Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Neste trabalho é apresentado um novo procedimento numérico para o upscaling de permeabilidade utilizando condições de contorno periódicas. Este procedimento combina decomposição de domínio com elementos finitos mistos na discretização do problema local de pressão-velocidade necessário para se encontrar as permeabilidades equivalentes. / A new numerical method is proposed for the permeabilities upscaling take into consideration periodic boundary conditions. This method combines domain decomposition with mixed finite elements in discretization of the local problem of pressure-velocity necessary to meet the equivalent permeabilities.

The present work was accomplished in a slope with a pedological system composed of Red Argisol/Gleysol, in a pasture area located in an unit of agricultural production in the municipal district of Santa Maria - RS. It aimed at the characterization morphologic and the physic-hydrical and the discretization of the variability of the loss of soil of the slope. Thirteen aligned profiles were selected in a toposequency, of a total of 57, reconstituted by the polls method. After description the approach of the pedologic system in the thirteen profiles, considering the vertical and lateral succession of the verified horizons, the samples were collected for the chemical and physical-hydrical determinations in laboratory (texture, densities, porosities, retention hydrical and availability of water, saturated hydraulic conductivity and permeability to the air), in three sampling orientations. Furthermore, the soil losses were estimated through the coupling of the Universal Equation of Loss of the Soil - RUSLE, in SIG atmosphere. In the toposequency, three profiles were classified as Gleysol and the others as Red Argisol. Argisols and Gleysols presented variated chemical and physical limitations, producing strong use limitation. The horizons Bt in Argissolos are found in different depths in the studied profiles, implicating different behaviors, depending on the thickness of the horizons upper (suprajacente) The physical-hydrical dynamics of the system is marked by a different behavior among the surface (loam) and the subsurface (clayer), and it should be understood, considering the group of the horizons of each profile, to predict the physical-hydrical behavior of the soil. The saturated hydraulic conductivity of the soil presented a variation along the horizons of the soil profiles in different positions of the landscape, with great differences among the values observed in surface in relation to the ones of the subsurface, identifying the existence of a lateral flow of water in the soil, mainly in the portion of the hillside and its space variation in a topographical sequence. In the podzolic cover, the blockade of vertical drainage occurs in the top of the horizon Bt, generating a more humid zone above. The smallest retention of water in all the profiles occured in the loam horizons, Ap and A1, in all the tensions, while in the deepest horizons, Bt1 and Bt2, there was a larger retention as a consequence of the decrease of the sand tenor and increase of the clay tenor. The transition horizons, AB and BA, presented an intermediate behavior. The available water in the soil for the plants was influenced directly by the texture, which increased with the increment of the sand fraction and it decreases with the increase of the clay fraction. With the drier of the soil the permeability to the air tends to increase due to the drainage of the water of the pores which start to conduct air, being highly dependent of the macroporosity. The animal trampling and the preparation operations promoted an increase of the soil density, resulting in the reduction of the total porosity and of the macroporosity and consequently an increase in the microporosity in the horizons Ap and A1, which suffer the direct effects of the anthropic activity. The methodology application that engagement RUSLE in atmosphere SIG, allowed the discretization of the space variability of the factors that determine the losses, as well as the soil losses in a slope of the Central