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Type: Dissertação
Title: Métodos de elementos finitos com adaptatividade de malha para escoamentos compressíveis e incompressíveis
Author: Lopes, Thiago de Almeida
First Advisor: Igreja, Iury Higor Aguiar da
Referee Member: Camata, José Jerônimo
Referee Member: Quinelato, Thiago de Oliveira
Resumo: A simulação numérica de escoamentos pelo Método dos Elementos Finitos enfrenta severos desafios decorrentes da não linearidade das equações governantes, da predominância convectiva e da formação de fortes gradientes locais, como estruturas vorticais, camadas limite e descontinuidades de choque, inerentes aos regimes incompressível, compressível e invíscido das equações de Navier–Stokes e Euler. Embora o Refinamento Adaptativo de Malha (AMR) seja essencial para concentrar a resolução espacial onde necessário, as abordagens convencionais dependem da calibração empírica de parâmetros pelo usuário e sofrem com o risco de crescimento descontrolado do número de elementos. Para superar tais limitações, este trabalho propõe o Auto AMR, uma metodologia autônoma de adaptatividade que integra um estimador de erro a posteriori a uma função de distribuição estatística e introduz uma função de penalização original baseada na razão entre células ativas e a capacidade máxima da malha, estabelecendo um critério autoajustável que equilibra a redução do erro numérico e o custo computacional sem intervenção manual. Esta metodologia é acoplada a uma formulação variacional estabilizada por técnicas como PSPG, SUPG e captura de choque Y Zβ, além de um esquema implícito BDF de segunda ordem para integração temporal. A abordagem é amplamente validada para os modelos de Navier–Stokes incompressível e compressível e para as equações de Euler por estudos de convergência e por uma gama de problemas clássicos, incluindo os escoamentos em cavidade quadrada, cilindro, degrau, camada de cisalhamento duplamente periódica, aerofólio NACA 0012, vórtice isentrópico 2D, choques oblíquo e refletido e aerofólio diamante em regime supersônico e de elevado número de Reynolds. Os resultados comprovam que o Auto AMR rastreia autonomamente estruturas físicas complexas em múltiplos regimes de escoamento, garantindo alta precisão com uma redução considerável na quantidade de elementos em relação a malhas fixas.
Abstract: Numerical simulation of flows using the Finite Element Method faces severe challenges arising from the non-linearity of the governing equations, the predominance of convection, and the formation of strong local gradients, such as vortical structures, boundary layers, and shock discontinuities, inherent to the incompressible, compressible, and inviscid regimes of the Navier-Stokes and Euler equations. Although Adaptive Mesh Refinement (AMR) is essential to focus spatial resolution where necessary, conventional approaches depend on empirical parameter calibration by the user and suffer from the risk of uncontrolled growth in the number of elements. To overcome these limitations, this work proposes Auto AMR, an autonomous adaptivity methodology that integrates a posteriori error estimator with a statistical distribution function and introduces an original penalty function based on the ratio between active cells and the maximum mesh capacity, establishing a self-adjusting criterion that balances the reduction of numerical error and computational cost without manual intervention. This methodology is coupled with a variational formulation stabilized by techniques such as PSPG, SUPG, and Y Zβ shock capture, in addition to an implicit second-order BDF scheme for temporal integration. The approach is widely validated for incompressible and compressible Navier-Stokes models and for Euler equations through convergence studies and a range of classical problems, including square cavity, cylinder, step, doubly periodic shear layer, NACA 0012 airfoil, 2D isentropic vortex, oblique and reflected shocks, and diamond airfoil flows in supersonic and high Reynolds number regimes. The results demonstrate that Auto AMR autonomously tracks complex physical structures in multiple flow regimes, ensuring high accuracy with a considerable reduction in the number of elements compared to fixed meshes.
Keywords: Adaptatividade de malha
Auto AMR
Equações de Navier-Stokes
Equações de Euler
Método dos elementos finitos
Escoamento compressível
Adaptive mesh refinement
Navier-Stokes equations
Euler equations
Finite element method
Compressible flow
Shock-capturing
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
Institution Initials: UFJF
Department: ICE – Instituto de Ciências Exatas
Program: Programa de Pós-graduação em Modelagem Computacional
Access Type: Acesso Aberto
Attribution-ShareAlike 3.0 Brazil
Creative Commons License: http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/br/
URI: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/21574
Issue Date: 29-Sep-2026
Appears in Collections:Mestrado em Ciência da Computação (Dissertações)



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