Análise da turbulência em tanques de decantação para tratamento de água utilizando simulação numérica direta

Tanques de decantação retangulares fazem parte da etapa de clarificação em um tratamento de água convencional completo. Como são as instalações que tendem a ocupar mais espaço na planta das Estações de Tratamento de Água (ETAs), buscou-se simulá-las, com vistas a analisar as proporções geométricas destes tanques, além de observar a ação da turbulência sobre a sedimentação nos mesmos. As simulações foram feitas utilizando-se o código Incompact3d, escrito em Fortran-90, que utiliza o método Simulação Numérica Direta (DNS). O esquema espacial utilizado foi o de diferenças finitas compactas de sexta ordem, e o esquema temporal, de Adams-Bashfort de segunda ordem. Todas as variáveis foram adimensionalizadas, buscando a obtenção de resultados mais generalizáveis. Foi simulada uma curva granulométrica de partículas, discretizada em treze classes. Foram aplicadas duas leis de velocidade de sedimentação de partículas para esta mesma curva granulométrica, a Lei de Stokes e o modelo de Julien-Winterwerp. As velocidades longitudinais (horizontais) do tanque variaram de 0,5 a 1,0 cm/s, resultando em números de Reynolds de 9970 (104) e 19940 (2∙104). Nos tempos iniciais, próximo à fronteira esquerda do domínio, ocorre a instabilidade turbulenta de Rayleigh-Taylor. Quando o fluido com sedimentos toca o fundo do tanque, forma-se uma corrente de turbidez. Nessa corrente de turbidez, observam-se instabilidades de Kelvin-Helmholtz na camada de mistura cisalhante. Em tempos avançados, as correntes hiperpicnais, em alguns casos, tornam-se hipopicnais. Para números de Reynolds maiores, houve mais deposição em massa, porém a deposição foi mais difusa ao longo do tanque. As partículas de menor diâmetro têm mais facilidade para deixarem o tanque que as de maior diâmetro

Modelagem de suscetibilidade e de limiares de precipitação para deslizamentos de terra utilizando métodos de aprendizagem de máquina

O Brasil é o país na América Latina com maior número de deslizamentos fatais provocados por precipitação. Neste trabalho, modela-se a suscetibilidade e os limiares de precipitação antecedente espacializados para ocorrência de deslizamentos de terra, a partir do desenvolvimento e aplicação de modelos baseados em Redes Neurais Artificiais (RNA). A modelagem é feita no âmbito da unidade geomorfológica da Serra Geral, com base em seis eventos passados cujas cicatrizes foram mapeadas com base em imagens de sensoriamento remoto. Os atributos do terreno utilizados como variáveis de entrada dos modelos foram obtidos a partir de um Modelo Digital de Elevação (MDE). O uso dos atributos reprojetados sobre os oito primeiros Componentes Principais acelerou o treinamento das RNAs, mas diminuiu a performance dos modelos. A pesquisa de métodos para a escolha dos locais para a extração das amostras de não-ocorrência proporcionou orientação importante para a composição da amostragem de treinamento dos modelos. O mapeamento da suscetibilidade também foi executado utilizando outros dois métodos de Aprendizagem de Máquina, Sistemas de Inferência Difusos (Fuzzy) (FIS) e Florestas Aleatórias, com bons resultados. Por fim, foram modelados conjuntamente a suscetibilidade a deslizamentos e os limiares de precipitação para a região de estudo, utilizando RNAs de múltiplas saídas treinadas com validação cruzada espacial, com resultados satisfatórios (AUC = 0,90, MEA = 32,77 mm, representando 25,99%). A transferibilidade do modelo de suscetibilidade foi analisada em uma bacia na mesma formação cujos dados não foram utilizados na modelagem, apresentando um AUC de 0,96.Brazil is the Latin American country that concentrates the highest number of deadly rainfall-induced landslides. In this Thesis, landslide susceptibility and spatialized precipitation thresholds for landslide occurrence are modeled based on the development and application of Artificial Neural Networks (ANN). The area of study is the Serra Geral geomorphological unit. The modeling is based on six past events from which scars were mapped based on remote sensing imagery. The terrain attributes used as input variables for the models were obtained from a Digital Elevation Model (DEM). The use of the first eight attributes that were reprojected on Principal Components accelerated the training of the ANNs but decreased the performance of the models. Methods for non-landslide sample selection were investigated, and the results obtained were an important base for composing the training samples in the remaining of this Thesis. Landslide susceptibility was modeled through two other Machine Learning methods, namely Fuzzy Inference Systems (FIS) and Random Forests, attaining good performance. Finally, we modeled the landslide susceptibility and precipitation thresholds concurrently for the entire study region using multiple-output ANNs trained with spatial cross-validation, with satisfactory results (AUC = 0.90, MEA = 32.77 mm, representing 25.99%). The transferability of the susceptibility model was analyzed in a basin within the same geological formation, from which data was not previously acquired for the models, attaining an AUC of 0.96

Estudo numérico da sedimentação em correntes de turbidez com evolução do relevo de fundo

