Orientador: Geraldo de Freitas Maciel / Resumo: Esta tese de doutorado traz uma abordagem experimental sobre mecanismos de geração, desenvolvimento e propagação em canal de instabilidade na superfície livre de um escoamento de fluido não-Newtoniano. Estas instabilidades, quando evoluem para um padrão estável, exibem comprimento, amplitude e celeridade bem definidos, sendo denominadas roll waves. Na literatura existe uma lacuna no que diz respeito às medições destes fenômenos em condições controladas de laboratório, e com pouquíssimos registros, quando presentes em eventos naturais. Assim, buscou-se neste trabalho projetar e implementar um aparato experimental operacional e de baixo custo com o objetivo de gerar e aferir tais instabilidades, sob condições controladas e sem a influência de vibrações externas (canalete posicionado sobre uma mesa inercial), seguindo metodologia de ensaio proposta e testada. O fluido teste utilizado foi o gel de carbopol 996, que apresentou boa estabilidade e propriedades reológicas aderentes ao modelo de Herschel-Bulkley, tal qual as lamas encontradas em pés de barragens, lamas oriundas de fluxos hiperconcentrados ou de corridas propriamente ditas. Um sistema de sucção-recalque, através de uma bomba hidráulica de cavidade progressiva, impulsionava o gel para o canal de ensaio, garantindo fluxo contínuo do material em regime de recirculação. Para gerar as instabilidades na superfície livre, foi imposta, a montante do canal, uma perturbação, por meio de um pulso de ar controlado em intensidade e... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Doutor

Submitted by EVANDRO FERNANDES DA CUNHA (evandro.cunha@unesp.br) on 2018-11-18T20:13:14Z No. of bitstreams: 1 Tese Evandro Cunha.pdf: 10054124 bytes, checksum: f324825069efc486e2637a46c1b85371 (MD5) / Approved for entry into archive by Cristina Alexandra de Godoy null (cristina@adm.feis.unesp.br) on 2018-11-21T15:21:55Z (GMT) No. of bitstreams: 1 cunha_ef_dr_ilha.pdf: 10054124 bytes, checksum: f324825069efc486e2637a46c1b85371 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-11-21T15:21:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 cunha_ef_dr_ilha.pdf: 10054124 bytes, checksum: f324825069efc486e2637a46c1b85371 (MD5) Previous issue date: 2018-07-31 / Esta tese de doutorado traz uma abordagem experimental sobre mecanismos de geração, desenvolvimento e propagação em canal de instabilidade na superfície livre de um escoamento de fluido não-Newtoniano. Estas instabilidades, quando evoluem para um padrão estável, exibem comprimento, amplitude e celeridade bem definidos, sendo denominadas roll waves. Na literatura existe uma lacuna no que diz respeito às medições destes fenômenos em condições controladas de laboratório, e com pouquíssimos registros, quando presentes em eventos naturais. Assim, buscou-se neste trabalho projetar e implementar um aparato experimental operacional e de baixo custo com o objetivo de gerar e aferir tais instabilidades, sob condições controladas e sem a influência de vibrações externas (canalete posicionado sobre uma mesa inercial), seguindo metodologia de ensaio proposta e testada. O fluido teste utilizado foi o gel de carbopol 996, que apresentou boa estabilidade e propriedades reológicas aderentes ao modelo de Herschel-Bulkley, tal qual as lamas encontradas em pés de barragens, lamas oriundas de fluxos hiperconcentrados ou de corridas propriamente ditas. Um sistema de sucção-recalque, através de uma bomba hidráulica de cavidade progressiva, impulsionava o gel para o canal de ensaio, garantindo fluxo contínuo do material em regime de recirculação. Para gerar as instabilidades na superfície livre, foi imposta, a montante do canal, uma perturbação, por meio de um pulso de ar controlado em intensidade e frequência. Após evolução e estabilização, a onda (roll wave) era aferida por meio de sistema de medição ultrassônico na configuração de pulso-eco e, seguindo metodologia inovadora proposta nesta tese, por meio de técnica fotométrica em função da absorção luminosa de um corante (azul de metileno) adicionado ao fluido teste em escoamento. Para confirmação da qualidade dos resultados obtidos pela aplicação das técnicas de medição experimental, foram feitas confrontações entre as técnicas experimentais propostas e entre estas e um modelo numérico, desenvolvido pelo grupo de pesquisa. Por fim, foram testados dois estudos de caso de formação e propagação de roll waves no canal, o primeiro visando a obtenção e tratamento das amplitudes em diversos pontos ao longo do canal, e, no segundo, a influência da frequência de perturbação sobre a amplitude da roll wave, todos para cenários experimentais com números de Froude superiores ao Froude mínimo, condição necessária à geração do fenômeno. / This doctoral thesis brings an experimental approach on generation, development and propagation mechanisms of instabilities free-surface flows of a non-Newtonian fluid. When these instabilities evolve to a stable pattern, they display well-defined length, amplitude and celerity, being denominated as roll waves. There is a great gap in literature concerning experimental data. Few experiments are found relating laboratory measurements of these