam ondaletas como base vêm sendo desenvolvidos nas últimas décadas, mas existe uma carência de estudos mais profundos das características computacionais dos mesmos. Neste estudo analisou-se detalhadamente um método espectral de Galerkin com base de ondaletas harmônicas. Revisou-se a teoria matemática referente às ondaletas harmônicas, que mostrou ter grande similaridade com a teoria referente à base trigonométrica de Fourier. Diversos testes numéricos foram realizados. Ao analisarmos a resolução da equação do transporte linear, e também de transporte não linear (equação de Burgers), obtivemos boas aproximações da solução esperada. O custo computacional obtido foi similar ao método com base de Fourier, mas com ondaletas harmônicas foi possível usar a localidade das ondaletas para detectar características de localidade do sinal. Analisamos ainda uma abordagem pseudo-espectral para os casos não lineares, que resultaram em um expressivo aumento de eficiência. Tendo em vista o uso das propriedades de localidade das ondaletas, usamos o método de Galerkin com base de ondaletas harmônicas para resolver um sistema de equações referente a um modelo de propagação de frentes de precipitação. O método mostrou boas aproximações das soluções esperadas, custo computacional ótimo e ainda a possibilidade de se obter espectralmente informações sobre a localização da frente de precipitação. / Numerical methods to solve partial differential equations based on wavelets have been developed in the last two decades, but there is a lack of studies on their computational characteristics. In this study a Galerkin spectral method using harmonic wavelets base has been thoroughly analyzed. We performed a review on the mathematics of harmonic wavelets, that showed a great similarity with Fourier basis. Several numerical experiments were made. Analyzing the use of the Galerkin method, with harmonic wavelets, on linear and non linear transport equations, we achieved good approximations in respect to the expected solution. The computational cost resulted to be similar to the same method with Fourier basis. On the other hand, employing harmonic wavelets we were able to obtain local information of the solution by simple inspection of the spectral coeffcients. We also analyzed a pseudo-spectral method based on harmonic wavelets for the non linear equations, resulting in a great improvement in efficiency. Looking towards using the locality propriety of harmonic wavelets, we tested the Galerkin method on a precipitation front propagation model. The method resulted in good approximations to the expected solution, optimal computational cost and the possibility of obtaining information on the locality of the precipitation fronts spectrally.

Métodos de resolução numérica de equações diferenciais parciais que utilizam ondaletas como base vêm sendo desenvolvidos nas últimas décadas, mas existe uma carência de estudos mais profundos das características computacionais dos mesmos. Neste estudo analisou-se detalhadamente um método espectral de Galerkin com base de ondaletas harmônicas. Revisou-se a teoria matemática referente às ondaletas harmônicas, que mostrou ter grande similaridade com a teoria referente à base trigonométrica de Fourier. Diversos testes numéricos foram realizados. Ao analisarmos a resolução da equação do transporte linear, e também de transporte não linear (equação de Burgers), obtivemos boas aproximações da solução esperada. O custo computacional obtido foi similar ao método com base de Fourier, mas com ondaletas harmônicas foi possível usar a localidade das ondaletas para detectar características de localidade do sinal. Analisamos ainda uma abordagem pseudo-espectral para os casos não lineares, que resultaram em um expressivo aumento de eficiência. Tendo em vista o uso das propriedades de localidade das ondaletas, usamos o método de Galerkin com base de ondaletas harmônicas para resolver um sistema de equações referente a um modelo de propagação de frentes de precipitação. O método mostrou boas aproximações das soluções esperadas, custo computacional ótimo e ainda a possibilidade de se obter espectralmente informações sobre a localização da frente de precipitação. / Numerical methods to solve partial differential equations based on wavelets have been developed in the last two decades, but there is a lack of studies on their computational characteristics. In this study a Galerkin spectral method using harmonic wavelets base has been thoroughly analyzed. We performed a review on the mathematics of harmonic wavelets, that showed a great similarity with Fourier basis. Several numerical experiments were made. Analyzing the use of the Galerkin method, with harmonic wavelets, on linear and non linear transport equations, we achieved good approximations in respect to the expected solution. The computational cost resulted to be similar to the same method with Fourier basis. On the other hand, employing harmonic wavelets we were able to obtain local information of the solution by simple inspection of the spectral coeffcients. We also analyzed a pseudo-spectral method based on harmonic wavelets for the non linear equations, resulting in a great improvement in efficiency. Looking towards using the locality propriety of harmonic wavelets, we tested the Galerkin method on a precipitation front propagation model. The method resulted in good approximations to the expected solution, optimal computational cost and the possibility of obtaining information on the locality of the precipitation fronts spectrally.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Modern engineering increasingly requires the comprehension of phenomena related to combustion, aeroacustics, turbulence transition, among others. For these purposes the Computational Fluids Dynamics (CFD) requires the used high order methods. One of these methods is the Fourier pseudo-spectral method, that provides an excellent numerical accuracy, and with the use of the Fast Fourier Transform algorithm (FFT), it presents a low computational cost in comparison to anothers high-order methods. Another important issue is the projection method of the pression term, which does not require the pressure computation from the Navier-Stokes equations. The procedure to calculate the pression field is usually the most onerous in classical methodologies. Nevertheless, the pseudo-spectral method can be only applied to periodic boundary flows, thus limiting its use. Aiming to solve this restriction, a new methodology is proposed at the present work, which has the objective of simulating nonperiodic flows using the Fourier pseudo-spectral method. For this purpose the immersed boundary method, that represents the boundary conditions through a force field imposed at Navier-Stokes equations is used. As a test to this new methodology, a classic problem of Computational Fluid Dynamics, The Lid Driven Cavity was simulated. The obtained results are promising and demonstrate the possibility to simulating non-periodic flows making use of the Fourier pseudo-spectral method. / Para compreender fenômenos relacionados à combustão, aeroacústica, transição a turbulência entre outros, a Dinâmica de Fluídos Computacional (CFD) utiliza os métodos de alta ordem. Um dos mais conhecidos é o método pseudo-espectral de Fourier, o qual alia: alta ordem de precisão na resolução das equações, com um baixo custo computacional. Este está ligado à utilização da FFT e do método da projeção do termo da pressão, o qual desvincula os cálculos da pressão da resolução das equações de Navier-Stokes. O procedimento de calcular o campo de pressão, normalmente é o mais oneroso nas metodologias convencionais. Apesar destas vantagens, o método pseudo-espectral de Fourier só pode ser utilizado para resolver problemas com condições de contorno periódicas, limitando o seu uso no campo da dinâmica de fluídos. Visando resolver essa restrição uma nova metodologia é proposta no presente trabalho, que tem como objetivo simular escoamentos não-periódicos utilizando o método pseudo-espectral de Fourier. Para isso, é utilizada a metodologia da Fronteira Imersa, a qual representa as condições de contorno de um escoamento através de um campo de força imposto nas equações de Navier-Stokes. Como teste, para essa nova metodologia, foi simulada uma cavidade com tampa deslizante (Lid Driven Cavity), problema clássico da mecânica de fluídos, que objetiva validar novas metodologias e códigos computacionais. Os resultados obtidos são promissores e demostram que é possível simular um escoamento não-periódico com o método pseudo-espectral de Fourier. / Mestre em Engenharia Mecânica