Simulação numérica do transporte de contaminantes em escoamentos bifásicos água-ar em meios porosos heterogêneos
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Data de Publicação: | 2008 |
Tipo de documento: | Tese |
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Título da fonte: | Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJ |
Texto Completo: | http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/13708 |
Resumo: | In this paper is presented a new numerical simulator for the water-air two-phase flow and contaminant transport in unsaturated zone. It was used a decomposition of operators and implemented numerical methods suitable to the solution of each of the problems arising in this decomposition. The mathematical model consists of a system of nonlinear partial differential equations in the unknowns pressure, saturation and concentration with which one can determine the position of the contaminant as a function of time. A three-tier operators decomposition makes possible to use different time steps for different levels of decomposition. In the first two levels are solved the problems of velocity, transport and diffusion, to the problem of water infiltration underground. The third level is solved the problem of the transport of the contaminant from the calculated velocities and saturations on the solution to the problem of infiltration. The hybrid mixed finite element method is employed in numerical resolution of the problem of velocity-pressure and diffusive transport to the problem of infiltration. In the solution of the problem of convective transport, water-air two-phase flow, is used a central scheme of finite differences, not oscillatory and conservative. For the solution to the problem of contaminant transport is proposed a new Lagrangian method locally conservative, who received the denomination of Forward Integral-Tube Tracking Method (FIT). This new method is used in the numerical resolution of the convective transport of contaminant. The formulation, implementation and test of FIT is the main original contribution of this work. On verification and validation of the new numerical simulator, the results are compared with those from other experiments, simulators and from problems solved analytically. In all cases were obtained good concordances between the results of the new simulator and from others. The simulator has proved to be efficient in solving two-dimensional problems in saturated and unsaturated heterogeneous porous media, featuring mass conservation, low diffusion numerical and computational efficiency. |
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It was used a decomposition of operators and implemented numerical methods suitable to the solution of each of the problems arising in this decomposition. The mathematical model consists of a system of nonlinear partial differential equations in the unknowns pressure, saturation and concentration with which one can determine the position of the contaminant as a function of time. A three-tier operators decomposition makes possible to use different time steps for different levels of decomposition. In the first two levels are solved the problems of velocity, transport and diffusion, to the problem of water infiltration underground. The third level is solved the problem of the transport of the contaminant from the calculated velocities and saturations on the solution to the problem of infiltration. The hybrid mixed finite element method is employed in numerical resolution of the problem of velocity-pressure and diffusive transport to the problem of infiltration. In the solution of the problem of convective transport, water-air two-phase flow, is used a central scheme of finite differences, not oscillatory and conservative. For the solution to the problem of contaminant transport is proposed a new Lagrangian method locally conservative, who received the denomination of Forward Integral-Tube Tracking Method (FIT). This new method is used in the numerical resolution of the convective transport of contaminant. The formulation, implementation and test of FIT is the main original contribution of this work. On verification and validation of the new numerical simulator, the results are compared with those from other experiments, simulators and from problems solved analytically. In all cases were obtained good concordances between the results of the new simulator and from others. The simulator has proved to be efficient in solving two-dimensional problems in saturated and unsaturated heterogeneous porous media, featuring mass conservation, low diffusion numerical and computational efficiency.Neste trabalho é apresentado um novo simulador numérico para a simulação de escoamentos bifásicos água-ar e o transporte de contaminantes na zona não saturada. Fez-se uso de uma decomposição de operadores e implementou-se métodos numéricos adequados à solução de cada um dos problemas originados desta decomposição. O modelo matemático consiste de um sistema de equações diferenciais parciais não-lineares nas incógnitas pressão, saturação e concentração com as quais se pode determinar a posição do contaminante como uma função do tempo. Uma decomposição de operadores a três níveis possibilita que sejam utilizados passos de tempo distintos para os diferentes níveis da decomposição. Nos dois primeiros níveis são resolvidos os problemas de velocidade-pressão, transporte e difusão, para o problema de infiltração da água no subsolo. No terceiro nível é