phenomena in controlled conditions; this is also true when it comes to in situ measurements from natural events. Thus, the aim of this project was to design and implement a low cost operational experimental apparatus to generate and measure such instabilities under controlled conditions, isolated from external vibration influences. This project follows a previous methodology developed which was tested and approved. Carbopol gel 996 was used as test fluid, presenting good stability and rheological properties matching to Herschel-Bulkley model, oftenly used for modeling industrial sludge, slurry fluids, natural mud, among others. A hydraulic circuit was installed in which a progressive cavity hydraulic pump pushed the gel to the inlet of the testing channel, ensuring continuous flow of material, capturing the fluid at the channel outlet. A free-surface disturbance was imposed to the flow through a controlled pulse of air (intensity and frequency) on the upstream flow to produce the free-surface instabilities. After evolution and stabilization, the wave (roll wave) was measured through ultrasonic measurement system in the pulse-echo configuration and also through photometric technique using light absorption by a dye (methylene blue) added to the test fluid. Confrontations of the experimental data were made among the proposed experimental techniques and also with numerical simulations developed by the research group in order to assess the quality of the results obtained by the application of the experimental measurement techniques. Lastly, two case studies of formation and propagation of roll waves were tested: the first one aimed to obtain and process the amplitudes in several points along the channel; the second one, the influence of frequency of disturbance over the amplitude of the roll wave was studied. All the experimental scenarios were tested for Froude number over the minimum value necessary for the generation of the phenomenon.

Submitted by VITOR FIDELIS MONTEIRO GONÇALVES null (vitorfmg3@gmail.com) on 2017-09-22T14:54:50Z No. of bitstreams: 1 Dissertacao_FINAL_VFMG.pdf: 4132746 bytes, checksum: 859492e59068c54703c158251d1cff51 (MD5) / Approved for entry into archive by LUIZA DE MENEZES ROMANETTO (luizamenezes@reitoria.unesp.br) on 2017-09-25T17:57:57Z (GMT) No. of bitstreams: 1 monteiro_vf_me_bot.pdf: 4132746 bytes, checksum: 859492e59068c54703c158251d1cff51 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-09-25T17:57:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 monteiro_vf_me_bot.pdf: 4132746 bytes, checksum: 859492e59068c54703c158251d1cff51 (MD5) Previous issue date: 2017-07-28 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Fenômenos geográficos apresentam indexação temporal e espacial. Temporal pela dinâmica do processo que se altera ao longo de um período ou sob determinada influência. Espacial pela maneira com que se distribui ao longo do território. Diversas são as condicionantes que podem induzir comportamentos e padrões nesses fenômenos em bacias hidrográficas, como pedoformas, compartimentação geomorfológica, canais de drenagem, geologia, clima, entre outras. A maneira com que dados de monitoramento de recursos naturais são tratados sob o ponto de vista geoespacial pode determinar de forma definitiva o resultado final das feições que se deseja representar e dos mapas obtidos. E por consequência toda inferência que se deseja obter a respeito de determinada região de forma que venha a contribuir nos planos de bacias e gerenciamento dos recursos hídricos. O objetivo desse trabalho foi estimar a recarga das águas subterrâneas por meio do método da Variação da Superfície livre (WTF) na Estação Ecológica de Santa Barbara (EEcSB), situada no município de Águas de Santa Bárbara, sudoeste do estado de São Paulo, a partir de dados de monitoramento. Foram utilizados dados de monitoramento climatológico e hidrogeológico para estimar a recarga das águas subterrâneas no período de 2014/2016. Para isso, foi testada uma metodologia baseada no princípio de calcular antes/interpolar depois, onde a recarga foi estimada pontualmente pelo método da flutuação da superfície livre (WTF) para cada poço de monitoramento. Os resultados do trabalho foram interpolados pelo do Inverso do quadrado da distância (IDW) demonstrando graficamente como o fenômeno foi especializado e qual foi a taxa de recarga para a área de estudo. / Geographical phenomena show time and space indexation. Time indexation for the process dynamics, which, changes itself through the period or under influence. Space indexation for the manner that it distributes itself in the territory. The factors are diverse and they an induce behavior and patterns in watershed phenomena, like pedofomrs, geomorphological compartmentation, rivers, streams, geology, climate, among others. The manner, which the natural resources monitoring data, is treated by geospatial look can determine the final result of the components which is aimed to represent and obtained maps. Thus, by consequence, all the inference which is desired to be obtained about a determined region for contributing in watershed plans and water resources management. The aim of this work was to estimate the groundwater recharge via Water Table Fluctuation Method (WTF), from monitoring data, in Santa Barbara Ecological Station (EEcSB), located in Águas de Santa Bárbara county, southeast of Sao Paulo state. It was used climate and hydrogeological monitoring data to estimate the groundwater recharge in the period of 2014/2016. It was tested a methodology based in calculate first/interpolate after, where the recharge was estimated by water table fluctuation method (WTF) for each monitoring well. The results were interpolated by the inverse distance weighting (IDW) method showing in graphs how the phenomena was spatialized and what was the recharge rate presented in the study area.

