Métodos multigrid paralelos em malhas não estruturadas aplicados à simulação de problemas de dinâmica de fluidos computacional e transferência de calor

Fenômenos naturais, tecnológicos e industriais podem, em geral, ser modelados de modo acurado através de equações diferenciais parciais, definidas sobre domínios contínuos que necessitam ser discretizados para serem resolvidos. Dependendo do esquema de discretização utilizado, pode-se gerar sistemas de equações lineares. Esses sistemas são, de modo geral, esparsos e de grande porte, onde as incógnitas podem ser da ordem de milhares, ou até mesmo de milhões. Levando em consideração essas características, o emprego de métodos iterativos é o mais apropriado para a resolução dos sistemas gerados, devido principalmente a sua potencialidade quanto à otimização de armazenamento e eficiência computacional. Uma forma de incrementar o desempenho dos métodos iterativos é empregar uma técnica multigrid. Multigrid são uma classe de métodos que resolvem eficientemente um grande conjunto de equações algébricas através da aceleração da convergência de métodos iterativos. Considerando que a resolução de sistemas de equações de problemas realísticos pode requerer grande capacidade de processamento e de armazenamento, torna-se imprescindível o uso de ambientes computacionais de alto desempenho. Uma das abordagens encontradas na literatura técnica para a resolução de sistemas de equações em paralelo é aquela que emprega métodos de decomposição de domínio (MDDs). Os MDDs são baseados no particionamento do domínio computacional em subdomínios, de modo que a solução global do problema é obtida pela combinação apropriada das soluções obtidas em cada um dos subdomínios Assim, neste trabalho são disponibilizados diferentes métodos de resolução paralela baseado em decomposição de domínio, utilizando técnicas multigrid para a aceleração da solução de sistemas de equações lineares. Para cada método, são apresentados dois estudos de caso visando a validação das implementações. Os estudos de caso abordados são o problema da difusão de calor e o modelo de hidrodinâmica do modelo UnHIDRA. Os métodos implementados mostraram-se altamente paralelizáveis, apresentando bons ganhos de desempenho. Os métodos multigrid mostraram-se eficiente na aceleração dos métodos iterativos, já que métodos que utilizaram esta técnica apresentaram desempenho superior aos métodos que não utilizaram nenhum método de aceleração.

Particionamento de domínio e balanceamento de carga no modelo HIDRA

A paralelização de aplicaçõpes envolvendo a solução de problemas definidos sob o escopo da Dinâmica dos Fluidos Computacional normalmente é obtida via paralelismo de dados, onde o domínio da aplicação é dividido entre os diversos processadores, bem como a manutenção do balancecamento durante a execução é um problema complexo e diversas heurísticas têm sido desenvolvidas. Aplicações onde a simulação é dividida em diversas fases sobre partes diferentes do domínio acrescentam uma dificuldade maior ao particionamento, ao se buscar a distirbuição equlibrada das cargas em todas as fases. este trabalho descreve a implementação de mecanismos de particionamento e balanceamento de carga em problemas multi-fase sobre clusters de PCs. Inicialmente é apresentada a aplicação desenvolvida, um modelo de circulação e transporte de susbtâncias sobre corpos hídricos 2D e 3 D, que pode ser utilizado para modelar qualquer corpo hídrico a partir da descrição de sua geometria, batimetria e condições de contorno. Todo o desenvolvimento e testes do modelo foi feito utilizando como caso de estudo o domínio do Lago Guaíba, em Porto Alegre. Após, são descritas as principais heurísticas de particionamento de domínio de aplicações multi-fase em clusters, bem como mecanismos para balanceamento de carga para este tipo de aplicação. Ao final, é apresentada a solução proposta e desenvolvida, bem como os resultados obtidos com a mesma.

Implementação paralela de um código de elementos finitos em 2D para as Equações de Navier-Stokes para fluidos incompressíveis com transporte de escalares.

O estudo do fluxo de água e do transporte escalar em reservatórios hidrelétricos é importante para a determinação da qualidade da água durante as fases iniciais do enchimento e durante a vida útil do reservatório. Neste contexto, um código de elementos finitos paralelo 2D foi implementado para resolver as equações de Navier-Stokes para fluido incompressível acopladas a transporte escalar, utilizando o modelo de programação de troca de mensagens, a fim de realizar simulações em um ambiente de cluster de computadores. A discretização espacial é baseada no elemento MINI, que satisfaz as condições de Babuska-Brezzi (BB), que permite uma formulação mista estável. Todas as estruturas de dados distribuídos necessárias nas diferentes fases do código, como pré-processamento, solução e pós-processamento, foram implementadas usando a biblioteca PETSc. Os sistemas lineares resultantes foram resolvidos usando o método da projeção discreto com fatoração LU por blocos. Para aumentar o desempenho paralelo na solução dos sistemas lineares, foi empregado o método de condensação estática para resolver a velocidade intermediária nos vértices e no centróide do elemento MINI separadamente. Os resultados de desempenho do método de condensação estática com a abordagem da solução do sistema completo foram comparados. Os testes mostraram que o método de condensação estática apresenta melhor desempenho para grandes problemas, às custas de maior uso de memória. O desempenho de outras partes do código também são apresentados.

