Desenvolvimento de um simulador numérico empregando o método Smoothed Particle Hydrodynamics para a resolução de escoamentos incompressíveis. Implementação computacional em paralelo (CUDA)

Neste trabalho, foi desenvolvido um simulador numérico baseado no método livre de malhas Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) para a resolução de escoamentos de fluidos newtonianos incompressíveis. Diferentemente da maioria das versões existentes deste método, o código numérico faz uso de uma técnica iterativa na determinação do campo de pressões. Este procedimento emprega a forma diferencial de uma equação de estado para um fluido compressível e a equação da continuidade a fim de que a correção da pressão seja determinada. Uma versão paralelizada do simulador numérico foi implementada usando a linguagem de programação C/C++ e a Compute Unified Device Architecture (CUDA) da NVIDIA Corporation. Foram simulados três problemas, o problema unidimensional do escoamento de Couette e os problemas bidimensionais do escoamento no interior de uma Cavidade (Shear Driven Cavity Problem) e da Quebra de Barragem (Dambreak).

Simulação de escoamentos incompressíveis empregando o método Smoothed Particle Hydrodynamics utilizando algoritmos iterativos na determinação do campo de pressões

Nesse trabalho, foi desenvolvido um simulador numérico (C/C++) para a resolução de escoamentos de fluidos newtonianos incompressíveis, baseado no método de partículas Lagrangiano, livre de malhas, Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). Tradicionalmente, duas estratégias são utilizadas na determinação do campo de pressões de forma a garantir-se a condição de incompressibilidade do fluido. A primeira delas é a formulação chamada Weak Compressible Smoothed Particle Hydrodynamics (WCSPH), onde uma equação de estado para um fluido quase-incompressível é utilizada na determinação do campo de pressões. A segunda, emprega o Método da Projeção e o campo de pressões é obtido mediante a resolução de uma equação de Poisson. No estudo aqui desenvolvido, propõe-se três métodos iterativos, baseados noMétodo da Projeção, para o cálculo do campo de pressões, Incompressible Smoothed Particle Hydrodynamics (ISPH). A fim de validar os métodos iterativos e o código computacional, foram simulados dois problemas unidimensionais: os escoamentos de Couette entre duas placas planas paralelas infinitas e de Poiseuille em um duto infinito e foram usadas condições de contorno do tipo periódicas e partículas fantasmas. Um problema bidimensional, o escoamento no interior de uma cavidade com a parede superior posta em movimento, também foi considerado. Na resolução deste problema foi utilizado o reposicionamento periódico de partículas e partículas fantasmas.

Uma formulação implícita para o método Smoothed Particle Hydrodynamics

Em uma grande gama de problemas físicos, governados por equações diferenciais, muitas vezes é de interesse obter-se soluções para o regime transiente e, portanto, deve-se empregar técnicas de integração temporal. Uma primeira possibilidade seria a de aplicar-se métodos explícitos, devido à sua simplicidade e eficiência computacional. Entretanto, esses métodos frequentemente são somente condicionalmente estáveis e estão sujeitos a severas restrições na escolha do passo no tempo. Para problemas advectivos, governados por equações hiperbólicas, esta restrição é conhecida como a condição de Courant-Friedrichs-Lewy (CFL). Quando temse a necessidade de obter soluções numéricas para grandes períodos de tempo, ou quando o custo computacional a cada passo é elevado, esta condição torna-se um empecilho. A fim de contornar esta restrição, métodos implícitos, que são geralmente incondicionalmente estáveis, são utilizados. Neste trabalho, foram aplicadas algumas formulações implícitas para a integração temporal no método Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) de modo a possibilitar o uso de maiores incrementos de tempo e uma forte estabilidade no processo de marcha temporal. Devido ao alto custo computacional exigido pela busca das partículas a cada passo no tempo, esta implementação só será viável se forem aplicados algoritmos eficientes para o tipo de estrutura matricial considerada, tais como os métodos do subespaço de Krylov. Portanto, fez-se um estudo para a escolha apropriada dos métodos que mais se adequavam a este problema, sendo os escolhidos os métodos Bi-Conjugate Gradient (BiCG), o Bi-Conjugate Gradient Stabilized (BiCGSTAB) e o Quasi-Minimal Residual (QMR). Alguns problemas testes foram utilizados a fim de validar as soluções numéricas obtidas com a versão implícita do método SPH.

