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UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA FACULDADE DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL E AMBIENTAL “RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS EM HIDROLOGIA SUBTERRÂNEA UTILIZANDO O MÉTODO DE DIFERENÇAS FINITAS PARA MALHAS ARBITRÁRIAS” GUSTAVO BARBOSA LIMA DA SILVA ORIENTADOR: SÉRGIO KOIDE DISSERTAÇÃO DE MESTRADO EM TECNOLOGIA AMBIENTAL E RECURSOS HÍDRICOS PUBLICAÇÃO: MTARH.DM – 031 A/2001 BRASÍLIA/DF: MARÇO/2001

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UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA

FACULDADE DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL E AMBIENTAL

“RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS EM HIDROLOGIA SUBTERRÂNEA

UTILIZANDO O MÉTODO DE DIFERENÇAS FINITAS PARA MALHAS

ARBITRÁRIAS”

GUSTAVO BARBOSA LIMA DA SILVA

ORIENTADOR: SÉRGIO KOIDE

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO EM TECNOLOGIA AMBIENTAL E RECURSOS

HÍDRICOS

PUBLICAÇÃO: MTARH.DM – 031 A/2001

BRASÍLIA/DF: MARÇO/2001

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UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA

FACULDADE DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL E AMBIENTAL

“RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS EM HIDROLOGIA SUBTERRÂNEA

UTILIZANDO O MÉTODO DE DIFERENÇAS FINITAS PARA MALHAS

ARBITRÁRIAS”

GUSTAVO BARBOSA LIMA DA SILVA

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO SUBMETIDA AO DEPARTAMENTO DE

ENGENHARIA CIVIL E AMBIENTAL DA FACULDADE DE TECNOLOGIA DA

UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA, COMO PARTE DOS REQUISITOS

NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE.

APROVADA POR:

____________________________________________________

Profº. SÉRGIO KOIDE, Ph.D (UnB)

(ORIENTADOR)

____________________________________________________

Profª. NÉSTOR ALDO CAMPANA, DSc (UnB)

(EXAMINADOR INTERNO)

________________________________________________

Profº. JAIME JOAQUIM DA SILVA PEREIRA CABRAL, Ph.D (UFPE)

(EXAMINADOR EXTERNO)

BRASÍLIA/DF, 29/03/2001

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FICHA CATALOGRÁFICA

LIMA, GUSTAVO BARBOSA DA SILVA

Resolução de Problemas em Hidrologia Subterrânea pelo Método de diferenças Finitas para

Malhas Arbitrárias [Distrito Federa] 2001.

xv, 105 p, 297 mm (ENC/FT/UnB, Mestre, Tecnologia Ambiental e Recursos Hídricos, 2001)

Dissertação de Mestrado – Universidade de Brasília. Faculdade de Tecnologia.

Departamento de Engenharia Civil e Ambiental.

1. Fluxo Subterrâneo 2. Modelagem Numérica

3. Diferenças Finitas 4. Malhas Arbitrárias

I. ENC/FT/UnB II. Título (série)

REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA LIMA, Gustavo Barbosa (2001). Resolução de Problemas em Hidrologia Subterrânea

Utilizando o Método de Diferenças Finitas para Malhas Arbitrárias . Dissertação de Mestrado,

Publicação MTARH.DM – 031 A/2001, Departamento de Engenharia Civil, Universidade de

Brasília, Brasília, DF, 105 p.

CESSÃO DE DIREITOS

NOME DO AUTOR: Gustavo Barbosa Lima da Silva

TÍTULO DA DISSERTAÇÃO DE MESTRADO: Resolução de Problemas em Hidrologia

Subterrânea Utilizando o Método de Diferenças Finitas para Malhas Arbitrárias

GRAU / ANO: Mestre / 2001

É concedida a Universidade de Brasília permissão para reproduzir cópias desta dissertação de

mestrado e para emprestar ou vender tais cópias somente para propósitos acadêmicos e

científicos. O autor reserva outros direitos de publicação e nenhuma parte desta dissertação de

mestrado pode ser reproduzida sem autorização por escrito do autor.