Submitted by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2017-10-10T12:05:06Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Mayco Velasco de Sousa - 2017.pdf: 3290530 bytes, checksum: 4c18bf0526fa79993f57248b3161a0c6 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2017-10-10T12:05:27Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Mayco Velasco de Sousa - 2017.pdf: 3290530 bytes, checksum: 4c18bf0526fa79993f57248b3161a0c6 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2017-10-10T12:05:27Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação - Mayco Velasco de Sousa - 2017.pdf: 3290530 bytes, checksum: 4c18bf0526fa79993f57248b3161a0c6 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2017-06-22 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / In this master’s thesis, the free and forced nonlinear vibrations of an simply supported isotropic cylindrical shell fluid-filled by an incompressible, inrotational and non-viscous fluid are analyzed. The internal fluid is described by a velocity potential and the effects of the fluid ́s free surface on the non-linear vibrations of the cylindrical shell are considered. The non-linear equations of motion are obtained by the Rayleigh-Ritz method, considering the deformation field and changes of curvature described by the nonlinear theories of Donnell and Sanders. The chosen displacement field of the cylindrical shell corresponds to a modal solution proposed by Gonçalves (1987) that were obtained by the perturbation method. A parametric study is carried out to analyze the free vibrations, using the Galerkin-Urabe method to obtain for each geometry a system of non-linear algebraic equations, being solved by the Newton-Raphson method and thus to obtaining a relation between the amplitude and frequency. The results for these analyses show that depending on the geometric conditions there is a great influence of the free surface consideration on the nonlinear dynamic behavior of the cylindrical shell. Finally, a study of the forced vibrations of cylindrical shells subjected to time-dependent lateral pressure is made applying the fourth-order Runge-Kutta method to solve the second-order differential equations in time in order to find the phase portraits and the time response of the cylindrical shell. The influence of the consideration of the free surface effect of the internal fluid on the forced response of the cylindrical shell is observed and it is possible to note that the consideration of the free surface causes the appearance of important peaks of resonance in the resonance curves of the cylindrical shell. / Nesta dissertação são analisadas as vibrações não lineares, livres e forçada, de uma casca cilíndrica isotrópica simplesmente apoiada e preenchida por um fluido irrotacional, incompressível e não viscoso, que pode ser descrito por um potencial de velocidade. Considera-se os efeitos da superfície livre deste fluido nas vibrações não lineares da casca cilíndrica. As equações de movimento não lineares foram obtidas pelo método de Rayleigh-Ritz e para descrever o campo de deformação e momento de curvatura foram adotadas as teorias não lineares de Donnell e Sanders. O campo de deslocamento da casca cilíndrica utilizado corresponde a uma solução modal propostapor Gonçalves (1987) que foram obtidas pelo método da perturbação. Realizou-se um estudo paramétrico para analisar as vibrações livres onde para cada geometria estudada foi aplicado o método de Galerkin-Urabe para obter um sistema de equações algébricas não lineares, sendo então resolvidas pelo método de Newton-Raphson e assim obtendo uma relação entre a amplitude e a frequência. Os resultados para estes estudos mostram que dependendo das condições geométricas há uma grande influência da consideração da superfície livre no comportamento dinâmico não linear da casca cilíndrica. Por fim, é feito um estudo das vibrações forçadas de cascas cilíndricas submetidas a uma pressão lateral dependente do tempo, onde por meio do método de Runge-Kutta de quarta ordem soluciona-se as equações ordinais diferenciais de segunda ordem no tempo afim de encontrar as curvas de ressonância, planos-fase e a resposta no tempo da casca cilíndrica que serão utilizadas para analisar a influência da consideração do efeito de superfície livre do fluido interno na resposta forçada da casca cilíndrica. Observa-se que a consideração da superfície livre provoca o aparecimento de importantes picos de ressonância nas curvas de ressonância da casca cilíndrica.

