Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Uma simulação numérica que leva em conta os efeitos de estratificação e mistura escalar (como a temperatura, salinidade ou substância solúvel em água) é necessária para estudar e prever os impactos ambientais que um reservatório de usina hidrelétrica pode produzir. Este trabalho sugere uma metodologia para o estudo de escoamentos ambientais, principalmente aqueles em que o conhecimento da interação entre a estratificação e mistura pode dar noções importantes dos fenômenos que ocorrem. Por esta razão, ferramentas de simulação numérica 3D de escoamento ambiental são desenvolvidas. Um gerador de malha de tetraedros do reservatório e o modelo de turbulência algébrico baseado no número de Richardson são as principais ferramentas desenvolvidas. A principal dificuldade na geração de uma malha de tetraedros de um reservatório é a distribuição não uniforme dos pontos relacionada com a relação desproporcional entre as escalas horizontais e verticais do reservatório. Neste tipo de distribuição de pontos, o algoritmo convencional de geração de malha de tetraedros pode tornar-se instável. Por esta razão, um gerador de malha não estruturada de tetraedros é desenvolvido e a metodologia utilizada para obter elementos conformes é descrita. A geração de malha superficial de triângulos utilizando a triangulação Delaunay e a construção do tetraedros a partir da malha triangular são os principais passos para o gerador de malha. A simulação hidrodinâmica com o modelo de turbulência fornece uma ferramenta útil e computacionalmente viável para fins de engenharia. Além disso, o modelo de turbulência baseado no número de Richardson leva em conta os efeitos da interação entre turbulência e estratificação. O modelo algébrico é o mais simples entre os diversos modelos de turbulência. Mas, fornece resultados realistas com o ajuste de uma pequena quantidade de parâmetros. São incorporados os modelos de viscosidade/difusividade turbulenta para escoamento estratificado. Na aproximação das equações médias de Reynolds e transporte de escalar é utilizando o Método dos Elementos Finitos. Os termos convectivos são aproximados utilizando o método semi-Lagrangeano, e a aproximação espacial é baseada no método de Galerkin. Os resultados computacionais são comparados com os resultados disponíveis na literatura. E, finalmente, a simulação de escoamento em um braço de reservatório é apresentada. / To study and forecast the environmental impacts that a hydroelectric power plant reservoir may produce, a numerical simulation that takes into account the effects of stratification and scalar mixing (such as temperature, salinity or water-soluble substance) is required. This work proposes a methodology for the study of the environmental fluid flow phenomena, mainly for flows in which the knowledge of the interaction between stratification and mixing can give important notions of the phenomena that occur. For this, a numerical simulation tool for 3D environmental flow is developed. A tetrahedral mesh generator of the reservoir based on the terrain topology and an algebraic turbulence model based on the Richardson number are the main tools developed. The main difficulty in tetrahedral mesh generation of a reservoir is nonuniform distribution of the points related to the huge ratio between the horizontal and vertical scales of the reservoir. In this type of point distributions, conventional tetrahedron mesh generation algorithm may become unstable. For this reason, a unstructured tetrahedral mesh generator is developed and the methodology used to obtain conforming elements is described. Triangular surface mesh generation using the Delaunay triangulation and the construction of the tetrahedra from the triangular surface mesh are the main steps to the mesh generator. The hydrodynamic simulation of reservoirs with a turbulence model provides a useful tool that is computationally viable for engineering purposes. Furthermore, the turbulence model based on the Richardson number takes into account the effects of interaction between turbulence and stratification. The algebraic model is the simplest among the various models of turbulence, but provides realistic results with the fitting of a small amount of parameters. Eddy-Viscosity/Diffusivity models for stratified turbulent flows models are incorporated. Using the Finite Element Method (FEM) approximation the Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) and mean scalar transport equations are approximated. The convective terms are discretized employing the Semi-Lagrangian method, and the spatial discretization is based on the Galerkin method. The computational results are compared with the results available in the literature. Finally, the simulation of the flow in a branch of a reservoir is presented.

