A T E N C I Ó ! ! !Per consultar aquesta tesi cal navegar partint del fitxer 0INICI.pdfRESUMENLas variables físicas que describen la mezcla, son perfectamente comparables para experimentos de laboratorio estudiados por un nutrido grupo de investigadores en la dinámica de fluidos medioambientales. En este trabajo se relacionan variables de tipo físicas y biológicas y se destaca el uso de las primeras como ayuda en la interpretación de las variables biológicas, demostrándose su utilidad. Se utilizan además distintos experimentos de laboratorio enfocados al estudio de la dinámica de la mezcla turbulenta en un flujo estratificado inducida por cizalla y a las escalas de las estructuras inducidas por dinámica de la pluma en el delta. Este objetivo se lleva a cabo describiendo las características de un ambientes estuarino y de la pluma por medio de indicadores como el número de Richardson y de Reynolds. Para ello se emplea una metodología avanzada de toma de muestras, técnicas experimentales de laboratorio como procesamiento de imágenes y técnicas numéricas para la modelización de la pluma en la desembocadura del estuario.El estuario bajo estudio se encuentra presente en el delta del Ebro, donde existe la mayor parte de año una cuña estable que es controlada principalmente por los caudales locales del río. Con la finalidad de observar una cuña estable, se realizo una campaña en el mes de julio de 1997. Adicionalmente para la obtención de variable a partir de las cuales puede hacerse una descripción de la dinámica de la mezcla y la obtención de variables biológicas, se desarrollaron una serie de campañas donde se buscaron diferentes condiciones del flujo del río que determina la mezcla en el estuario; estas campañas se realizaron las fechas del 5 de abril de 1998, 12 de julio, 5 de octubre de 1999 y 5 de febrero de 2000. En este trabajo junto al trabajo de campo, se realizan experimentos de laboratorio y simulaciones numéricas; se establece además un criterio cuantitativo del inicio y final de una capa de una estratificación en la columna de agua, se establecen zonas características de la mezcla en el estuario, la distancia de la cabeza de la pluma en cualquier punto del estuario incluyendo la boca a partir de la medida de la densidad mínima en la columna de agua, que la medida de los caudales locales maneja dinámica de la mezcla tanto en el cuerpo del estuario como en la pluma, además de medidas de eficiencia de mezcla, relaciones de la abundancia de organismos típicos de agua marina en el estuario de acuerdo a uno de los descriptores de la mezcla como el número de Reynolds, se describe la dinámica general de la circulación superficial inducida por la pluma en la zona costera adyacente del delta del Ebro por medio del seguimiento de partículas trazadoras y de la circulación en la columna de agua por seguimiento de colorante, por último se comparan las estructuras y escalas dominantes observadas experimentalmente con estructuras observadas por medio de percepción remota y simulaciones numéricas obteniéndose una buena correlación con los tendencias las medidas naturales y experimentales de laboratorio y numéricas. / Physical variables that describe mixing are compared with experimental laboratory results from a large number of studies of mixing dynamics in environmental fluids to find habitat regimes for primary production. The work relates physical and biological variables, and emphasises the utility of laboratory studies. Several laboratory experiments that focused on turbulent mixing dynamics in stratified shear flows are used to describe (a) mixing in the estuary and (b) induced circulation in the river plume. Mixing descriptors as entrainment, Richardson number and Reynolds number and field data were employed, and advanced techniques of laboratory simulations, image processing and numerical modelling were used to match (a) to (b). Four kinds of experiments were used to describe the dynamics in the whole estuary. 1) Mixing turbulence across a density interface generated by an oscillating grid inside a mixing-box. 2) The horizontal advance of a turbulent front in a stratified system with a lateral current, inside a 1 m x 1 m square box. 3) Induced circulation in the delta del Ebro slope and shelf that were performed with an experimental model in a 2 m x 4 m rectangular tank on a 5-m diameter turntable. 4) Dispersion simulations in the river plume with the OCK3D code. Experiments 1 and 2 were developed in the UPC applied physic laboratories in Barcelona, experiments 3 were performed in the SINTEF laboratories in Trondheim and numerical experiments 4 were realized in the LSEET laboratories in Toulon. The estuary under study is the delta of the del Ebro, where a stable saline wedge is present the greater part of the year, driven by the river flow. A field campaign was carried out to observe a complete large stable saline wedge during the month of July of 1997. Additionally, to obtain the physical descriptors, cruises were made on 5 April, 1998, 12 July and 5 October, 1999 and 5 February, 2000 to observe several flow conditions in the river estuary. Particle tracking and optical measurements in the water column were used to study the induced length scale dynamics in the shelf and slope of the delta del Ebro. The dominant structures and scales from SAR images and numerical and laboratory simulations were compared with the field data.With the help of laboratory and field experiments and numerical simulations, qualitative criteria were suggested to determine the extent of the interface ending in a stratified water column, the different mixing characteristic zones within the estuary, and the distance of the estuary head, since elsewhere points in the estuary (including the river mouth) are obtained by means of the minimum density in the water column. Both estuary mixing and plume dynamics are driven by the local flow. In the present analysis of mixing efficiency, the phytoplankton abundance is in accord with the Reynolds number as a mixing descriptor.