Este trabalho apresenta um método numérico para simular escoamentos viscoelásticos bidimensionais governados pela equação constitutiva Giesekus [Schleiniger e Weinacht 1991]. As equações governantes são resolvidas pelo método de diferenças finitas numa malha deslocada. A superfície livre do fluido é modelada por partículas marcadoras possibilitando assim a sua visualização e localização. O cálculo da velocidade é efetuado por um método implícito enquanto a pressão é calculada por um método explícito. A equação constitutiva de Giesekus é resolvida pelo método de Euler modificado explícito. O método numérico desenvolvido nesse trabalho é verificado comparando-se a solução numérica com a solução analítica para o escoamento de um fluido Giesekus em um canal. Resultados de convergência são obtidos pelo uso de refinamento de malha. Os resultados alcançados incluem um estudo da aplicação do modelo Giesekus para simular o escoamento numa contração planar 4:1 e o problema de um jato incidindo sobre uma placa rígida, em que o fenômeno jet buckling é simulado. / This work presents a numerical method to simulate two-dimensional viscoelastic flows governed by the Giesekus constitutive equation [Schleiniger e Weinacht 1991]. The governing equations are solved by the finite difference method on a staggered grid. The free surface of the fluid is modeled by tracer particles thus enabling its visualization and location. The calculation of the velocity is performed by an implicit method while pressure is calculated by an explicit method. The Giesekus constitutive equation is resolved by the explicit modified Euler method. The numerical method developed in this work is verified by comparing the numerical solution with the analytical solution for the flow of a Giesekus fluid in a channel. Convergence results are obtained by the use of mesh refinement. Results obtained include a study of the application of the Giesekus model to simulate the flow through a 4:1 contraction and the problem of a jet flowing onto a rigid plate where the phenomenon of jet buckling is simulated.

O método numérico para fluidos incompressíveis desenvolvido no presente estudo é o Moving Particle Semi-Implicit Method (MPS) que enxerga o domínio discretizado em partículas, é baseado em representação lagrangeana e não tem a necessidade de utilização de malhas. O método MPS tem como equações governantes uma forma particular da equação de Navier-Stokes e a equação da continuidade para fluidos incompressíveis e não viscosos. Os métodos de simulação de fluidos mais comumente utilizados são baseados em representação euleriana e utilizam malhas para descrever a geometria do domínio a ser simulado. Devido a essas diferenças, uma das grandes virtudes do método de partículas é a facilidade de investigação de fenômenos altamente não-lineares como o de superfície livre com quebra de ondas, de líquidos no interior de uma embarcação em movimento, de ondas batendo na parte externa do casco de um navio, etc. Em artigos já publicados, resultados de experimentos físicos mostraram boa aderência aos resultados numéricos de simulações realizadas com o método MPS. No presente trabalho, resultados das forças de excitação das simulações com ondas regulares foram comparados com os resultados do programa Wave Analysis MIT (WAMIT) que é um programa consagrado no meio científico. Houve uma boa concordância de resultados entre os dois programas. A otimização do cálculo de vizinhança forneceu uma grande economia de tempo computacional. A maior contribuição deste estudo foi a otimização da função que resolve o sistema linear implementando no código desenvolvido um código paralelizado de uso público existente chamado Portable, Extensible Toolkit for Scientific Computation (PETSc) que proporcionou um bom ganho de desempenho. / A numerical method called Moving Particle Semi-implicit (MPS) method was developed in this study to analyze incompressible fluids. It is a particle method using a lagrangean representation without any grid. The governing equations are the Navier-Stokes equation and continuity equation for incompressible and non-viscous flow. Most of the computational fluid dynamics (CFD) methods are based on eulerian representation and use grids to describe the geometry of the simulated domain. These differences make the MPS method easier to analyze highly nonlinear phenomena as free surface with wave breaking, sloshing, slamming, etc. In previously published articles, results of physical experiments had shown good agreement with the numerical results obtained with MPS method. In the present work, results of exciting forces were compared with the results obtained with a validated program called Wave Analysis MIT (WAMIT). It had a good agreement of results between these two programs. The optimization of the neighborhood calculation function got a good economy of computational time. The greatest contribution of this study was the optimization of the linear system solver. It was made implementing in the developed code a parallelized public code called Portable, Extensible Toolkit for Scientific Computation (PETSc) that provided a good performance profit.

