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Title in Portuguese: Estudo computacional em poroelasticidade e mecânica dos fluidos
Author: Almeida, Maurício Soares de
Advisor(s): Almeida, Murilo Pereira de
Keywords: Poroelasticidade
Ondas elásticas
Edifícios
Ventos - Fortaleza (CE)
Issue Date: 2018
Citation: ALMEIDA, M. S. Estudo computacional em poroelasticidade e mecânica dos fluidos. 2018. 113 f. Tese (Doutorado em Física) – Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2018.
Abstract in Portuguese: Este trabalho consiste em um estudo computacional em mecânica do contínuo: aplicações em poroelasticidade e no estudo da influência de edifícios sobre os ventos em uma zona litorânea. Uma primeira análise foi realizada para verificar, através de modelos computacionais, a influência que poros vazios ou incrustações em rochas causam sobre a propagação de ondas mecânicas. Para isso, foi comparado o tempo em que ondas do tipo P e S levavam para se propagar em um meio com essas características, quando as propriedades elásticas das incrustações, como densidade e módulo de cisalhamento, eram alteradas. Utilizou-se como metodologia a resolução numérica das equacões diferenciais parciais das ondas elásticas através do método dos elementos finitos usando o software FEniCS, cuja plataforma possibilita a implementação de problemas de multi-física, onde diferentes equações diferenciais podem ser resolvidas num mesmo domínio espacial. Um conjunto de malhas com porosidade distintas foi criado para um domínio bidimensional, onde foram traçados sismogramas sintéticos para serem analisados e comparados com resultados de meios homogêneos. A segunda parte da pesquisa consistiu em um estudo da interação vento-edifícios em uma região da beira-mar de Fortaleza. Devido o crescimento da população nos grandes centros urbanos, a necessidade da criação de edifícios cada vez maiores torna-se imediata. Esse fenômeno também pode ser verificado em regiões turísticas, onde é preciso hospedar um número elevado de pessoas. Essa verticalização interfere no fluxo de vento e pode afetar o conforto e a segurança de pedestres. Outra consequência é a redução da ventilação natural em bairros mais afastadas da orla marítima. Para melhor compreender esse fenômeno, um conjunto de simulações numéricas foram realizadas utilizando a caixa de ferramenta OpenFOAM, onde foram resolvidas as equações RANS com a turbulência formulada pelo modelo k − . Foram considerados os casos onde os ventos eram provenientes das direções NNE e SSE, com diferentes intensidades. A região estudada correspondia a uma área de 1, 6 × 105 m2 . Com os resultados, foi possível identificar os pontos em que acontecem uma maior aceleração do fluxo, provocado pelo efeito de Venturi, além do mapeamento de zonas de recirculação. Um perfil de velocidade vertical também foi traçado. Para ventos superiores a 5 m/s, foi identificado uma redução de 23% da sua intensidade, em localidades situadas a 1 km de distância das barreiras criadas pelos edifícios. Curvas da energia cinética turbulenta, dissipação turbulenta e da função de participação da energia cinética ao longo do domínio também foram plotadas.
Abstract: This work consists of a computational study in the mechanics of the continuum: applications in poroelasticity and in the study of the influence of buildings on the winds in a coastal zone. A first analysis was performed to verify, through computational models, the influence that empty pores or incrustations in rocks cause on the propagation of mechanical waves. For this, the time in which P and S waves were propagated in a medium with these characteristics was compared when the elastic properties of the scale, such as density and shear modulus, were altered. The numerical resolution of the partial differential equations of the elastic waves using the finite element method using the FEniCS software, whose platform allows the implementation of multi-physics problems, where different differential equations can be solved in the same spatial domain were used as methodology. A set of distinct porosity meshes was created for a two-dimensional domain, where synthetic seismograms were plotted to be analyzed and compared with homogeneous media results. The second part of the research consisted of a study of the wind-building interaction in a region of Fortaleza’s waterfront. Due to population growth in large urban centers, the need for ever-increasing building becomes immediate. This phenomenon can also be seen in tourist regions, where a large number of people are required. This verticalization interferes with the wind flow and can affect the comfort and safety of pedestrians. Another consequence is the reduction of natural ventilation in neighborhoods further away from the sea shore. To better understand this phenomenon, a set of numerical simulations were performed using the OpenFOAM toolbox, where the RANS equations were solved with the turbulence formulated by the k- model. We considered the cases where the winds came from the NNE and SSE directions, with different intensities. The region studied corresponded to an area of 1,6×105 m2. With the results, it was possible to identify the points at which a greater acceleration of the flow, caused by the Venturi effect occurs, besides the mapping of recirculation zones. A vertical velocity profile was also plotted. For winds above 5m/s, a 23% reduction in intensity has been identified at locations 1km away from barriers created by buildings. Curves of energetic turbulent kinetics, turbulent dissipation, and the role of the energetic kinetics along the domain were also plotted.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/38321
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