Origem e composição da matéria orgânica sedimentar na margem continental próximo a Cabo Frio (RJ), porção sul da Bacia de Campos, costa sudeste do Brasil

Lipídios como marcadores moleculares (ácidos graxos, esterois e n- alcoois) e COT foram analisados em 48 amostras de sedimento superficial (0-2 cm) em dois períodos (inverno de 2008/2009 e verão de 2009) ao longo de 12 isóbatas em 2 transectos (25 a 3000 m) na principal região de ressurgência da costa sudeste do Brasil, onde a influência do aporte fluvial é mínima. O objetivo foi (i) avaliar as fontes, transporte e regiões de acúmulo da matéria orgânica (MO) (ii) identificar a fração da MO potencialmente disponível para os orgânismos bentônicos. Este estudo faz parte do Projeto Habitats Heterogeneidade Ambiental da Bacia de Campos coordenado pelo CENPES/PETROBRAS. Lipídios derivados da produção primária (0.058 - 3.1 mg gCOT-1) e secundária (0.015 - 2.2 mg gCOT-1) representaram a maior fração da MO sedimentar, enquanto lipídios derivados de fontes alóctonas (0.043 - 0.40 mg gCOT-1) e bactérias (<0.01 - 0.43 mg gCOT-1) foram menos representativos. O padrão de transporte e acúmulo da MO no sedimento depende da associação entre fatores físicos (hidrodinâmicos) e biológicos (resposta a ressurgência), e não é influenciado sazonalmente como observado em dados prévios na mesma região. Verificou-se que regiões restritas da plataforma continental apresentam acúmulo de MO lábil e esse material é exportado para regiões do talude (400 a 1000 m de profundidade), o que representa uma fonte importante de MO biodisponível para a comunidade bentônica desta região.

A mobilidade eletroforética e o perfil de potencial da membrana celular

O objetivo do presente trabalho foi estudar o comportamento dos potenciais superficiais e do perfil de potencial atraves da membrana de eritr ocito em func ao da forca i onica e das cargas superficiais, usando um modelo que leva em conta as cargas el etricas do glicoc alix e das proteınas citoplasm aticas, al em das cargas superficiais da bicamada lipıdica e os efeitos dos eletr olitos divalentes. Programas especıficos em linguagem C foram elaborados para o c alculo desses potenciais, tomando como dados num ericos resultados experimentais de medidas de mobilidade eletrofor etica de eritr ocitos para diferentes valores de forca i onica. Neste c alculo, o metodo para tratamento dos dados eletrofor eticos indicado por Hsu et al.[57] foi incluıdo em nosso modelo. A equac ao de Poisson-Boltzmann nao linear foi resolvida por computac ao num erica, usando o metodo de Runge-Kutta de quarta ordem, obtendo-se os perfis de potencial. Os resultados mostraram que a estimativa da densidade de carga el etrica na superfıcie de c elulas usando a equac ao cl assica de Helmholtz-Smoluchowski conduz a valores que nao conseguem refletir as forcas que regem o comportamento eletrofor etico das mesmas. O presente modelo gerou valores de potenciais superficiais e perfis de potencial para a membrana do eritr ocito bem distintos daqueles obtidos anteriormente para um modelo descrito por uma equac ao de Poisson-Boltzmann linear. Nossos resultados confirmam que a avaliac ao de parametros el etricos superficiais da membrana de eritr ocito, envolvendo dados oriundos de eletroforese, deve incluir c alculos hidrodin amicos al em de eletroest aticos, como sugerido por Hsu et al. [57].