No contexto do método MAC e baseado em esquemas de diferenças finitas, este trabalho apresenta três estudos: i) uma análise de estabilidade, ii) o desenvolvimento de técnicas implícitas e, iii) a construção de métodos de projeção para escoamentos com superfície livre. Na análise de estabilidade, o principal resultado mostra que o método de Crank-Nicolson torna-se condicionalmente estável quando aplicado para uma malha deslocada com a discretiza ção explícita das condições de contorno do tipo Dirichlet. Entretanto, o mesmo método com condições de contorno implícitas é incondicionalmente estável. Para obter métodos mais estáveis, formulações implícitas são desenvolvidas para a equação da pressão na superfície livre, derivada da condição de tensão normal. Esta estratégia resulta no acoplamento dos campos de velocidade e pressão, o que exige a introdução de novos métodos de projeção. Os métodos de projeção assim desenvolvidos resultam em novas metodologias para escoamentos com superfície livre que são apropriados para o tratamento de problemas com baixo número de Reynolds. Além disso, mostra-se que os métodos propostos podem ser aplicados para fluidos viscoelásticos. Novas estratégias são derivadas para obter métodos de projeção de segunda ordem de precisão para escoamentos com superfícies livres. Além dos resultados teóricos sobre a estabilidade de esquemas numéricos, técnicas implícitas e métodos de projeção, testes computacionais são realizados e comparados para consolidação da teoria apresentada. Os resultados numéricos são obtidos no sistema FREEFLOW. A eficiência e robustez das técnicas desenvolvidas neste trabalho são demonstradas na solução de problemas tridimensionais complexos com superfície livre e baixo número de Reynolds, incluindo os problemas do jato oscilante e do inchamento do extrudado / In the context of the MAC method and based on finite difference schemes, this work presents three studies: i) a stability analysis, ii) the development of implicit techniques, and iii) the construction of projection methods for free surface flows. In the stability analysis, the main result shows a precise stability restriction on the Crank-Nicolson method when one uses a staggered grid with Dirichlet explicit boundary conditions. However, the same method with implicit boundary conditions becomes unconditionally stable. In order to obtain more stable methods, implicit formulations are applied for the pressure equation at the free surface, which is derived from the normal stress condition. This approach results in a coupling of the velocity and pressure fields; hence new projection methods for free surface flows need to be developed. The developed projection methods result in new methodologies for low Reynolds number free surface flows. It is also shown that the proposed methods can be applied for viscoelastic fluids. New strategies are derived for obtaining second-order accurate projection methods for free surface flows. In addition to the theoretical results on the stability of numerical schemes, implicit techniques and projection methods, computational tests are carried out and the results compared to consolidate the theory. The numerical results are obtained by the FREEFLOW system. The eficiency and robustness of the techniques in this work are demonstrated by solving complex tridimensional problems involving free surface and low Reynolds numbers, including the jet buckling and the extrudate swell problems

Submitted by Debora de Oliveira Medeiros null (deboraomedeiros@gmail.com) on 2017-06-13T19:08:30Z No. of bitstreams: 1 dissertacao_arquivar.pdf: 4524135 bytes, checksum: 33a027db23ff40bebc026b9090443d53 (MD5) / Approved for entry into archive by Luiz Galeffi (luizgaleffi@gmail.com) on 2017-06-19T12:58:15Z (GMT) No. of bitstreams: 1 medeiros_do_me_prud.pdf: 4524135 bytes, checksum: 33a027db23ff40bebc026b9090443d53 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-06-19T12:58:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 medeiros_do_me_prud.pdf: 4524135 bytes, checksum: 33a027db23ff40bebc026b9090443d53 (MD5) Previous issue date: 2017-04-24 / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Neste trabalho é apresentado um estudo das equações de Navier Stokes incompressível com superfície livre e métodos de projeção com uma formulação recente denominada laplaciano superficial. Esta formulação tem como finalidade uma melhor descrição da força de tensão superficial e grandezas, como curvatura e vetores tangencial e normal, descritas sobre a interface. Assim, uma condição de tensão normal alternativa é definida, e esta quando discretizada implicitamente e combinada com o método de projeção, descrevem a formulação laplaciano superficial, cuja sua solução é utilizada como condições de contorno para