____________________________ Gustavo Barbosa Lima da Silva SQN 216, Bloco H, Apto 120. 70875-000 Brasília/DF Brasil

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DEDICATÓRIA

À Deus

À minha esposa Andrea

Ao meu sobrinho Társis

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AGRADECIMENTOS A Deus pela força e conforto durante os momentos mais difíceis deste trabalho. Ao professor Sérgio Koide pela orientação deste trabalho e pelo incentivo e dedicação durante todo o curso de mestrado. Agradeço também por ter me concedido um micro computador pessoal para que eu pudesse desenvolver mais tranquilamente o trabalho. A todos os professores do MTARH pelos conhecimentos transmitidos durante o mestrado. Ao professor Nabil, também pelo apoio constante dado nos momentos em que o meu computador “resolvia” não funcionar. Um agradecimento muito especial a minha esposa, Andrea, pelo incentivo, dedicação, amor e compreensão durante todo o curso de mestrado e, sobretudo, durante todo o tempo que estamos juntos. Aos meus pais que sempre me aconselharam e me incentivaram, mas me deixaram escolher o caminho profissional a seguir. A todos os colegas do MTARH pela convivência saudável e agradável durante todo o curso de mestrado, em especial a Edith pela amizade sincera desde o tempo da graduação em João Pessoa. Aos colegas do mestrado de Estruturas, por toda amizade que criamos durante esses dois anos. Em especial a Julianne, Valter, Glauceny e José Neres pelos momentos agradáveis que passamos juntos. Ao professor Pedro Christiano da UFPB, meu orientador de iniciação científica e um dos maiores incentivadores para que eu desse prosseguimento a vida acadêmica. Ao professor Athail Rangel Pulino Filho pela sugestão do tema deste trabalho.

A CAPES pelo auxílio financeiro que viabilizou minha vinda e permanência em Brasília.

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RESUMO

Grande parte dos modelos matemáticos de fluxo de água no solo utilizam o método de

diferenças finitas (MDF) em sua versão clássica para malhas regulares. Embora a técnica seja

de fácil formulação, a rigidez geométrica imposta à malha de discretização e a dificuldade no

tratamento das condições de contorno são fatores que contribuíram para a crescente

substituição do método de diferenças finitas pelo método dos elementos finitos (MEF) na

abordagem dos modelos de fluxo. Entretanto, o MEF apresenta uma formulação sofisticada

que exige base matemática mais elaborada.

Para contornar essas dificuldades alguns trabalhos propõem o uso de malhas arbitrárias no

contexto de diferenças finitas. O método de diferenças finitas para malhas arbitrárias

(MDFMA) além de flexibilizar a discretização do domínio tanto quanto o MEF, uma vez que

os pontos nodais podem ser localizados, a princípio, aleatoriamente, conserva a forma direta

do MDF na discretização dos operadores e facilita o tratamento das condições de contorno.

Neste trabalho, são apresentados dois esquemas (moléculas) para a geração de operadores

discretos utilizando malhas arbitrárias no contexto de diferenças finitas: moléculas com seis

pontos e moléculas com mais de seis pontos. As aproximações são obtidas via o

desenvolvimento da série de Taylor da função solução do problema sobre as moléculas.

Foram desenvolvidos modelos de fluxo de água no solo utilizando o Método de Diferenças

Finitas para Malhas Arbitrárias (MDFMA) na linguagem Fortran 90/95 e aplicados a cinco

exemplos, sendo dois de fluxo de água em solo saturado e três para a simulação do fluxo em

meio não saturado. Vários tipos de malhas incluindo malhas regulares, malhas irregulares e

malhas de elementos finitos triangulares, foram utilizadas e moléculas com diferentes

números de pontos foram testadas. Os resultados apontam as melhores configurações, de

malha e molécula, obtidas e discutem-se as falhas ocorridas na utilização da técnica.