Resolução numérica de escoamentos compressíveis empregando um método de partículas livre de malhas e o processamento em paralelo (CUDA)

Os métodos numéricos convencionais, baseados em malhas, têm sido amplamente aplicados na resolução de problemas da Dinâmica dos Fluidos Computacional. Entretanto, em problemas de escoamento de fluidos que envolvem superfícies livres, grandes explosões, grandes deformações, descontinuidades, ondas de choque etc., estes métodos podem apresentar algumas dificuldades práticas quando da resolução destes problemas. Como uma alternativa viável, existem os métodos de partículas livre de malhas. Neste trabalho é feita uma introdução ao método Lagrangeano de partículas, livre de malhas, Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) voltado para a simulação numérica de escoamentos de fluidos newtonianos compressíveis e quase-incompressíveis. Dois códigos numéricos foram desenvolvidos, uma versão serial e outra em paralelo, empregando a linguagem de programação C/C++ e a Compute Unified Device Architecture (CUDA), que possibilita o processamento em paralelo empregando os núcleos das Graphics Processing Units (GPUs) das placas de vídeo da NVIDIA Corporation. Os resultados numéricos foram validados e a eficiência computacional avaliada considerandose a resolução dos problemas unidimensionais Shock Tube e Blast Wave e bidimensional da Cavidade (Shear Driven Cavity Problem).

Distribuição espacial do pico e ultraplâncton na plataforma continental e talude entre Cabo Frio (RJ) e Ubatuba (SP) e sua relação com a hidrodinâmica local: inverno de 2010

O picoplâncton (0,2 - 2,0 m) e ultraplâncton (> 2,0 - 5,0 m) despertam interesse por utilizarem ativamente a matéria orgânica dissolvida, estabelecendo a alça microbiana. Responsáveis por 50-80% da produção primária em águas oligotróficas, essas frações apresentam elevadas eficiência luminosa e razão superfície/volume que as permitem alcançar alto desenvolvimento mesmo sob baixas luminosidade e disponibilidade de nutrientes. Buscando relacionar a distribuição espacial e composição da comunidade pico e ultraplanctônica aos controles bottom-up na plataforma continental e talude ao largo dos Estados do Rio de Janeiro e São Paulo (22S a 26S), foram coletadas amostras de água em 39 estações oceanográficas e utilizadas as imagens dos sensores MODIS Terra e Aqua, bem como dados de hidrografia, para a descrição dos fenômenos oceanográficos de mesoescala. A abundância total de ambas as frações de tamanho, assim como a dominância do picoplâncton, reduziu em função do distanciamento da costa. Os organismos autotróficos foram em média (102 cél.mL-1 a 104 cél.mL-1 ) majoritariamente uma ordem de grandeza inferiores aos heterotróficos (103 cél.mL-1 a 105 cél.mL-1). A Água Central do Atlântico Sul (ACAS) e as plumas das baías de Guanabara e Sepetiba (RJ) permaneceram na plataforma interna favorecendo o aumento na concentração dos macronutrientes e refletindo na mudança da estrutura da comunidade através do aumento da contribuição de autótrofos no centro da plataforma, principalmente do ultraplâncton à superfície (cerca de 21%) e na profundidade do máximo de clorofila (44%). O transporte de águas costeiras carreadas por uma corrente de origem sul gerou o vórtice de plataforma identificado nas imagens de satélite para a região da plataforma interna de Ubatuba (SP), onde concentrações mais elevadas de amônio (0,28 M) e fosfato (9,64 M) a partir dos 50 m sustentaram maior densidade do ultra autótrofo (2,89 x 103 cél.mL-1) que superou a densidade de heterótrofos (2,50 x 103 cél.mL-1) no máximo de clorofila. Os resultados destacaram um forte gradiente nerítico-oceânico na distribuição dos organismos. Sugerem ainda a predominância do metabolismo heterotrófico na maior parte das águas oligotróficas da plataforma e talude entre o Rio de Janeiro e São Paulo, bem como a presença de caráter autotrófico naquelas regiões influenciadas por feições de mesoescala, como plumas estuarinas e vórtices de plataforma.