Depression of RS. / O presente trabalho foi realizado em uma vertente com sistema pedológico composto de Argissolo/Gleissolo, em área de pastagem, localizada em uma unidade de produção agropecuária, no município de Santa Maria RS. Objetivou-se, a caracterização morfológica e físico-hídrica e a discretização da variabilidade das perdas de solo da vertente. Foram selecionados treze perfis alinhados em uma topossequência, de um total de 57, descritos pelo método de tradagem. Após abordagem morfológica do sistema pedológico nos treze perfis, considerando a sucessão vertical e lateral, dos horizontes constatados, procederam-se as coletas de amostras para as determinações químicas e análise granulométricas, e em três orientações de amostragem as determinações físicohídricas (densidades, porosidades, retenção hídrica, condutividade hidráulica do solo saturado e permeabilidade ao ar). Além disso, foi estimada as perdas de solo através do acoplamento da Equação Universal de Perda do Solo RUSLE, em ambiente SIG. Na topossequência, três perfis foram classificados como Gleissolo e os demais como Argissolo Vermelho. Os Gleissolos apresentaram limitações variadas decorrentes do excesso de água e os Argissolos limitações químicas e físicas. O horizonte Bt nos Argissolos, encontra-se em profundidades variadas nos perfis estudados, implicando comportamentos distintos, dependendo da espessura do (s) horizontes (s) suprajacente (s). A dinâmica físico-hídrica do sistema, caracteriza-se por um comportamento distinto entre a superfície (textura média) e a subsuperfície (textura argilosa) devendo ser compreendida, considerando o conjunto dos horizontes de cada perfil, para predizer o comportamento físico-hídrico do solo. A condutividade hidráulica do solo apresentou variação ao longo dos horizontes dos perfis de solo em diferentes posições da paisagem, ocorrendo grandes diferenças entre os valores observados em superfície em relação a subsuperfície, identificando-se a existência de fluxo lateral de água no solo, principalmente, na porção da encosta e a sua variação espacial em uma sequência topográfica. Na cobertura argissólica, o bloqueio de drenagem vertical ocorre no topo do horizonte Bt, originando acima deste uma zona mais úmida. A menor retenção de água em todos os perfis ocorreu nos horizontes com textura média, Ap e A1, em todas as tensões, enquanto que nos horizontes mais profundos, Bt1 e Bt2, houve maior retenção, como consequência da diminuição do teor de areia e aumento do teor de argila. Os horizontes de transição, AB e BA, apresentaram um comportamento intermediário. A água disponível no solo para as plantas foi influenciada diretamente pela granulometria, aumentando nos horizontes com maior percentual de areia e diminuindo com o aumento da fração argila. Com o secamento do solo a permeabilidade ao ar tende a aumentar devido à drenagem da água dos poros os quais passam a conduzir maior quantidade de ar, sendo altamente dependente dos macroporos. O pisoteio animal e as operações de preparo promoveram aumento da densidade do solo, resultando na redução da porosidade total e da macroporosidade e consequentemente um aumento na microporosidade nos horizontes Ap e A1, os quais sofrem os efeitos diretos das atividades antrópicas. A aplicação de metodologia que acopla a RUSLE em ambiente SIG, permitiu a discretização da variabilidade espacial dos fatores que influenciam as perdas, bem como as perdas de solo de uma vertente da Depressão Central do RS.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Neste trabalho é apresentado um novo procedimento numérico para o upscaling de permeabilidade utilizando condições de contorno periódicas. Este procedimento combina decomposição de domínio com elementos finitos mistos na discretização do problema local de pressão-velocidade necessário para se encontrar as permeabilidades equivalentes. / A new numerical method is proposed for the permeabilities upscaling take into consideration periodic boundary conditions. This method combines domain decomposition with mixed finite elements in discretization of the local problem of pressure-velocity necessary to meet the equivalent permeabilities.