resolver o sistema de equações que descrevem o escoamento. A nova formulação destina-se a resolver um sistema tridiagonal de equações gerado sobre a interface, e usar a solução deste sistema de equações como uma condição de contorno na superfície livre para o sistema linear da correção da pressão no interior do domínio, que é resultante da aplicação do método de projeção. A nova equação que define a condição de tensão normal conta com grandezas definidas na malha euleriana, no contexto Marker-And-Cell (MAC), que devem ser projetadas sobre a malha lagrangeana e também considera a curvatura e os vetores tangente e normal na sua descrição, sendo importante um estudo detalhado de geometria diferencial. Finalmente, variações da formulação laplaciano superficial com tensão superficial para diferenças finitas são aplicadas para resolver os testes numéricos da oscilação da gota e da gota apoiada que possuem solução de referência, além da simulação de um problema com movimento de interface (fountain flow). Nestes testes, concluímos que a variação mais precisa e estável é aquela que aplica uma discretização da equação da tensão normal utilizando médias de valores alocados na malha MAC. / This work presents a study of the Navier-Stokes equations incompressible with free surface and a projection methods with a recent formulation defined as surface laplacian. The purpose of this formulation is to improve the description of the force of stress tension and quantities, as curvature and tangent and normal vectors, present at the interface. Thus, an alternative normal stress condition is defined, and when this is discretized implicitly and combined with the employ of projection method, describe the surface laplacian formulation, whose solution is used as boundary condition to solve the system of equations describing the flow. The new formulation is intended to solve the tridiagonal system of equations generated at the interface, and to use this solution as a boundary condition at free surface for the linear system of the pressure correction inside of domain, which results of the application of the projection method. The new equation used to define the normal stress condition considers quantities defined in the Eulerian mesh, in the Marker-And-Cell context (MAC), that should be projected on the Lagrangian mesh. In addition, in the new equation, it is also considered the influence of the curvature and normal and tangential vectors in your description, so that a detailed study of differential geometry for this computation is important. Finally, variations of the surface laplacian formulation for finite differences are applied for solving numerical tests of the drop oscillation and sessile drop which have reference solutions, beyond of the simulation of a problem with free surface moving (fountain flow). In these tests, we concluded that the most accurate and stable variation is the one that applies a discretization of the normal stress equation using the mean of values in the MAC mesh. / FAPESP: 2015/01243-0

O método numérico para fluidos incompressíveis desenvolvido no presente estudo é o Moving Particle Semi-Implicit Method (MPS) que enxerga o domínio discretizado em partículas, é baseado em representação lagrangeana e não tem a necessidade de utilização de malhas. O método MPS tem como equações governantes uma forma particular da equação de Navier-Stokes e a equação da continuidade para fluidos incompressíveis e não viscosos. Os métodos de simulação de fluidos mais comumente utilizados são baseados em representação euleriana e utilizam malhas para descrever a geometria do domínio a ser simulado. Devido a essas diferenças, uma das grandes virtudes do método de partículas é a facilidade de investigação de fenômenos altamente não-lineares como o de superfície livre com quebra de ondas, de líquidos no interior de uma embarcação em movimento, de ondas batendo na parte externa do casco de um navio, etc. Em artigos já publicados, resultados de experimentos físicos mostraram boa aderência aos resultados numéricos de simulações realizadas com o método MPS. No presente trabalho, resultados das forças de excitação das simulações com ondas regulares foram comparados com os resultados do programa Wave Analysis MIT (WAMIT) que é um programa consagrado no meio científico. Houve uma boa concordância de resultados entre os dois programas. A otimização do cálculo de vizinhança forneceu uma grande economia de tempo computacional. A maior contribuição deste estudo foi a otimização da função que resolve o sistema linear implementando no código desenvolvido um código paralelizado de uso público existente chamado Portable, Extensible Toolkit for Scientific Computation (PETSc) que proporcionou um bom ganho de desempenho. / A numerical method called