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ABSTRACT

Most of the mathematical models of water flow in soil use the finite difference method (FDM)

in it’s traditional form with regular meshes. Although this technique can be easily equated, the

geometric stiffness imposed by the of discretization grid and the difficulties in dealing with

the boundary conditions are factors that have contributed to a gradual replacement of the

finite difference method by the finite element method (FEM). However, the FEM present a

more complex formulation that demands for a more elaborated mathematical basis.

To overcome these difficulties some studies use arbitrary meshes in finite difference. The

finite difference method with arbitrary meshes in a addition to allowing discretization as

flexible as the FEM, because the nodal points can be localized randomly, it maintains the

direct form of the FDM in the discretization of the operators and it allows easy handling the of

boundary conditions.

In this study, two schemes to generate the discrete operators using arbitrary meshes in the

context of finite difference: a star with six points and stars with more than six points. The

approximation are obtained by the development of Taylor series for the solution function

problem on the stars.

Soil water flow models were developed using the finite difference method with arbitrary

meshes in Fortran 90/95 language and applied to five examples, two for water flow in

saturated soils and three to simulate flow in unsaturated soil. Many mesh distribuitions,

including regular meshes, irregular meshes and triangular finite element meshes, are used and

stars with different number of points are tested. The results show the best configurations of

meshes and stars obtained and the problems in using the technique are discussed.

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ÍNDICE

1- INTRODUÇÃO 1

1.1- OBJETIVOS 2

1.2- ESTRUTURA DO TRABALHO 3

2- FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA E REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 4

2.1- A DISTRIBUIÇÃO INTERNA DE ÁGUA NO SOLO 4

2.2- POTENCIAL DA ÁGUA NO SOLO E CURVA DE RETANÇÃO 5

2.3- PRINCIPAIS PROPRIEDADES DO SOLO RELACIONADAS À ÁGUA 9

2.3.1- Porosidade 9

2.3.2- Umidade 10

2.3.3- Condutividade Hidráulica 10

2.4- EQUAÇÕES DO MOVIMENTO DA ÁGUA NO SOLO 11

2.4.1- Equação de Darcy 11

2.4.2- Equações do fluxo em solo saturado 12

2.4.3 Equações do fluxo na zona não saturada 15

2.5- REVISÃO DE LITERATURA SOBRE A MODELAGEM MATEMÁTICA DO

FLUXO EM SOLO NÃO SATURADO 18

2.5.1- Tipos de equações utilizadas 18

2.5.2- Cálculo das propriedades do solo 21

2.5.3- Integração no tempo 23

2.5.4- Incremento de tempo 25

3- MÉTODO DE DIFERENÇAS FINITAS PARA MALHAS ARBITRÁRIAS 27

3.1- INTRODUÇÃO 27

3.2- GERAÇÃO DE OPERADORES DISCRETOS DE ATÉ SEGUNDA ORDEM 29

3.3- ESTUDO DA MOLÉCULA IRREGULAR DE SEIS PONTOS 32

3.3.1- Geração das aproximações 32

3.3.2- Molécula de seis pontos em malha regular 35

3.3.3- Condições de Contorno 37

3.3.4- Seleção da molécula de seis pontos 39

3.4- MOLÉCULA IRREGULAR COM MAIS DE SEIS PONTOS 42

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3.4.1- Geração das aproximações 42