Elementos finitos em fluidos dominados pelo fenômeno de advecção: um método semi-Lagrangeano.

Os escoamentos altamente convectivos representam um desafio na simulação pelo método de elementos finitos. Com a solução de elementos finitos de Galerkin para escoamentos incompressíveis, a matriz associada ao termo convectivo é não simétrica, e portanto, a propiedade de aproximação ótima é perdida. Na prática as soluções apresentam oscilações espúrias. Muitos métodos foram desenvolvidos com o fim de resolver esse problema. Neste trabalho apresentamos um método semi- Lagrangeano, o qual é implicitamente um método do tipo upwind, que portanto resolve o problema anterior, e comparamos o desempenho do método na solução das equações de convecção-difusão e Navier-Stokes incompressível com o Streamline Upwind Petrov Galerkin (SUPG), um método estabilizador de reconhecido desempenho. No SUPG, as funções de forma e de teste são tomadas em espaços diferentes, criando um efeito tal que as oscilações espúrias são drasticamente atenuadas. O método semi-Lagrangeano é um método de fator de integração, no qual o fator é um operador de convecção que se desloca para um sistema de coordenadas móveis no fluido, mas restabelece o sistema de coordenadas Lagrangeanas depois de cada passo de tempo. Isto prevê estabilidade e a possibilidade de utilizar passos de tempo maiores.Existem muitos trabalhos na literatura analisando métodos estabilizadores, mas não assim com o método semi-Lagrangeano, o que representa a contribuição principal deste trabalho: reconhecer as virtudes e as fraquezas do método semi-Lagrangeano em escoamentos dominados pelo fenômeno de convecção.

Simulação numérica da interação de escoamentos tridimensionais de fluidos compressíveis e incompressíveis e estruturas deformáveis usando o método de elementos finitos

Neste trabalho apresenta-se um algoritmo para a simulação de problemas tridimensionais de interação fluido-estrutura utilizando a técnica de elementos finitos. Um esquema de Taylor-Galerkin de dois passos e elementos tetraédricos lineares são empregados para o fluido, que pode ser compressível ou incompressível. É adotada uma formulação lagrangeana-euleriana arbitrária (ALE), compatível com o movimento da interface fluidoestrutura. Um método ftacionado de correção de velocidade é utilizado para os fluidos incompressíveis. A estrutura é analisada usando elementos triangulares com três nós e seis graus de liberdade por nó (três componentes de deslocamentos e três componentes de rotação). Os efeitos da não-linearidade geométrica são incluídos. O método de Newmark é empregado para integrar no tempo as equações dinâmicas de equilíbrio, usando-se uma descrição lagrangeana atualizada. O sistema de equações alge'bricas é solucionado através do método dos gradientes conjugados e o sistema não-linear, resultante de deslocamentos e rotacões finitas da estrutura, é solucionado com um esquema incremental-iterativo. O código é otimizado para aproveitar as vantagens do processamento vetorial.

Implementação de aparato experimental para medição de instabilidades tipo Roll Waves em fluidos não- newtonianos

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEIS

Análise e modelagem do escoamento transitório de fluidos de perfuração

Drilling fluids present a thixotropic behavior and they usually gel when at rest. The sol-gel transition is fundamental to prevent the deposit of rock fragments, generated by drilling the well, over the drill bit during eventual stops. Under those conditions, high pressures are then required in order to break-up the gel when circulation is resumed. Moreover, very high pressures can damage the rock formation at the bottom of the well. Thus, a better understanding of thixotropy and the behavior of thixotropic materials becomes increasingly important for process control. The mechanisms that control thixotropy are not yet well defined and modeling is still a challenge. The objective of this work is to develop a mathematical model to study the pressure transmission in drilling fluids. This work presents a review of thixotropy and of different mathematical models found in the literature that are used to predict such characteristic. It also shows a review of transient flows of compressible fluids. The problem is modeled as the flow between the drillpipe and the annular region (space between the wall and the external part of the drillpipe). The equations that describe the problem (mass conservation, momentum balance, constitutive and state) are then discretized and numerically solved by using a computational algorithm in Fortran. The model is validated with experimental and numerical data obtained from the literature. Comparisons between experimental data obtained from Petrobras and calculated by three viscoplastic and one pseudoplastic models are conducted. The viscoplastic fluids, due to the yield stress, do not fully transmit the pressure to the outlet of the annular space. Sensibility analyses are then conducted in order to evaluate the thixotropic effect in pressure transmission.