Moving Particle Semi-implicit (MPS) method was developed in this study to analyze incompressible fluids. It is a particle method using a lagrangean representation without any grid. The governing equations are the Navier-Stokes equation and continuity equation for incompressible and non-viscous flow. Most of the computational fluid dynamics (CFD) methods are based on eulerian representation and use grids to describe the geometry of the simulated domain. These differences make the MPS method easier to analyze highly nonlinear phenomena as free surface with wave breaking, sloshing, slamming, etc. In previously published articles, results of physical experiments had shown good agreement with the numerical results obtained with MPS method. In the present work, results of exciting forces were compared with the results obtained with a validated program called Wave Analysis MIT (WAMIT). It had a good agreement of results between these two programs. The optimization of the neighborhood calculation function got a good economy of computational time. The greatest contribution of this study was the optimization of the linear system solver. It was made implementing in the developed code a parallelized public code called Portable, Extensible Toolkit for Scientific Computation (PETSc) that provided a good performance profit.

No contexto do método MAC e baseado em esquemas de diferenças finitas, este trabalho apresenta três estudos: i) uma análise de estabilidade, ii) o desenvolvimento de técnicas implícitas e, iii) a construção de métodos de projeção para escoamentos com superfície livre. Na análise de estabilidade, o principal resultado mostra que o método de Crank-Nicolson torna-se condicionalmente estável quando aplicado para uma malha deslocada com a discretiza ção explícita das condições de contorno do tipo Dirichlet. Entretanto, o mesmo método com condições de contorno implícitas é incondicionalmente estável. Para obter métodos mais estáveis, formulações implícitas são desenvolvidas para a equação da pressão na superfície livre, derivada da condição de tensão normal. Esta estratégia resulta no acoplamento dos campos de velocidade e pressão, o que exige a introdução de novos métodos de projeção. Os métodos de projeção assim desenvolvidos resultam em novas metodologias para escoamentos com superfície livre que são apropriados para o tratamento de problemas com baixo número de Reynolds. Além disso, mostra-se que os métodos propostos podem ser aplicados para fluidos viscoelásticos. Novas estratégias são derivadas para obter métodos de projeção de segunda ordem de precisão para escoamentos com superfícies livres. Além dos resultados teóricos sobre a estabilidade de esquemas numéricos, técnicas implícitas e métodos de projeção, testes computacionais são realizados e comparados para consolidação da teoria apresentada. Os resultados numéricos são obtidos no sistema FREEFLOW. A eficiência e robustez das técnicas desenvolvidas neste trabalho são demonstradas na solução de problemas tridimensionais complexos com superfície livre e baixo número de Reynolds, incluindo os problemas do jato oscilante e do inchamento do extrudado / In the context of the MAC method and based on finite difference schemes, this work presents three studies: i) a stability analysis, ii) the development of implicit techniques, and iii) the construction of projection methods for free surface flows. In the stability analysis, the main result shows a precise stability restriction on the Crank-Nicolson method when one uses a staggered grid with Dirichlet explicit boundary conditions. However, the same method with implicit boundary conditions becomes unconditionally stable. In order to obtain more stable methods, implicit formulations are applied for the pressure equation at the free surface, which is derived from the normal stress condition. This approach results in a coupling of the velocity and pressure fields; hence new projection methods for free surface flows need to be developed. The developed projection methods result in new methodologies for low Reynolds number free surface flows. It is also shown that the proposed methods can be applied for viscoelastic fluids. New strategies are derived for obtaining second-order accurate projection methods for free surface flows. In addition to the theoretical results on the stability of numerical schemes, implicit techniques and projection methods, computational tests are carried out and the results compared to consolidate the theory. The numerical results are obtained by the FREEFLOW system. The eficiency and robustness of the techniques in this work are demonstrated by solving complex tridimensional problems involving free surface and low Reynolds numbers, including the jet buckling and the extrudate swell problems