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / Esta dissertação é parte de um amplo projeto de pesquisa, que visa ao desenvolvimento de uma plataforma computacional de dinâmica dos fluidos (CFD) capaz de simular a física de escoamentos que envolvem mistura de várias espécies químicas, com reação e combustão, utilizando um método hibrido Simulação de Grandes Escalas (LES) / Função Densidade Filtrada (FDF) Lagrangiana em malha adaptativa, bloco-estruturada. Uma vez que escoamentos com mistura proporcionam fenômenos que podem ser correlacionados com a combustão em escoamentos turbulentos, uma visão global da fenomenologia de mistura foi apresentada e escoamentos fechados, laminar e turbulento, que envolvem mistura de duas espécies químicas inicialmente segregadas foram simulados utilizando o código de desenvolvimento interno AMR3D e o código recentemente desenvolvido FDF Lagrangiana de composição. A primeira etapa deste trabalho consistiu na criação de um modelo computacional de partículas estocásticas em ambiente de processamento distribuído. Isto foi alcançado com a construção de um mapa Lagrangiano paralelo, que pode gerenciar diferentes tipos de elementos lagrangianos, incluindo partículas estocásticas, particulados, sensores e nós computacionais intrínsecos dos métodos Fronteira Imersa e Acompanhamento de Interface. O mapa conecta informações Lagrangianas com a plataforma Euleriana do código AMR3D, no qual equações de trans- porte são resolvidas. O método FDF Lagrangiana de composição realiza cálculos algébricos sobre partículas estocásticas e provê campos de composição estatisticamente equivalentes aos obtidos quando se utiliza o método de Diferenças Finitas para solução de equações diferenciais parciais; a técnica de Monte Carlo foi utilizada para resolver um sistema derivado de equações diferenciais estocásticas (SDE). Os resultados concordaram com os benchmarks, que são simulações baseadas em plataforma de Diferenças Finitas para solução de uma equação de transporte de composição filtrada. / This master thesis is part of a wide research project, which aims at developing a com- putational fluid dynamics (CFD) framework able to simulate the physics of multiple-species mixing flows, with chemical reaction and combustion, using a hybrid Large Eddy Simulation (LES) / Lagrangian Filtered Density Function (FDF) method on adaptive, block-structured mesh. Since mixing flows provide phenomena that may be correlated with combustion in turbulent flows, we expose an overview of mixing phenomenology and simulated enclosed, ini- tially segregated two-species mixing flows, at laminar and turbulent states, using the in-house built AMR3D and the developed Lagrangian composition FDF codes. The first step towards this objective consisted of building a computational model of notional particles transport on distributed processing environment. We achieved it constructing a parallel Lagrangian map, which can hold different types of Lagrangian elements, including notional particles, particu- lates, sensors and computational nodes intrinsic to Immersed Boundary and Front Tracking methods. The map connects Lagrangian information with the Eulerian framework of the AMR3D code, in which transport equations are solved. The Lagrangian composition FDF method performs algebraic calculations over an ensemble of notional particles and provides composition fields statistically equivalent to those obtained by Finite Differences numerical solution of partially differential equations (PDE); we applied the Monte Carlo technique to solve a derived system of stochastic differential equations (SDE). The results agreed with the benchmarks, which are simulations based on Finite Differences framework to solve a filtered composition transport equation. / Mestre em Engenharia Mecânica

Este trabalho apresenta uma estratégia numérica desenvolvida usando o método dos elementos finitos para simular o processo de falha de compósitos cimentícios reforçados com fibras de aço. O material é descrito como um compósito composto por três fases: matriz cimentícia (pasta, argamassa ou concreto), fibras descontínuas discretas, e interface fibra-matriz. Um novo esquema de acoplamento para malhas de elementos finitos não-conformes foi desenvolvido para acoplar as malhas geradas independentes, da matriz cimentícia e de uma nuvem de fibras de aço, baseado na utilização de novos elementos finitos desenvolvidos, denominados elementos finitos de acoplamento. Utilizando este esquema de acoplamento, um procedimento não-rígido é proposto para a modelagem do complexo comportamento não linear da interface fibra-matriz, utilizando um modelo constitutivo de dano apropriado para descrever a relação entre a tensão de cisalhamento (tensão de aderência) e deslizamento relativo entre a matriz e cada fibra de aço individualmente. Este esquema também foi adotado para considerar a presença de barras de aço para as análises de estruturas de concreto armado. As fibras de aço são modeladas usando elementos finitos lineares com dois nós (elementos de treliça) com modelo material elastoplástico. As fibras são posicionadas usando uma distribuição randômica uniforme isotrópica, considerando o efeito parede. Uma abordagem contínua e outra descontínua são investigadas para a modelagem do comportamento frágil da matriz cimentícia. Para a primeira, é utilizado um modelo de dano isotrópico com duas variáveis de dano para descrever o comportamento de dano à tração e à compressão. A segunda emprega uma técnica de fragmentação de malha que utiliza elementos finitos degenerados, posicionados entre todos os elementos finitos que formam a matriz cimentícia. Para esta técnica é proposto um modelo constitutivo à tração, compatível com a abordagem descontínua forte contínua, para prever a propagação de fissura. Para acelerar