Made available in DSpace on 2014-07-29T15:18:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 dissertacao marcus vinicius mendes.pdf: 2369089 bytes, checksum: 841841ae88caf7c6c9adb67b65e533c5 (MD5) Previous issue date: 2009-10-06 / The durability of reinforced concrete structures is damaged by the degrading action of the penetration of substances in the form of gases, vapors and liquids through the pores and cracks. It is known that water both in its pure form or containing dissolved ions such as chloride, sulphate, carbon dioxide or oxygen ions, can compromise the durability of concrete structures. In reinforced concrete structures at the marine environment, for example, the towers of wind power plants, this degradation can be more intense and accelerated. Thus, in the present study were analyzed concretes with different mineral additions (silica fume, blast furnace slag) and water / binder ratios (0.35, 0.45 and 0.55), with the objective to verify if the inside and cover thickness of concrete have some effect on the mechanisms of transport and also the effect of carbonation (only for concrete with w/b equal to 0.55) in the surface layer of concrete is important enough to make dificult the entry of aggressive agents in concrete. For this, the following tests to evaluate the mass transport in concrete were performed: capillary water absorption (NBR 9779:1995), water penetration under pressure (NBR 10787:1994), air permeability (method Figg), penetrability of chloride ion (ASTM C 1202: 2009), non-steadystate migration test (NT BUILD 492:1999). As a result, it was found that the mineral addition used generally provided an improvement in front of the concrete mechanisms of mass transport. In one of the properties, namely the diffusion coefficient (non-steady-state migration) of concrete with the use of silica fume and blast furnace slag, this has been reduced dramatically, around 11 times for the concrete with w/b equal to 0.55, when it is compared with concrete without mineral addition. It was observed that the inner region of concrete behaved better, in an unexpected way, than concrete cover region for some properties (capillary absorption, water penetration under pressure, penetration of chloride ions). From this conclusion, it can be said that the inner part of concrete is composed of transition zones (aggregated interface / mortar) exposed to facilitate the entry of fluids, gases and ions. About the effect of carbonation, this affected the capillary absorption and air permeability. The results led to explain that the clogging of the pores resulting from the product of carbonation (CaCO3), promoted the refinement of the pores, thus increasing capillary force and, consequently, increasing the capillary absorption. However, for air permeability this effect has damaged the passage of air through the surface layer. Finally, it is important noting that significant correlations were found among tests that evaluated the mechanisms of mass transport, namely, penetration of chloride ions and capillary absorption, diffusion coefficient (non-steady-state migration) and capillary absorption, permeability air and water penetration under pressure, penetration of chloride ions and the diffusion coefficient. / A durabilidade das estruturas de concreto armado é prejudicada pela ação deteriorante da penetração de substâncias na forma de gases, vapores e líquidos através de poros e fissuras. Sabe-se que a água, tanto no seu estado puro ou com íons dissolvidos, como os cloretos, sulfato, dióxido de carbono ou oxigênio, pode comprometer a durabilidade das estruturas de concreto. Em estruturas de concreto armado localizadas em ambiente marítimo como, por exemplo, as torres de energia eólica, essa deterioração pode ser mais intensa e acelerada. Diante disso, no presente trabalho foram analisados concretos com diferentes adições minerais (sílica ativa e escória de alto-forno) e relações água/aglomerante (0,35; 0,45 e 0,55), tendo como objetivo principal verificar se a parte interna e o cobrimento do concreto exercem algum efeito nos mecanismos de transporte e, se o efeito da carbonatação (somente para concretos de relação a/g igual a 0,55) na camada superficial do concreto é relevante a ponto de dificultar a entrada de agentes agressivos no concreto. Para isso, foram realizados os seguintes ensaios para avaliar o transporte de massa no concreto: absorção de água por capilaridade (NBR 9779:1995), penetração de água sob pressão (NBR 10787:1994), permeabilidade ao ar (método de Figg), penetrabilidade de cloretos (ASTM C 1202: 2009), ensaio de migração em regime não estacionário (NT BUILD 492:1999). Como resultado constatou-se que as adições minerais empregadas propiciaram de maneira geral uma melhoria dos concretos frente