Submitted by Johnny Rodrigues (johnnyrodrigues@ufcg.edu.br) on 2018-03-26T21:38:56Z No. of bitstreams: 1 VALÉRIO DE ARAÚJO GOMES - TESE PPGEQ 2017..pdf: 1988053 bytes, checksum: b420f6b012569ad3bbe40c4e9567f181 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-03-26T21:38:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 VALÉRIO DE ARAÚJO GOMES - TESE PPGEQ 2017..pdf: 1988053 bytes, checksum: b420f6b012569ad3bbe40c4e9567f181 (MD5) Previous issue date: 2017 / O desenvolvimento de modelos matemáticos aplicados a simulação de dispersão de poluentes na atmosfera, utilizando fluidodinâmica computacional, tem sido cada vez mais intenso em função da evolução tecnológica das rotinas computacionais. Porém, o maior desafio ainda é o entendimento e a modelagem adequada dos fenômenos que caracterizam a dispersão quando ocorrem em regime turbulento. Para o fechamento dos termos que representam a turbulência, o modelo de duas equações k- padrão é o que mais largamente tem sido utilizado. Contudo, este é um modelo desenvolvido a altos números de Reynolds e apresenta limitações quando o escoamento ocorre próximo das paredes do domínio. Desta forma, quando os efeitos de escoamentos a baixos números de Reynolds devem ser levados em consideração (quando a viscosidade molecular não pode ser desprezada), funções amortecedoras devem ser inseridas resultando em uma espécie de k- para baixos números de Reynolds. Com isso, esta tese tem como objetivo apresentar o desenvolvimento de um modelo de dispersão atmosférica matemático, tendo como contribuição científica o desenvolvido de equações empíricas para definição da função amortecimento (𝑓µ) no cálculo da viscosidade turbulenta, em complemento as funções “paredes” utilizadas comumente pelos códigos computacionais comerciais, corrigindo desta forma o modelo k- padrão. Como ferramenta computacional, foi utilizado o software CFX® para as simulações fluidodinâmicas. Para validação do modelo, foram utilizados os dados do experimento de Copenhagen. Os índices estatísticos do modelo também foram comparados com os resultados de outras pesquisas encontradas na literatura. Os resultados mostraram que a metodologia proposta foi capaz de simular o experimento de campo com um nível bastante satisfatório, atingindo um erro quadrático médio normalizado (NMSE) de 0,02 e um fator de correlação (Cor) de 0,95. / The development of mathematical models, which simulate the dispersion of pollutants in the atmosphere using computational fluid dynamics, has been increasingly intense due to the technological evolution of computational routines. For the closure of the terms representing the turbulence, the model of standard two equations k- is the most widely used. However, when the effects of low Reynolds numbers should be considered (when molecular viscosity cannot be neglected), damping functions should be inserted resulting in a kind of k- for low Reynolds numbers. This thesis aims to present the development of a mathematical atmospheric dispersion model, whose scientific contribution is the development of empirical equations to define the damping function (𝑓�µ) in the calculation of turbulent viscosity, in addition the functions "walls" commonly used by commercial computer codes. As a computational tool, CFX® software has been used to perform fluid dynamics simulation. For the validation of the model, the data from the Copenhagen experiment were used. The statistical indices of the model were also compared with the results of other studies found in the literature. The results showed that the proposed methodology was able to simulate the field experiment with a very satisfactory level, reaching a normalized mean square error (NMSE) of 0.02 and a correlation factor (Color) of 0.95.