resolvido o problema do transporte do contaminante, a partir das velocidades e saturações calculadas na solução do problema de infiltração. O método dos elementos finitos mistos híbrido é empregado na resolução numérica do problema de velocidade-pressão e do transporte difusivo para o problema de infiltração. Na solução do problema de transporte convectivo, do escoamento bifásico água-ar, é utilizado um esquema central de diferenças finitas, não oscilatório e conservativo. Para a solução do problema do transporte de contaminantes é proposto um novo método Lagrangeano localmente conservativo, que recebeu a demominação de Foward Integral-Tube Tracking Method (FIT). Esse novo método é utilizado na resolução numérica do transporte convectivo do contaminante. A formulação, implementação e teste do FIT constitui a principal contribuição original deste trabalho. Na verificação e validação do novo simulador numérico comparou-se os resultados obtidos com os resultados oriundos de experimentos, de outros simuladores e de problemas resolvidos analiticamente. Em todos os casos foram obtidas boas concordâncias entre os resultados do novo simulador e dos demais. O simulador mostrou-se eficiente na solução de problemas bidimensionais em meios porosos heterogêneos saturados e não saturados, apresentando conservação de massa, baixa difusão numérica e eficiência computacional.Submitted by Boris Flegr (boris@uerj.br) on 2021-01-07T14:38:38Z No. of bitstreams: 1 Tese_JoseAntonioOliveiraAquino.pdf: 3920825 bytes, checksum: e182e17c43ffec7348ea74af532491dc (MD5)Made available in DSpace on 2021-01-07T14:38:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Tese_JoseAntonioOliveiraAquino.pdf: 3920825 bytes, checksum: e182e17c43ffec7348ea74af532491dc (MD5) Previous issue date: 2008-07-31application/pdfporUniversidade do Estado do Rio de JaneiroPrograma de Pós-Graduação em Modelagem ComputacionalUERJBRCentro de Tecnologia e Ciências::Instituto PolitécnicoTwo-phase FlowsCentral schemes for conservation lawsLagrangian methodsFoward Integral-Tube Tracking Method (FIT)Escoamentos bifásicosEsquemas centrais para leis de conservaçãoLagrange, Funções deFoward Integral-Tube Tracking Method (FIT)Equações diferenciais parciais não-linearesMétodo dos elementos finitosEscoamento em meios porososCNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::MATEMATICA::MATEMATICA APLICADASimulação numérica do transporte de contaminantes em escoamentos bifásicos água-ar em meios porosos heterogêneosNumerical simulation of contaminants transport in water-air two-phase flows in heterogeneous porous mediainfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJinstname:Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ)instacron:UERJORIGINALTese_JoseAntonioOliveiraAquino.pdfapplication/pdf3920825http://www.bdtd.uerj.br/bitstream/1/13708/1/Tese_JoseAntonioOliveiraAquino.pdfe182e17c43ffec7348ea74af532491dcMD511/137082024-02-27 15:26:49.552oai:www.bdtd.uerj.br:1/13708Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttp://www.bdtd.uerj.br/PUBhttps://www.bdtd.uerj.br:8443/oai/requestbdtd.suporte@uerj.bropendoar:29032024-02-27T18:26:49Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJ - Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ)false |
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In this paper is presented a new numerical simulator for the water-air two-phase flow and contaminant transport in unsaturated zone. It was used a decomposition of operators and implemented numerical methods suitable to the solution of each of the problems arising in this decomposition. The mathematical model consists of a system of nonlinear partial differential equations in the unknowns pressure, saturation and concentration with which one can determine the position of the contaminant as a function of time. A three-tier operators decomposition makes possible to use different time steps for different levels of decomposition. In the first two levels are solved the problems of velocity, transport and diffusion, to the problem of water infiltration underground. The third level is solved the problem of the transport of the contaminant from the calculated velocities and saturations on the solution to the problem of infiltration. The hybrid mixed finite element method is employed in numerical resolution of the problem of velocity-pressure and diffusive transport to the problem of infiltration. In the solution of the problem of convective transport, water-air two-phase flow, is used a central scheme of finite differences, not oscillatory and conservative. For the solution to the problem of contaminant transport is proposed a new Lagrangian method locally conservative, who received the denomination of Forward Integral-Tube Tracking Method (FIT). This new method is used in the numerical resolution of the convective transport of contaminant. The formulation, implementation and test of FIT is the main original contribution of this work. On verification and validation of the new numerical simulator, the results are compared with those from other experiments, simulators and from problems solved analytically. In all cases were obtained good concordances between the results of the new simulator and from others. The simulator has proved to be efficient in solving two-dimensional problems in saturated and unsaturated heterogeneous porous media, featuring mass conservation, low diffusion numerical and computational efficiency. |
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