o cálculo e aumentar a robustez dos modelos de dano contínuos para simular o processamento de falhas, um esquema de integração implícito-explícito é utilizado. Exemplos numéricos são apresentados ao longo do desenvolvimento desta tese. Inicialmente, exemplos numéricos com um único reforço são apresentados para validar a técnica desenvolvida e para investigar à influência das propriedades geométricas 7 das fibras e sua posição em relação à superfície de falha. Posteriormente, exemplos mais complexos são considerados envolvendo uma nuvem de fibras. Nestes casos, atenção especial é dada à influência da distribuição das fibras no comportamento do compósito relacionado ao processo de fissuração. Comparações com resultados experimentais demonstram que a aplicação da ferramenta numérica para modelar o comportamento de compósitos cimentícios reforçados com fibras de aço é muito promissora e pode ser utilizada como uma importante ferramenta para melhor entender os efeitos dos diferentes aspectos envolvidos no processo de falha deste material. / This work presents a numerical strategy developed using the Finite Element Method (FEM) to simulate the failure process of Steel Fiber Reinforced Cementitious Composites (SFRCCs). The material is described as a composite made up by three phases: a cementitious matrix (paste, mortar or concrete), discrete discontinuous fibers, and a fiber-matrix interface. A novel coupling scheme for non-matching finite element meshes has been developed to couple the independent generated meshes of the bulk cementitious matrix and a cloud of discrete discontinuous fibers based on the use of special finite elements developed, termed Coupling Finite Elements (CFEs). Using this approach, a nonrigid coupling procedure is proposed for modeling the complex nonlinear behavior of the fiber-matrix interface by adopting an appropriate constitutive damage model to describe the relation between the shear stress (adherence stress) and the relative sliding between the matrix and each fiber individually. This scheme has also been adopted to account for the presence of regular reinforcing bars in the analysis of reinforced concrete structural elements. The steel fibers are modeled using two-node finite elements (truss elements) with a one-dimensional elastoplastic constitutive model. They are positioned using an isotropic uniform random distribution, considering the wall effect of the mold. Continuous and discontinuous approaches are developed to model the brittle behavior of the bulk cementitious matrix. For the former, an isotropic damage model including two independent scalar damage variables for describing the composite behavior under tension and compression is considered. The discontinuous approach is based on a mesh fragmentation technique that employs degenerated solid finite elements in between all regular (bulk) elements. In this case, a tensile damage constitutive model, compatible with the Continuum Strong Discontinuity Approach (CSDA), is proposed to predict crack propagation. To increase the computability and robustness of the continuum damage models used to simulate the failure processes in both of the strategies, an implicit-explicit integration scheme is used. Numerical analyses are performed throughout the presentation of the work. Initially, numerical examples with a single reinforcement are presented to validate the technique and to investigate the influence of the fibers geometrical properties and its position relative to the crack surface. Then, more complex examples involving a cloud of steel fibers are considered. In these cases, special attention is given to the analysis of the influence of the fiber distribution on the composite behavior relative to the cracking process. Comparisons with experimental results demonstrate that the application of the numerical tool for modeling the behavior of SFRCCs is very promising and may constitute an important tool for better understanding the effects of the different aspects involved in the failure process of this material.

Um método para avaliação do uso de ganho adequado em ensaios de verificação de PIO (Pilot Induced Oscillations) é apresentado. As tarefas de manobra sintética (Synthetic Tracking Task) são utilizadas para demonstração. A teoria é baseada no conceito de entropia estatística proveniente da teoria da informação e no modelo estrutural do piloto humano. O método é apresentado para manobras executadas no eixo lateral e oferece uma medida do ganho humano utilizado durante a sua execução em malha-fechada. Para a modelagem da planta é utilizado modelo black-box com equacionamento de espaço de estados e identificação de parâmetros. Dados de ensaios em voo provenientes de uma aeronave de transporte certificada FAR-25 são utilizados para medir a razão entre o tempo gasto pelo piloto humano em uma malha fechada em posição versus o tempo em uma malha de derivada da posição (roll vs. roll rate). Esta medida é proposta como validadora da execução correta do ensaio. / A method is proposed to verify losed-loop adequate flight test piloting gain in PIO aircraft certification. The synthetic tracking task PIO flight test is used. The theory is based on the entropy concept from information theory and on the structural pilot model of the human pilot. The method is presented for single axis pilot tracking maneuvers and offers a measure of the human pilot gain employed during its execution. A black-box, state-space, parameter-identified model is used for the plant. Flight test data from a FAR-25 transport aircraft is used to verify the theory of how to determine a measure of the ratio between time spent by the human pilot in the error loop versus in the error rate loop to control the aircraft. This measure is proposed as a test point validation method for PIO flight testing.