3.4.2- Moléculas no contorno 45

3.5- APLICAÇÕES DE DIFERENÇAS FINITAS EM MALHAS ARBITRÁRIAS 46

4- DESENVOLVIMENTO DO MÉTODO DE DIFERENÇAS FINITAS PARA

MALHAS ARBITRÁRIAS PARA PROBLEMAS DE FLUXO DE ÁGUA

NO SOLO 48

4.1- FLUXO EM SOLO SATURADO 48

4.2- FLUXO EM SOLO NÃO SATURADO 52

4.3- PROGRAMAS COMPUTACIONAIS DESENVOLVIDOS UTILIZANDO

O MDFMA 58

4.3.1- Programas para a simulação do fluxo em meio saturado 58

4.3.2- Programas para a simulação do fluxo em meio não saturado 61

4.4- OUTRAS FORMULAÇÕES UTILIZADAS 65

5- APLICAÇÕES E ANÁLISE DOS RESULTADOS 67

5.1- CASOS – TESTE 67

5.1.1- Problemas de fluxo em solo saturado 67

5.1.1.1- Bombeamento em aquífero 67

5.1.1.2- Bombeamento e recarga simulatâneos em um aquífero 68

5.1.2- Problemas de fluxo em solo parcialmente saturado 69

5.1.2.1- Experimento de Elmaloglou (1980) 69

5.1.2.2- Caso Teórico de Rathfelder e Abriola (1994) 71

5.1.2.3- Experimento de Vauclin et al. (1979) 72

5.2- RESULTADOS E ANÁLISES 75

5.2.1- Problemas de fluxo em solo saturado 75

5.2.1.1- Bombeamento em aquífero 75

5.2.1.2- Bombeamento e recarga simulatâneos em um aquífero 83

5.2.2- Problemas de fluxo em solo não saturado 86

5.2.2.1- Experimento de Elmaloglou (1980) 87

5.2.2.2- Caso Teórico de Rathfelder e Abriola (1994) 92

5.2.2.3- Experimento de Vauclin et al. (1979) 96

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6- CONCLUSÕES 100

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 103

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ÍNDICE DE FIGURA

Figura 2.1- Curvas de retenção é o fenômeno de histerese (modificado – Hillel, 1998)............8

Figura 2.2- Balanço de massa em um volume elementar de lados ∆x, ∆y e ∆z.......................13

Figura 3.1- Aquífero discretizado em diferenças finitas (a) e em elementos finitos (b).

Os pontos vazios são fontes de bombeamento ou recarga de água

(modificado Wang e Anderson, 1983)...................................................................28

Figura 3.2 - Molécula de seis pontos com os desenvolvimentos da série de Taylor

da função f (x,y).....................................................................................................33

Figura 3.3 - Molécula de seis pontos e fatores de ponderação associados ao nós....................34

Figura 3.4 - Molécula de seis pontos montada em malha regular quadrada.............................35

Figura 3.5 - Fatores de ponderação associados aos pontos de uma molécula

regular de seis pontos para o operador ∂f/∂x.......................................................36

Figura 3.6- Moléculas em pontos internos do domínio com matriz [D] singular....................40

Figura 3.7- Moléculas em pontos do contorno com matriz [D] singular..................................40

Figura 4.1- Estrutura do programa para simulação fluxo em meio saturado pelo MDFMA...60

Figura 4.2- Estrutura do programa desenvolvido para a simulação do fluxo em

meio não saturado utilizando o MDFMA............................................................63

Figura 5.1- Descrição física do problema com suas condições de contorno............................68

Figura 5.2- Descrição física do problema de aquífero submetido

a recarga e bombeamento.......................................................................................69

Figura 5.3- Perfil de umidade obtido experimentalmente por Elmaloglou (1980)...................70

Figura 5.4- Solução de Philip (1969) para o caso teórico de Rathfelder e Abriola (1994).......72

Figura 5.5- Diagrama esquemático do experimento (modificado – Vauclin et al., 1979)........73

Figura 5.6- Detalhe do experimento (modificado – Vauclin et al., 1979)................................73

Figura 5.7- Posição do nível freático em diferentes tempos

(modificado–Vauclin et al., 1979).........................................................................74

Figura 5.8- Discretização do domínio em malha regular quadrada de 250m x 250m..............76

Figura 5.9- Resultado obtido na utilização de moléculas de seis pontos

em malha regular.................................................................................................76

Figura 5.10- Resultado obtido na utilização de moléculas de nove pontos

em malha regular.................................................................................................77