aos mecanismos de transporte de massa. Em uma das propriedades avaliadas, a saber, o coeficiente de difusão (migração regime não estacionário) dos concretos com o emprego de sílica ativa e escória de alto-forno, esse foi reduzido drasticamente, em torno de 11 vezes para os concretos com relação a/ag igual a 0,55, quando comparado com os concretos sem adição mineral. Quanto à região do concreto, notou-se para algumas propriedades (absorção capilar, penetração de água sob pressão, penetrabilidade de cloretos) que a região interna comportou-se melhor, de maneira inesperada, que a região do cobrimento. Diante dessa conclusão, criou-se uma hipótese para tal comportamento que consistiu em afirmar que a parte interna é composta por zonas de transição (interface agregado/pasta) expostas que facilitam a entrada de fluidos, gases e íons. Já com relação ao efeito da carbonatação, esta afetou a absorção capilar e a permeabilidade ao ar. Os resultados levaram a explicar que a colmatação dos poros, advindos do produto (CaCO3) da carbonatação promoveu o refinamento dos poros, aumentando, assim, a força capilar e, conseqüentemente, o aumento da absorção capilar. No entanto, para permeabilidade ao ar esse efeito dificultou a passagem de ar através da camada superficial. Por último, cabe destacar, que correlações importantes foram obtidas entre os ensaios que avaliaram os mecanismos de transporte de massa, a saber, penetrabilidade de cloretos e absorção capilar, coeficiente de difusão (migração regime não estacionário) e absorção capilar, permeabilidade ao ar e penetração de água sob pressão, penetrabilidade de cloreto e coeficiente de difusão.

[pt] A Equação da Difusividade Hidráulica Não-Linear (EDHN) modela o escoamento monofásico de fluidos em meios porosos levando em conta a variação das propriedades da rocha e do fluido presente no interior de seus poros. Normalmente, a solução adimensional da linha-fonte pD(rD, tD) para escoamento de líquidos é encontrada por meio do uso da transformada de Laplace ou transformação de Boltzmann, o qual, o perfil transiente de pressões em coordenadas cartesianas é descrito pela função erro complementar erfc(xD, yD, tD) e, em coordenadas cilíndricas pela função integral exponencial Ei(rD, tD). Este trabalho propõe a solução analítica pelo método de expansão assíntotica de primeira ordem em séries, para solução de alguns problemas de escoamento de petróleo em meios porosos com permeabilidade dependente da pressão de poros e termo fonte. A solução geral será implementada no software Matlab (marca registrada) e a calibração do modelo matemático será realizada comparandose a solução obtida neste trabalho com a solução calculada por meio de um simulador de fluxo óleo em meios porosos denominado IMEX (marca registrada) , amplamente usado na indústria de petróleo e em pesquisas científicas e que usa o método de diferenças finitas. A solução geral da equação diferencial é dada pela soma da solução para escoamento de líquidos com permeabilidade constante e o termo de primeira ordem da expansão assintótica, composto pela não linearidade devido à variação de permeabilidade. O efeito da variação instantânea de permeabilidade em função da pressão de poros é claramente demonstrado nos gráficos diagnósticos e especializados apresentados. / [en] The Nonlinear Hydraulic Diffusivity Equation (NHDE) models the singlephase flow of fluids in porous media considering the variation in the properties of the rock and the fluid present inside its pores. Normally, the dimensionless linear solution for the flow of oil is performed using the Laplace and Fourier transform or Boltzmann transformation and provides the unsteady pressure profile in Cartesian coordinates given by complementary error function erfc(xD, yD, tD) and in cylindrical coordinates described by the exponential integral function Ei(rD, tD). This work develops a new analytical model based on an integro-differential solution to predict the formation mechanical damage caused by the permeability loss during the well-reservoir life-cycle for several oil flow problems. The appropriate Green s function (GF) to solve NHDE for each well-reservoir setting approached in this thesis is used. The general solution is implemented in the Matlab (trademark) and the mathematical model calibration will be carried out by comparing the solution obtained in this work to the porous media finite difference oil flow simulator named IMEX (trademark). The general solution of the NHDE is computed by the sum of the linear solution (constant permeability) and the first order term of the asymptotic series expansion, composed of the nonlinear effect of the permeability loss. The instantaneous permeability loss effect is clearly noticed in the diagnostic and specialized plots.