Correntes de densidade são fluxos gravitacionais gerados pela diferença de densidade entre dois fluidos. Correntes de turbidez fazem parte de uma sub-classificação das correntes de densidade, na qual o fluido mais denso tem, na sua composição, partículas em suspensão. Muitos trabalhos numéricos já estudaram a dinâmica das correntes de turbidez, mas, nenhum dos encontrados aplicou mudanças de relevo concomitantes com a simulação, causadas pela sedimentação das próprias partículas da corrente e nem alterou o relevo após a passagem de cada evento em um domínio tridimensional. O presente trabalho pretende analisar a alteração no relevo de fundo causada por uma corrente de turbidez. No código Incompact3d, as equações de Navier-Stokes, Continuidade e Transporte e Difusão são resolvidas em uma malha cartesiana tridimensional. A condição inicial adotada é a de Lock-Exchange. As simulações realizadas utilizaram Simulação Numérica Direta (DNS). O código utiliza um esquema compacto centrado de sexta ordem, em diferenças finitas, para o esquema espacial, e Adams-Bashfort de terceira ordem para o esquema temporal. A validação do código foi realizada comparando-se com trabalhos experimental e numéricos. A análise das diferentes proporções granulométricas mostrou que quanto maior é a quantidade de material grosso na condição inicial, maior será seu depósito para um dado tempo. Em consequência, mais relevante se torna a consideração da alteração do relevo de fundo. Além disso, quanto maior o fator de compactação do sedimento, maior será o erro de não considerar a atualização de fundo. Os resultados também apontaram que os erros médios ao não considerar a atualização do fundo são da ordem de 4% da massa de depósito em 20 tempos adimensionais, para os parâmetros utilizados. Ao se propagar uma corrente de turbidez sobre o depósito de outra, os erros se mostram menores.Gravity currents are gravitational fluxes triggered by density di erence between two fluids. A sub-classification of those are turbidity currents, in which the denser fluid is composed by the lighter fluid plus suspended particles. Many papers had shown turbidity currents dynamics, although none of the papers found had applied changes in the simulated topography due to deposit during the own simulation, neither they had altered a 3D domain topography after each flux, applying the changes caused by the previous current. The present dissertation aims to analyse the turbidity current dynamics alteration caused by the influence of its own deposit, altering the topography during the very simulation. The analysis is conducted in a polidispersed turbidity current. The Incompact3d code solves Navier-Stokes, continuity and transport-di usion equation, in a tridimensional cartesian mesh. Lock-exchange was chosen to be the initial condition. Direct Numerical Simulations (DNS) are performed. Sixth order compact finite-di erence schemes are used on the spatial domain, while third order Adams-Bashfort is applied for the temporal evaluation. Comparisons with numerical and experimental papers were performed for code verification. Results showed the coarser the particles on the starting lock-exchange, the higher its deposit is, and the more the terrain will be altered. omparisons with numerical and experimental papers were performed for code verification. Results showed the coarser the particles on the starting lock-exchange, the higher its deposit is, and the more the terrain will be altered. Nevertheless, the bigger the compacting factor, the bigger the error of not considering bathymetry alteration. Results also point that the average errors of not considering the update are in order of 4% on the mass deposit, after 20 dimensionless times, for the used parameters. When a current propagates over the deposit of a previous one, these errors are smaller

Análise da turbulência em tanques de decantação para tratamento de água utilizando simulação numérica direta

Tanques de decantação retangulares fazem parte da etapa de clarificação em um tratamento de água convencional completo. Como são as instalações que tendem a ocupar mais espaço na planta das Estações de Tratamento de Água (ETAs), buscou-se simulá-las, com vistas a analisar as proporções geométricas destes tanques, além de observar a ação da turbulência sobre a sedimentação nos mesmos. As simulações foram feitas utilizando-se o código Incompact3d, escrito em Fortran-90, que utiliza o método Simulação Numérica Direta (DNS). O esquema espacial utilizado foi o de diferenças finitas compactas de sexta ordem, e o esquema temporal, de Adams-Bashfort de segunda ordem. Todas as variáveis foram adimensionalizadas, buscando a obtenção de resultados mais generalizáveis. Foi simulada uma curva granulométrica de partículas, discretizada em treze classes. Foram aplicadas duas leis de velocidade de sedimentação de partículas para esta mesma curva granulométrica, a Lei de Stokes e o modelo de Julien-Winterwerp. As velocidades longitudinais (horizontais) do tanque variaram de 0,5 a 1,0 cm/s, resultando em números de Reynolds de 9970 (104) e 19940 (2∙104). Nos tempos iniciais, próximo à fronteira esquerda do domínio, ocorre a instabilidade turbulenta de Rayleigh-Taylor. Quando o fluido com sedimentos toca o fundo do tanque, forma-se uma corrente de turbidez. Nessa corrente de turbidez, observam-se instabilidades de Kelvin-Helmholtz na camada de mistura cisalhante. Em tempos avançados, as correntes hiperpicnais, em alguns casos, tornam-se hipopicnais. Para números de Reynolds maiores, houve mais deposição em massa, porém a deposição foi mais difusa ao longo do tanque. As partículas de menor diâmetro têm mais facilidade para deixarem o tanque que as de maior diâmetro