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Figura5.11- Discretização do domínio em malha irregular adensada

próximo ao bombeamento.....................................................................................78

Figura 5.12 - Resultado obtido na utilização de moléculas de nove pontos em

malha irregular.....................................................................................................78

Figura 5.13- Discretização do domínio em malha de elementos finitos triangulares...............79

Figura 5.14- Resultados para molécula de seis pontos em malha de elementos finitos...........80

Figura 5.15- Resultados para molécula de sete pontos em malha de elementos finitos...........80

Figura 5.16- Resultados para molécula de seis pontos em malha de

elementos finitos triangulares..............................................................................81

Figura 5.17- Utilização de moléculas com estrutura variável em malha

de elementos finitos.............................................................................................82

Figura 5.18- Discretização do domínio em malha regular quadrada e tipos de moléculas ......84

Figura 5.19- Utilização de moléculas de seis pontos em malha regular quadrada...................84

Figura 5.20 - Utilização de moléculas de seis pontos em malha regular quadrada..................85

Figura 5.21- Malha de elementos finitos triangulares com os tipos de

moléculas utilizados.............................................................................................85

Figura 5.22- Simulação utilizando moléculas variáveis em malha de elementos finitos.........86

Figura 5.23- Malha regular simétrica totalizando 105 nós (a) e malha

de elementos finitos triangulares com 314 nós (b) .............................................88

Figura5.24- Resultados numéricos obtidos para o experimento do

Elmaloglou (1980), utilizando MDFMA com moléculas

de 6 pontos em malha regular, MEF e MDF.....................................................89

Figura 5.25- Simulação utilizando a malha de elementos finitos com moléculas

variáveis e comparação com a simulação em malha regular para

moléculas de seis pontos......................................................................................92

Figura 5.26- Malha retangular regular com 93 nós (a) e malha de

elementos finitos triangulares com 243 nós (b)...................................................93

Figura 5.27- Resultados das simulações no caso teórico de Rathfelder e Abriola (1994)........95

Figura5.28- Resultado obtido pelo MDFMA utilizando a malha de elementos

finitos triangulares...............................................................................................96

Figura 5.29- Malha utilizada nas simulações do experimento de

Vauclin et al. (1979), medidas em cm.................................................................97

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Figura 5.30- Comparação dos resultados obtidos para o MDFMA com moléculas

de seis pontos e o MEF........................................................................................97

Figura 5.31- Comparação dos resultados obtidos para o MDFMA com moléculas

de nove pontos e o MEF......................................................................................98

Figura 5.32- Comparação entre os resultados obtidos para moléculas de seis

e nove pontos no experimento de Vauclin et al. (1979)......................................99

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LISTA DE SÍMBOLOS

A área da seção transversal [L2]

[A] matriz inversa de [D]

b espessura do aquífero [L]

C(ψ) coeficiente de capacidade [L-1]

[D] matriz de diferenças

h carga hidráulica [L]

∆h variação da carga hidráulica [L]

{∆h} vetor de diferenças da variável h [L]

{h} vetor da carga hidráulica nos pontos da molécula [L]

{h0} vetor da carga hidráulica no ponto central da

molécula [L]

K condutividade hidráulica [LT1]

K(ψ) condutividade hidráulica em função de ψ [LT1]

Ksat condutividade para o solo saturado [LT-1]

Kx,y,z condutividade hidráulica nas direções x, y e z [LT-1]

L distância percorrida pelo fluxo [L]

Q fluxo volumétrico [L3T-1]

q velocidade de Darcy [LT-1]

qx,y,z velocidades de Darcy nas direções x, y e z [LT-1]

R recarga ou retirada [LT-1]

Se saturação [adimensional]

S armazenamento [adimensional]

Ss armazenamento específico [L-1]

Va volume de ar [L3]

Vg volume de grãos [L3]

Vw volume de água [L3]

z elevação em relação a um nível de referência [L]

∆va volume de água armazenado [L3]

∆vol volume elementar representativo de solo [L3]