Submitted by Marlene Santos (marlene.bc.ufg@gmail.com) on 2017-09-29T20:50:34Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Vínicius Nunes Medeiros - 2017.pdf: 3262332 bytes, checksum: 6481a1cb0287306368b482913e18928d (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2017-10-02T12:58:17Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Vínicius Nunes Medeiros - 2017.pdf: 3262332 bytes, checksum: 6481a1cb0287306368b482913e18928d (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2017-10-02T12:58:17Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação - Vínicius Nunes Medeiros - 2017.pdf: 3262332 bytes, checksum: 6481a1cb0287306368b482913e18928d (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2017-09-01 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / Owing to the huge range of application scenarios for wireless networks, new prospects for the current and future applications of the Internet, making new communication paradigms such as the Internet of Things (IoT) and 5G networks. Two important networks are included in this scenery: Wireless Sensor Networks (WSN) provide key devices for developing the IoT communication paradigm, such as the sensors used for collecting different kind of information, and the Wireless Mesh Network (WMN) that enable interoperability between heterogeneous network, covering large areas with at am low cost.Eeach one these networks have specific characteristics, for example, the WSN has serious restrictions (e.g. power consumption, low speed wireless links, interference) while the WMN offers high data rates through multiple radios and channels. In this context, it is necessary to find solutions that can ensure more efficient communication system based on the optimized utilization of the network resources. So it was created a multi-objective routing algorithm, called Routing-Aware of path Length, Link quality, and traffic Load (RALL). This seeks to strike a balance between three objectives: to minimize the network bottlenecks, to reduce path length, and to avoid links with low quality, for resolution the routing problem for WSN, Then the RALL approach was adapted to match the specialty of the WMN, entitled Routing Aware of path Length, Link quality, and traffic Load Weighted (RALLW). The results indicate that combining multiple objectives when performing routing can benefit networks performance. The RALL and RALLW results in a good performance with regard to the delivery rate, throughput, delay, and power consumption when compared to other approaches, however the RALLW approach did not significant differences when compared to the RALL. / A utilização das redes sem fio em diversas aplicações está criando uma nova perspectiva de utilidade para a Internet atual fazendo com que novos paradigmas de comunicação sejam desenvolvidos, como a Internet das coisas (IoT) e redes 5G. Dois tipos de rede sem fio se destacam nesses novos cenários, a Rede de Sensores Sem Fio (RSSF) que fornece dispositivos fundamentais para a implementação dos ambientes inteligentes e da IoT, e a Rede em Malha Sem Fio (RMSF) que permite a interoperabilidade entre os tipos de redes, cobrindo grandes áreas e com um custo relativamente baixo. Essas redes possuem peculiaridade específicas, por exemplo a RSSF possui fortes restrições de consumo energético e capacidade de transmissão, já a RMSF é uma rede com maior capacidade de transmissão e maior alcance. Nesse contexto, é necessário desenvolver soluções que tornam a rede eficiente através da otimização dos seus recursos. Inicialmente foi desenvolvida a abordagem Routing Aware of path Length, Link quality, and traffic Load (RALL) para realizar o roteamento multiobjetivo em RSSF, em seguida, realizamos uma adaptação dessa abordagem para refletir as especificidades dos cenários de uma RMSF, essa adaptação foi intitulada de Routing Aware of path Length, Link quality, and traffic Load Weigthed (RALLW). Em ambas abordagens o problema de roteamento multiobjetivo é composto por três objetivos (quantidade de saltos, quantidade de enlaces com baixa qualidade e balanceamento da rede), comuns a RSSF e a RMSF, apesar de existirem diferenças significativas entre elas ao modelar os objetivos. Os resultados indicam que a combinação de múltiplos objetivos ao realizar o roteamento pode beneficiar o desempenho da rede. As abordagens RALL e RALLW resultaram em bons resultados quando comparados com outras abordagens, em relação à taxa de entrega, vazão, atraso e consumo de energia, entretanto, a abordagem RALLW não mostrou diferenças significativas quando comparada a abordagem RALL.