Distribuição do material particulado em suspensão na plataforma continental e talude superior entre Ubatuba (SP) e o cabo Búzios (RJ)

A pesquisa aqui apresentada amostrou a plataforma continental e talude superior entre Ubatuba (SP) e o cabo Búzios (RJ), em dois projetos de escala local e de meso-escala. A campanha entre Ubatuba e o cabo Frio foi realizada no âmbito do projeto Oceano-Rio: levantamentos oceanográficos integrados ao largo do Estado do Rio de Janeiro, realizado em colaboração com o Ministério de Ciência e Tecnologia (MCT) e com a cooperação da Marinha do Brasil (MB), a bordo do Navio Hidro-oceanográfico Cruzeiro do Sul. Dos dados coletados nesta campanha oceanográfica, foram analisados os dados de CTD, concentração de oxigênio dissolvido, fluorescência, transmissividade, atenuação, retro-espalhamento além de amostras de água para a determinação direta da concentração de material particulado em suspensão (MPS). No experimento de menor escala, entre o cabo Frio e o cabo Búzios, além destes dados, foi realizado um fundeio entre 02 e 30 de julho de 2011, que amostrou a intensidade do eco, as correntes e as ondas. As análises realizadas permitiram observar uma grande abrangência da massa dágua característica da Ressurgência sobre a plataforma continental entre Ubatuba (SP) e cabo Búzios (RJ), inclusive em regiões muito rasas. A ressurgência nem sempre ocorreu associada aos ventos NE, sugerindo que a ocorrência de vórtices tem grande influência sobre o Sistema de Ressurgência de Cabo Frio. O padrão de distribuição de MPS na região é muito influenciado pela ressuspensão dos sedimentos de fundo (aumentada durante as tempestades, quando a coluna dágua passa a apresentar maiores concentrações de MPS), produção fitoplanctônica e aporte das baías costeiras. Outros processos que parecem influenciar este padrão são os vórtices e as ondas internas no talude. A complexidade da interação destas diferentes fontes de MPS e processos associados à sua distribuição ficou evidenciada no processo de conversão dos sinais óticos do transmissômetro e nefelômetro em concentração de MPS. Apesar desta dificuldade associada à grande variabilidade das características do MPS, as análises dos testes de conversão do sinal ótico em concentração de MPS permitem concluir que as melhores conversões podem ser obtidas após a inspeção visual das concentrações de MPS medidos (filtração) e remoção das amostras que não seguem a tendência geral esperada de dispersão sinal ótico versus concentração de MPS.

Circulação e fluxo de material particulado em suspensão no principal canal de acesso à baía de Sepetiba

Entre 06/08/11 e 25/02/12 foram obtidas séries temporais contínuas de intensidade e direção das correntes e intensidade do eco ao longo de toda a coluna dágua, e medições, de temperatura e pressão, próximas ao fundo, na região adjacente ao canal de acesso à baía de Sepetiba (230'16.5"S e 4359'29.4"W, profundidade local de aproximadamente 25 m) através da utilização de um perfilador acústico ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler), modelo WorkHorse BroadBand Sentinel (600 kHz, Teledyne-RDI). A partir dos dados adquiridos, observou-se a existência de correntes intensas próximo ao fundo (até 1,02 m/s), principalmente durante os períodos de enchente sob condições de sizígia, que são fortemente influenciadas pela orientação do canal de navegação. A análise das séries temporais das componentes da velocidade mostraram, em conformidade ao relatado por alguns autores, que esta é uma baía cuja circulação é fortemente influenciada pela dinâmica da maré sendo M2, M4, M6 e M8 as principais componentes harmônicas que atuam no sistema. Além disso, observou-se significativa assimetria da maré, sendo os períodos de enchente consideravelmente mais curtos e associados às correntes mais intensas, o que permite concluir que no setor investigado da baía de Sepetiba há dominância de enchente. Outra característica interessante da área de estudo relaciona-se à observação de que ventos intensos de S-SO são responsáveis pelo empilhamento de água no interior da baía, sendo que altura do nível da superfície da água apresenta relação direta com as variações da pressão atmosférica local. Em diversos períodos, quando há atuação de ventos de E-NE é possível encontrar Água Central do Atlântico Sul (ACAS) no interior da baía de Sepetiba, desde a sua entrada principal até as adjacências da ilha Guaíba. Além disso, foram identificadas diversas oscilações de baixa frequência que puderam ser associadas à variação da pressão atmosférica. Oscilações de alta frequência foram associadas à dinâmica da maré, a co-oscilações da maré e ao vento. Em relação à concentração de Material Particulado em Suspensão (MPS), durante os períodos de sizígia foram registradas as maiores concentrações material particulado na coluna dágua. Durante os períodos de sizígia, o fluxo de MPS é mais pronunciado do que durante as quadraturas, sendo que, independente do período da maré, o fluxo cumulativo de material particulado em suspensão é dirigido para o interior da baía de Sepetiba. Considerando o alinhamento dos vetores de velocidade em conformidade a direção preferencial do canal de navegação, tem-se que o fluxo cumulativo de MPS varia entre dirigido para SE na região próxima ao fundo, a dirigido para NE próximo ao topo da coluna dágua, o que sugere a deflexão do movimento das correntes em consequência do atrito. Ao longo de um dia, o fluxo do material particulado é mais pronunciado durante as enchentes, quando há aumento das tensões cisalhantes que atuam sobre o leito da baía redisponibilizando para a coluna dágua o material que estava depositado no fundo.