Desenvolvimento de um método para correção de curvas de desempenho em bombas centrífugas submersas operando com fluidos viscosos

Electrical Submersible Pump (ESP) is used as an artificial lift technique. However, pumping viscous oil is generally associated with low Reynolds number flows. This condition leads to a performance degradation respect to the performance expected from the regular operation with water that most of the centrifugal pumps are originally designed for. These issues are considered in this investigation through a numerical study of the flow in two different multistage, semi-axial type ESPs. This investigation is carried out numerically using a Computational Fluid Dynamics (CFD) package, where the transient RANS equations are solved numerically. The turbulence is modeled using the SST model. Head curves for several operating conditions are compared with manufacturer’s curves and experimental data for a three-stage ESP, showing good agreement for a wide range of fluid viscosities and rotational speeds. Dimensionless numbers (n, n, n e Re) are used to investigate performance degradation of the ESPs. In addition, flow phenomena through the impellers of the ESPs are investigated using flow field from numerical results. Results show that performance degradation is directly related to rotational Reynolds number, Re. In addition, it was verified that performance degradation occurs for constant normalized specific speedn, which shows that performance degradation occurs similarly for different centrifugal pumps. Moreover, experimental data and numerical results agreed with a correlation from literature between head and flow correction factors proposed by Stepanoff (1967). A definition of modified Reynolds number was proposed and relates the head correction factor to viscosity. A correlation between head correction factor and the modified Reynolds number was proposed, which agreed well with numerical and experimental data. Then, a method to predict performance degradation based on the previous correlations was proposed. This method was compared with others from literature. In general, results and conclusions from this work can also be useful to bring more information about the flow of highly viscous fluids in pumps, especially in semi-axial, multistage ESPs.

Acoplamento de simulador de imagens SAR a interpretador MPI para estimação do espectro direcional de ondas.

O protótipo de uma interface gráfica para análise de imagens SAR (radar de abertura sintética - da sigla em inglês (Synthetic Aperture Radar) vem sendo desenvolvido e aperfeiçoado. Em seu estágio atual, a ferramenta é capaz de extrair o espectro direcional de ondas e o campo de ventos de imagens ERS 1&2. Dentre as diversas abordagens empregadas no desenvolvimento do protótipo, pode-se citar a avaliação da metodologia atualmente utilizada na interpretação das imagens. Neste sentido, é apresentada uma proposta de geração de imagens SAR sintéticas, de forma a viabilizar a avaliação do método de extração de parâmetros meteo-oceanográficos a partir do acoplamento do simulador de imagens com o interpretador utilizado no protótipo. Uma comparação detalhada entre os valores empregados para simulação e os resultados sacados da interface torna possível identificar possíveis deficiências e indicar aperfeiçoamentos ao método. Desta forma, o presente trabalho, além de discutir o protótipo para análise de imagens SAR, apresenta o desenvolvimento do acoplamento do simulador de imagens. Os resultados obtidos indicam que o acoplamento atingiu parcialmente seu objetivo apresentando bons resultados na interpretação das direções. Porém, ainda há algumas questões a serem avaliadas para a obtenção de resultados mais consistentes.

Análise das dosagens do fator de crescimento endotelial vascular no plasma e fluidos peritoneais de pacientes com câncer epitelial de ovário

A carcinogênese epitelial ovariana tem sido foco de estudos científicos em todo o mundo desenvolvido. A angiogênese tumoral ovariana é um processo multifatorial que resulta em vários produtos pró-angiogênicos. Entre eles, o fator de crescimento vascular endotelial (VEGF) é predominante. Os objetivos deste estudo foram relacionar as dosagens do VEGF dos fluidos peritoneais, do plasma periférico e do infundíbulo pélvico aos níveis de citorredução em pacientes operadas de adenocarcinoma epitelial de ovário (CEO); formular um modelo probabilístico de citorredução e utilizar estas dosagens para estimar a probabilidade do desfecho de citorredução. Além disto, foi criada uma nova variável chamada carga de VEGF. Pelo procedimento step-wise a citorredução foi melhor descrita pela carga de VEGF, mas faltou Normalidade aos resíduos, não sendo possível a adequação de um modelo matemático. Porém, a curva ROC, forneceu uma área sob a curva de 0,84, com sensibilidade de 71,4 % e especificidade variando de 69,5 a 73,9%. O ponto de corte ótimo foi 15,52 log de picograma de carga de VEGF. A odds-ratio (OR) calculada para citorredução ótima descrita pela carga de VEGF foi de 11 (IC= 2,59 ; 46,78). No grupo com estágio avançado (III e IV), a OR foi de 6 (IC= 1,15; 31,22). Apesar do pequeno número de casos, esta nova variável pode vir a ser um auxiliar na determinação de situações onde cirurgia citorredutora deixa de ser a pedra fundamental do tratamento primário do CEO e a indução quimioterápica passe a ter o principal papel na citorredução química antes da cirugia nestes casos.