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φ potencial total de água no solo [JM-1] ou [L]

φo potencial osmótico [JM-1] ou [L]

φp potencial de pressão [JM-1] ou [L]

φe potencial eletroquímico [JM-1] ou [L]

φg potencial gravitacional [JM-1] ou [L]

µ viscosidade dinâmica do fluido [ML-1T-1]

ρ massa específica do fluido [ML-3]

η porosidade [adimensional]

θ umidade volumétrica [adimensional]

θr umidade residual [adimensional]

θs umidade de saturação [adimensional]

ψ carga de sucção [L]

{∆ψ} vetor de diferenças da variável ψ [L]

{ψ} vetor da carga de sucção nos pontos da molécula [L]

{ψ0} vetor da carga de sucção no ponto central da

molécula [L]

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1

1. INTRODUÇÃO

O desenvolvimento da tecnologia dos computadores digitais observado nas últimas décadas,

aliado ao surgimento de técnicas numéricas cada vez mais sofisticadas, capazes de gerar

algoritmos bastante robustos, ampliando o universo restrito às soluções analíticas,

contribuíram para o avanço de estudos nas diversas áreas da engenharia. Na hidrologia

subterrânea, em particular, a utilização de modelos numéricos tem se constituído em

importante via para o entendimento dos processos de movimentação de água no subsolo.

O estudo do fluxo de água no solo mostra-se como parte integrante de processos associados a

diversas áreas na engenharia, a saber (Campos, 1998):

- na agricultura, para irrigação, drenagem, melhoria do solo e suprimento regional de água

para as plantas;

- no estudo de barragens de terra, onde a resistência do solo é função da umidade;

- no estudo de perdas por percolação em canais;

- no estudo de recarga de aquíferos;

- no estudo de propagação de contaminantes no solo.

Segundo Wood (1993), as técnicas numéricas que estão em uso corrente na solução dos

problemas de recursos hídricos são: método de diferenças finitas, método dos elementos

finitos, método de diferenças finitas integradas, método das características, métodos de

integral de contorno, volume finito e modelos de células.

Diante da disponibilidade de grande quantidade de técnicas numéricas e da adaptabilidade aos

diferentes tipos de problemas, não é possível afirmar a superioridade de alguns métodos em

detrimento de outros. O fato é que diferentes técnicas trabalham bem em diferentes situações

e alguns problemas requerem a combinação de vários métodos.

Na modelagem do fluxo de água no subsolo, entretanto, é inegável a importância do método

de diferenças finitas e do método dos elementos finitos, até mesmo pela frequência com que

vêm sendo utilizados na abordagem de tal problema. Os trabalhos de Freeze (1971),

utilizando o método de diferenças finitas (MDF), e de Neuman (1973), utilizando o método de

elementos finitos (MEF), podem ser considerados como referências. A partir desses, vários

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outros modelos de fluxo foram propostos utilizando as mesmas técnicas numéricas (ver

referências em Célia et al.,1990, Koide, 1990) para a modelagem do fluxo de água no solo.

Embora o método de diferenças finitas tenha eficiência comprovada na resolução de vários

problemas em hidrologia subterrânea, a técnica dos elementos finitos vem substituindo

gradativamente o uso de diferenças finitas. Isso deve-se, principalmente, à flexibilidade na

discretização de domínios irregulares, além da facilidade no tratamento das condições de

contorno. Entretanto, o método dos elementos finitos exige uma formulação com base

matemática mais elaborada que a técnica de diferenças finitas.

Nas últimas décadas, alguns trabalhos associados à mecânica estrutural (Perrone e Kao, 1975,

Snell et al. 1981 e Pulino Filho, 1989) propõem uma abordagem utilizando malhas irregulares

arbitrárias no contexto de diferenças finitas. Além de flexibilizar a malha de dicretização, o

método conserva a simplicidade da técnica de diferenças finitas convencional (MDF) na

obtenção dos operadores discretos.