Em diversos escoamentos sobre superfícies há a presença de protuberâncias, como por exemplo rebites, parafusos e juntas. Estas protuberâncias podem influenciar a camada limite, acelerando a transição do escoamento do estado laminar para o estado turbulento. Em alguns casos isto pode ser indesejável, já que o escoamento turbulento implica necessariamente em uma força de atrito maior do que aquela referente ao escoamento laminar. Existem alguns aspectos neste tipo de escoamento que ainda não estão bem compreendidos. O objetivo deste trabalho é estudar a influência de uma rugosidade isolada no escoamento sobre uma superfície. Este estudo contribui para se entender o que ocorre em casos de maior complexidade. O estudo é de natureza computacional, em que se utiliza simulação numérica direta das equações de Navier-Stokes. A técnica de fronteiras imersas é utilizada para representar a rugosidade no escoamento sobre a superfície. O código numérico é verificado por meio do método de soluções manufaturadas. Comparações entre resultados experimentais, da teoria de estabilidade linear e numéricos também são utilizados para a validação do código. Resultados obtidos com diferentes alturas de rugosidade e variações no gradiente de pressão permitiram analisar a influência de elemento rugoso tridimensional em escoamentos de camada limite. / The presence of protuberances on surfaces, for example, rivets, screws and gaskets, can influence the boundary layer by accelerating the transition from laminar flow to turbulent flow. In some cases this may be undesirable, since the turbulent flow involves frictional forces greater than the ones at the laminar regime. There are some aspects of the flow in the boundary layer perturbed by a single roughness element that are not well understood. The aim of this work is to study the influence of an isolated roughness on the boundary layer. This study is a step towards to the understanding of what can happen in more complex cases. The nature of this study is computational, therefore a Direct Numerical Simulation code is used. The immersed boundary method is used to represent the roughness in the flow on the surface. The numerical code is verified via theMethod ofManufactured Solutions. Comparisons between experimental data, Linear Stability Theory and numerical results are also used for the validation of the code. Results obtained with different roughness heights and variations in the pressure gradient allowed the analysis of the influence of a three-dimensional roughness element in boundary layer flows.

[EN] Laser-induced incandescence (LII) is an optical diagnostic technique that can be used to measure the concentration and primary-particle size distributions of soot with high selectivity. This technique consists of rapid particle heating from the local ambient temperature to close to the soot sublimation temperature (~4000 K) by means of a highly energetic laser source, and the immediate recording of the strong thermal radiation as a result of a complex heat and mass transfer balance. The aim of this work is to develop an experimental methodology for measuring the soot concentration in diesel flames by means of laser-induced incandescence. The development of the methodology consists of two main parts. The first focuses on the calibration of the laser-induced incandescence signal in a laminar diffusion flame under atmospheric conditions, by using the light extinction method as a reference technique. This calibration allows for quantitative values of the concentration of soot. Along with LII measurements, simultaneous laser elastic-scattering measurements (LES) were obtained, which allowed the calculation of the maps of probability, number and relative particle diameter. For this purpose, different algorithms and corrections by digital image processing were developed. This research has also made use of a theoretical model for the LII signal with the intention of developing an adequate interpretation of the images inside the combustion chamber, identify the main limitations of the technique and propose the necessary corrections under different experimental conditions. The second part is an experimental study of the soot concentration field in a turbulent diesel flame. In this case, an experimental set-up that reproduces the thermodynamic conditions of a diesel engine was used. By strictly following the methodology developed in the first part, along with the adjustments and corrections for high-pressure systems such as compression-ignition engines, a series of parametric studies were carried out in order to characterise the effects of variations in fuel injection pressure, thermodynamic properties of air and nozzle diameter on the soot concentration distribution and its relationship with the flame structure. In this analysis, results from other optical techniques have been used, in order to understand the phenomena that determine the processes of formation and soot oxidation in turbulent flames. / [ES] La técnica de incandescencia inducida por láser (LII) es una herramienta de diagnóstico óptico que permite la medición directa de la concentración, tamaño y distribución de partículas de hollín. Esta técnica consiste en la detección de la señal de alta incandescencia emitida por las