Jato transversal de gotas: simulações por ALE/FEM e efeitos interfaciais.

Um código computacional para escoamentos bifásicos incorporando metodologia híbrida entre oMétodo dos Elementos Finitos e a descrição Lagrangeana-Euleriana Arbitrária do movimento é usado para simular a dinâmica de um jato transversal de gotas na zona primária de quebra. Os corpos dispersos são descritos por meio de um método do tipo front-tracking que produz interfaces de espessura zero através de malhas formadas pela união de elementos adjacentes em ambas as fases e de técnicas de refinamento adaptativo. Condições de contorno periódicas são implementadas de modo variacionalmente consistente para todos os campos envolvidos nas simulações apresentadas e uma versão modificada do campo de pressão é adicionada à formulação do tipo um-fluido usada na equação da quantidade de movimento linear. Simulações numéricas diretas em três dimensões são executadas para diferentes configurações de líquidos imiscí veis compatíveis com resultados experimentais encontrados na literatura. Análises da hidrodinâmica do jato transversal de gotas nessas configurações considerando trajetórias, variação de formato de gota, espectro de pequenas perturbações, além de aspectos complementares relativos à qualidade de malha são apresentados e discutidos.

Inflação em sistemas com fluidos de radiação com viscosidade e dissipação e análise de estabilidade

Este trabalho apresenta um estudo da estabilidade das equações da inflação morna com um fluido de radiação viscoso. A viscosidade do fluido é proveniente do constante decaimento de partículas neste, devido à dissipação do campo escalar da inflação, o ínflaton.Esta viscosidade, que pode ser volumar ou laminar, é tratada em termos de teorias termodinâmicas fora do equilíbrio. Este estudo se limita às equações de fundo da inflação morna, de modo que somente a viscosidade volumar tem um efeito significativo, sendo a viscosidade laminar importante somente no contexto de perturbações cosmológicas. A descrição da viscosidade em termos de uma termodinâmica fora do equilíbrio, porém, não pode ser realizada univocamente, pois a única informação que temos sobre processos irreversíveis é a segunda lei da termodinâmica. Portanto, parte-se em busca de teorias que estejam de acordo com esta lei e que, por argumentos plausíveis, sejam capazes de descrever o comportamento dos fluxos dissipativos próximo ao equilíbrio. O objetivo deste trabalho é estudar a estabilidade da inflação morna viscosa para teorias causais e não causais para o fluido de radiação com viscosidade, de forma que se possa observar o impacto da viscosidade no regime inflacionário e a relevância de se passar a considerar a causalidade. Para o fluido de radiação, as teorias consideradas são a teoria não causal de Eckart e as teorias causais de Israel-Stewart e de Denicol et al (hidrodinâmica dissipativa causal não linear). Obtém-se que as teorias causais, como era de se esperar, além de serem, por definição, consistentes no tocante à finitude da velocidade de propagação dos fluxos dissipativos, tornam o sistema dinâmico estável para valores de viscosidade mais distantes do equilíbrio. Observa-se também, nitidamente, que a teoria de Denicol et al é a mais robusta nesse sentido. Este trabalho, portanto, visa dar continuidade ao estudo dos efeitos não-isentrópicos na inflação, já que, além da dissipação do ínflaton na inflação morna, o impacto da viscosidade tem despertado bastante interesse.