Em princípio, a utilização de malhas irregulares em diferenças finitas pode ser vista como

uma forma de ganho de versatilidade e eficiência frente ao MDF convencional. Entretanto a

técnica de diferenças finitas para malhas arbitrárias (MDFMA) tem se mostrado restrita à área

da mecânica estrutural.

1.1 OBJETIVOS

Este trabalho tem como objetivo principal aplicar o método de diferenças finitas para malhas

arbitrárias (MDFMA) na resolução de problemas de fluxo de água, tanto na zona saturada do

solo como na zona não saturada do solo e comparar os resultados obtidos com outras soluções

obtidas, seja por outro método numérico, como o método de diferenças finitas convencional

e/ou o método dos elementos finitos, seja por método analítico ou resultados obtidos

experimentalmente.

Como objetivos específicos pretende-se:

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3

• adaptar o método de diferenças finitas para malhas arbitrárias (MDFMA) à malhas

geradas automaticamente, como a malha de elementos finitos triangulares, visto que, a

ausência de um gerador automático da malha, para esse método, pode ser um fator

limitante na sua utilização;

• avaliar diferentes tipos de malha e tipos de estruturas de moléculas irregulares na solução

dos problemas abordados.

1.2 ESTRUTURA DO TRABALHO

O trabalho está dividido em capítulos que podem ser sintetizados da seguinte forma:

- No capítulo 2, apresenta-se uma fundamentação teórica sobre o sistema solo-água, as

equações de fluxo e modelagem matemática, procurando-se dar os subsídios necessários para

a abordagem dos problemas de fluxo. Apresenta-se, também, uma revisão bibliográfica sobre

a modelagem matemática do fluxo em solo não saturado.

- No capítulo 3 é apresentado o Método de Diferenças Finitas para Malhas Arbitrárias

(MDFMA). Discute-se os processos de geração dos operadores discretos para dois tipos de

esquemas, moléculas de seis pontos e moléculas com mais de seis pontos. Um breve histórico

sobre a utilização de malhas arbitrárias em diferenças finitas também é apresentado.

- No capítulo 4 desenvolve-se o MDFMA para a formulação das equações de fluxo. Discute-

se as estruturas básicas utilizadas na elaboração dos programas computacionais utilizados nas

simulações.

- No capítulo 5 apresenta-se os exemplos de aplicação incluindo problemas de fluxo na zona

saturada e não saturada do solo. Em seguida os resultados são apresentados acompanhados de

análises e discussões; no capítulo 6 algumas conclusões são apresentadas com base nos

resultados apresentados no capítulo 5.

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2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA E REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

A interação entre a água e o solo influencia em vários fenômenos naturais, inclusive em parte

do ciclo hidrológico compreendida pelo escoamento subterrâneo. Nos estudos de hidrologia

subterrânea é necessário o conhecimento de conceitos associados ao sistema solo-água,

sobretudo quando se deseja desenvolver algum tipo de modelo matemático que englobe tal

sistema. Este capítulo consiste de uma revisão de alguns conceitos fundamentais para o

entendimento do fenômeno de fluxo de água no subsolo do ponto de vista qualitativo e

também quantitativo, por meio do uso de equações matemáticas.

2.1 A DISTRIBUIÇÃO INTERNA DE ÁGUA NO SOLO

O solo é um material poroso, bastante complexo, resultante do intemperismo sobre rochas.

Sendo assim, é comum encontrar diversos componentes em um mesmo solo, atribuindo-lhe a

característica de material heterogêneo.

De modo geral, o solo é composto por partículas sólidas e por espaços vazios. A porção

ocupada pelo material sólido é, normalmente, conhecida por matriz sólida. A parte restante é

chamada de espaço intersticial. Esse espaço é ocupado por água e por ar. De maneira mais

formal, o solo é, comumente, apresentado como um sistema formado por três fases:

• fase sólida - que compreende a matriz sólida, consistindo de partículas que variam em

composição química assim como em tamanho e forma. A estrutura da matriz sólida determina

as características dos espaços intersticiais onde a água e o ar são armazenados;

• fase líquida - que compreende a água e os materiais dissolvidos que se encontram nos

interstícios entre as partículas;

• fase gasosa - constituída pelo ar, vapor de água e outros gases que, eventualmente, podem

estar presentes.