partículas de hollín que al ser calentadas mediante el uso pulsos láseres altamente energéticos, aumentan su temperatura hasta alcanzar temperaturas cercanas al punto de sublimación del hollín (~4000 K) como consecuencia de la absorción de energía y de un complejo balance de calor y masa. El objetivo de esta Tesis Doctoral consiste en desarrollar una metodología experimental para la medida de los campos de concentración de hollín en llamas Diesel mediante la técnica de incandescencia inducida por láser. El desarrollo de la metodología se compone de dos partes fundamentales. La primera de ellas se centra en la calibración de la señal de incandescencia inducida por láser en un llama de difusión laminar en condiciones atmosféricas, utilizando como referencia el método de extinción de luz. Esta calibración permite obtener valores cuantitativos de la concentración de hollín. Conjuntamente con las medidas de LII, se han obtenido medidas de la dispersión elástica de Rayleigh (LES), lo que ha permitido el cálculo de los mapas de probabilidad, número y diámetro relativo de partículas. Para este propósito se han tenido que desarrollar diferentes algoritmos y correcciones mediante procesado digital de imágenes. En esta investigación también se ha hecho uso de un modelo teórico de la señal de incandescencia para la correcta interpretación de las imágenes en la cámara de combustión, conocer sus limitaciones y proponer las correcciones necesarias bajo diferentes condiciones experimentales. La segunda parte corresponde a las medidas de concentraciones de hollín en una llama turbulenta Diesel. En este caso, se ha utilizado una instalación experimental que permite reproducir las condiciones termodinámicas de un motor Diesel. Mediante el seguimiento estricto de la metodología desarrollada en la primera parte, y con las adaptaciones y correcciones correspondientes a sistemas de alta presión como lo son los motores de encendido por compresión, se ha realizado una serie de estudios paramétricos con el fin de caracterizar los efectos en las variaciones de la presión de inyección de combustible, propiedades termodinámicas del aire y diámetro de tobera sobre los mapas de concentración de hollín. En el análisis de resultados se han utilizado otras técnicas ópticas, con el fin de comprender los fenómenos que determinan los procesos de formación y oxidación de hollín en llamas turbulentas. / [CAT] La tècnica d'incandescència induïda per làser (LII) és una ferramenta de diagnòstic òptic que permet el mesurament directe de la concentració, grandària i distribució de partícules de sutja. Esta tècnica consistix en la detecció del senyal d'alta incandescència emesa per les partícules de sutja que al ser calfades per mitjà de l'ús polsos láseres altament energètics, augmenten la seua temperatura fins a aconseguir temperatures pròximes al punt de sublimació de la sutja (~4000 K) com a conseqüència de l'absorció d'energia i d'un complex balanç de calor i massa. L'objectiu d'esta Tesi Doctoral consistix a desenrotllar una metodologia experimental per a la mesura dels camps de concentració de sutja en flames Dièsel per mitjà de la tècnica d'incandescència induïda per làser. El desenrotllament de la metodologia es compon de dos parts fonamentals. La primera d'elles se centra en la calibratge del senyal d'incandescència induïda per làser en un flama de difusió laminar en condicions atmosfèriques, utilitzant com a referència el mètode d'extinció de llum. Esta calibratge permet obtindre valors quantitatius de la concentració de sutja. Conjuntament amb les mesures de LII, s'han obtingut mesures de la dispersió elàstica de Rayleigh (LES) , la qual cosa ha permés el càlcul dels mapes de probabilitat, número i diàmetre relatiu de partícules. Per a este propòsit s'han hagut de desenrotllar diferents algoritmes i correccions per mitjà de processat digital d'imatges. En esta investigació també s'ha fet ús d'un model teòric del senyal d'incandescència per a la correcta interpretació de les imatges en la cambra de combustió, conéixer les seues limitacions i proposar les correccions necessàries davall diferents condicions experimentals. La segona part correspon a les mesures de concentracions de sutja en una flama turbulenta Dièsel. En este cas, s'ha utilitzat una instal-lació experimental que permet reproduir les condicions termodinàmiques d'un motor Dièsel. Per mitjà del seguiment estricte de la metodologia desenrotllada en la primera part, i amb les adaptacions i correccions corresponents a sistemes d'alta pressió com ho són els motors d'encesa per compressió, s'ha realitzat una sèrie d'estudis paramètrics a fi de caracteritzar els efectes en les variacions de la pressió d'injecció de combustible, propietats termodinàmiques de l'aire i diàmetre de tovera sobre els mapes de concentració de sutja. En l'anàlisi de resultats s'han utilitzat altres tècniques òptiques, a fi de comprendre els fenòmens que determinen els processos de formació i oxidació de sutja en flames turbulentes. / Buitrago García, JE. (2016). CARACTERIZACIÓN EXPERIMENTAL DE LA CONCENTRACIÓN DE HOLLÍN EN LLAMAS DIESEL MEDIANTE INCANDESCENCIA INDUCIDA POR LÁSER [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/62355 / TESIS

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.