Sobresaturación y nucleación primaria en fluidos biológicos respecto a la hidroxiapatita.

Aunque en las últimas décadas se han producido considerables progresos en el diagnóstico y el tratamiento de la litiasis renal, la compresión de su patogenia no ha ido en paralelo con estos avances. De hecho, a pesar de los grandes esfuerzos en investigación y de un considerable número de teorías, aún se desconoce la secuencia exacta de acontecimientos que llevan a la formación de los cálculos renales. En este trabajo se realiza un estudio de los principales tipos de cálculos renales y sus posibles causas. Se estudia, concretamente, la formación de la hidroxiapatita, un cálculo renal inorgánico relativamente frecuente. Se utiliza, para tal fin, el software comercial Medusa.

Simulação numérica da cavitação em turbomáquinas usando uma formulação Euler-Lagrange.

Turbomáquinas são máquinas operacionais que transferem energia mecânica entre um rotor e um fluido. Estas máquinas têm muitas aplicações industriais. Um dos componentes de uma turbomáquina responsável pela transferência da energia, ou receber a rotação do eixo e transformar em energia de fluido em caso de bomba ou transferir a energia do fluido para o eixo em caso de uma turbina, é o impelidor ou rotor. O fenómeno da cavitação envolve escoamento bifásico: o líquido a ser bombeado e as bolhas de vapor que são formadas durante o processo de bombeamento. O processo de formação dessas bolhas é complexo, mas ocorre principalmente devido a presença de regiões de pressões muito baixas. O colapso dessas bolhas pode muitas vezes levar a deterioração do material, dependendo da intensidade ou da velocidade de colapso das bolhas. O principal objetivo deste trabalho foi estudar o comportamento hidrodinâmico do escoamento nos canais do impelidor de uma turbomáquina do tipo radial usando recursos de fluidodinâmica computacional (CFD). Uma abordagem Euler-Lagrange acoplada com o modelo da equação de Langevin foi empregada para estimar a trajetória das bolhas. Resultados das simulações mostram as particularidades de um escoamento líquido-bolha de vapor passando em um canal de geometria curva, fornecendo assim informações que podem nos ajudar na prevenção da cavitação nessas máquinas.

Abordagens do tipo livre de jacobiana na simulação do escoamento de fluidos compressíveis em meios porosos

O desenvolvimento de software livre de Jacobiana para a resolução de problemas formulados por equações diferenciais parciais não-lineares é de interesse crescente para simular processos práticos de engenharia. Este trabalho utiliza o chamado algoritmo espectral livre de derivada para equações não-lineares na simulação de fluxos em meios porosos. O modelo aqui considerado é aquele empregado para descrever o deslocamento do fluido compressível miscível em meios porosos com fontes e sumidouros, onde a densidade da mistura de fluidos varia exponencialmente com a pressão. O algoritmo espectral utilizado é um método moderno para a solução de sistemas não-lineares de grande porte, o que não resolve sistemas lineares, nem usa qualquer informação explícita associados com a matriz Jacobiana, sendo uma abordagem livre de Jacobiana. Problemas bidimensionais são apresentados, juntamente com os resultados numéricos comparando o algoritmo espectral com um método de Newton inexato livre de Jacobiana. Os resultados deste trabalho mostram que este algoritmo espectral moderno é um método confiável e eficiente para a simulação de escoamentos compressíveis em meios porosos.

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.

Modelo simple para la permeabilidad dinámica de fluidos viscoelásticos

In the present work a simple form to obtain analytical expression for the dynamic permeability of Maxwellian fluids is presented. This expression gives the frequency dependent form of this dynamic permeability. In particular case, the analytic expression for the sinusoidal pressure pump fluid is illustrated in the configuration space. As an example of the feasibility of this expression the flow of human blood in a tube is presented finding that the human heart frequency has the same order that the frequencies where the dynamic permeability shows resonances. In order to make clear the above aspect of the dynamic permeability a model of pulsing pressure drops (gaussian like) are analyzed.