Ce travail porte sur les processus hydrodynamiques en zone littorale.Deux principaux thèmes sont abordés. Le premier concerne la couchelimite oscillante provoquée par l’interaction entre les vagues et le fondà l’approche des côtes. Le second traite de l’évolution de la circulationet la vorticité induite par la bathymétrie et/ou le forçage des vagues.Un modèle de couche limite turbulente a été élaboré et utilisé pourobserver l’évolution de la couche limite oscillante sous l’effet de vaguesnon-linéaires, en s’appuyant sur une modélisation physique menéedans le canal à houle du LEGI. Les profils expérimentaux de vitesseet positions du fond fixe instantanés permettent de définir l’évolutiondes non-linéarités induites par les vagues au sein de la couche limite.Le modèle numérique couplé à une modélisation du mouvement dulit mobile est capable de reproduire l’évolution de ces non-linéarités,et explique que la diffusion verticale observée expérimentalementest principalement due au mouvement vertical du lit causé induitpar les vagues. Pour l’étude de la circulation et de la vorticité enzone côtière, un modèle numérique 2D moyenné sur la verticale detype Shallow Water est validé avec les données d’une expériencemenée dans le basin à vagues du Laboratoire Hydraulique de France(ARTELIA). La formation de courants sagittaux a été forcée parun front de vagues avec un déficit d’énergie au centre du bassin. Lemodèle numérique est validé par des mesures de surface libre, devitesse, ainsi que de circulation et vorticité. En utilisant ensuitel’équation de vorticité potentielle comme outil de diagnostic, avec unforçage monochromatique on prédit un équilibre entre la générationde vorticité et son advection par l’écoulement moyen. / This work is about the hydrodynamic processes in the nearshorezone. They are of great importance to estimate the overall dynamicsof the coastal zone. This thesis is divided into two main parts; thefirst one investigates the coastal bottom boundary layer induced bythe interaction of the waves and the bottom when approaching thecoast; the second one is about the evolution of the mean circulationand vorticity induced by an inhomogeneity in the bathymetry orthe wave forcing. A turbulent boundary layer numerical model hasbeen developed and used to simulate the evolution of the oscillatingboundary layers under non-linear waves, of a flume experiment at theLaboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels (LEGI) inGrenoble, France. The experimental instantaneous velocity profilesand still bed positions, allow defining the non-linear velocity distributionsinduced by the waves within the boundary layer. The numericalmodel coupled with a ad-hoc modeling of the mobile bed motionis able to reproduce the vertical distribution of the non-linearities,and also indicates that the vertical diffusion observed experimentallyis mainly caused by the mobile bed motion induced by the passingwaves. A 2D depth-averaged nonlinear shallow water numericalmodel is used to study the circulation and vorticity in the nearshorezone. This model is validated on a mobile bed experiment in thewave basin of the Laboratoire Hydraulique de France (ARTELIA).The formation of rip currents is forced by a damped wave forcing inthe middle of the wave basin. The numerical model is validated withfree surface and velocity measurements, and by the circulation andvorticity. Using the potential vorticity balance as a diagnosis tooland with a monochromatic wave forcing, an equilibrium between thevorticity generation and advection is observed in the nearshore zone. / Este trabajo trata de los procesos hidrodinámicos en la zona litoral,de grande importancia para la dinámica global del flujo costero. Dostemas principales son estudiados. El primero trata de la capa límiteoscilante provocada por la interacción entre el oleaje y el fondo alacercarse a la costa. El segundo tema trata de la evolución de lacirculación y la vorticidad inducida por la batimetría y/o el oleaje.Un modelo de capa límite turbulenta ha sido elaborado y validadopara analizar la evolución de la capa límite oscilante bajo la influenciade oleaje no-lineal, apoyándose en una modelación física, realizada enel canal de olas del LEGI. Los perfiles experimentales instantáneos develocidad y posición del fondo fijo, permiten definir la evolución delas no-linealidades inducidas por las olas dentro de la capa límite. Elmodelo numérico acoplado a una modelación del movimiento del fondomóvil es capaz de reproducir la evolución de estas no-linealidades, yexplica también que la difusión vertical observada experimentalmentees principalmente debida al movimiento vertical del fondo inducidopor el oleaje. El estudio de la circulación y de la vorticidad en zonascosteras se hace mediante un modelo numérico 2D promediado enla vertical de tipo Shallow Water que es validado con los datos deuna experiencia llevada a cabo en la piscina de olas del LaboratoireHydraulique de France (ARTELIA). La formación de corrientes ripse realiza a través de frentes de olas con un déficit de energía en elmedio de la piscina. El modelo numérico es validado con medicionesde superficie libre, de velocidades, y de circulación y vorticidad.Utilizando la ecuación de vortcidad potencial como herramienta dediagnóstico, con un oleaje monocromático se predice un equilibrioentre la generación de vorticidad y su advección por las corrientes.

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.