As proporções relativas dessas três fases no solo não são fixas e podem variar continuamente.

Entretanto, a fase sólida sempre existirá numa porção de solo, ao passo que as demais fases

podem inexistir em algumas situações. Analisando um perfil vertical da subsuperfície,

verificam-se diferentes concentrações de água, de modo que é possível dividir a região em

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zonas. Essencialmente, tem-se a zona de saturação, onde a água presente ocupa todos os

vazios da matriz sólida e a fase gasosa inexiste, e a zona de aeração ou zona não saturada,

onde os interstícios contêm ar e água (Bear e Verruijt, 1987).

Nos aquíferos não confinados, a chamada zona saturada é limitada superiormente pela

superfície freática. Essa zona acumula a água infiltrada proveniente, em geral, da precipitação

e irrigação, dando origem às fontes, poços e correntes do fluxo subterrâneo.

A zona não saturada estende-se desde a superfície do terreno até a linha de saturação

(superfície freática) e é, geralmente, dividida em três subzonas: zona das raízes, localizada

subjacente à superfície do terreno e estendendo-se pela região de raízes das plantas; a zona

intermediária ou zona de água vadosa considerada desde o limite inferior da zona das raízes

até o limite superior da franja capilar e a zona ou franja capilar que compreende a faixa entre

a superfície freática até o limite da ascensão capilar da água. (Bear e Verruijt,1987).

Um fator de distinção entre as duas zonas mencionadas (saturada e não saturada) está

relacionado à pressão da água no interior dos poros. Na zona saturada, a água se encontra a

uma pressão superior ou igual à atmosférica. Na zona não saturada a pressão da água é

inferior à atmosférica, estando incluída, nessa zona, a região capilar onde os poros podem

ainda estar cheios de água, porém existem regiões com pressão negativa.

2.2 POTENCIAL DA ÁGUA NO SOLO E CURVA DE RETENÇÃO

A água no solo pode conter energia em quantidade e forma variáveis. A física clássica

reconhece dois tipos principais de energia: as energias cinética e potencial. Devido à baixa

velocidade com que a água se move no interior do solo, a energia cinética é, geralmente,

desprezada e o estado de energia da água no solo é descrito, preponderantemente, pela

energia potencial, sendo, por isso, conhecido por potencial de água no solo (Hillel, 1998).

Conceitualmente, esse potencial expressa a energia potencial da água no solo relativo à

energia da água em um estado de referência padrão. O estado padrão é, geralmente, assumido

como um reservatório hipotético de água pura, à pressão atmosférica, na mesma temperatura

da água no solo e numa elevação constante (Stephens, 1996).

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O potencial da água no solo é composto por diversas formas de energia que, juntas,

quantificam o potencial total. Segundo Fetter (1993), o potencial total da água no solo

representa a soma do potencial gravitacional, potencial de pressão, potencial osmótico e

potencial eletroquímico:

φ = φg + φp + φo + φe (2.1)

em que: φ : potencial total de água no solo

φg : potencial gravitacional

φp : potencial de pressão

φo : potencial osmótico

φe : potencial eletroquímico

Esses potenciais são expressos, geralmente, em unidade de energia por unidade de peso.

Entretanto, é comum usar dimensões de comprimento [L], sendo que os potenciais são, dessa

forma, conhecidos como cargas. Além dos potenciais apresentados em (2.1) é possível,

também, a ocorrência de potenciais devidos a diferentes níveis de concentração de solutos no

solo ou devido a presença de gradiente térmico.

Conforme a preponderância das formas de energia, é possível classificar o estado energético

da água. Entretanto, os potenciais osmótico e eletroquímico são significativos apenas em

situações bastante particulares, de modo que sua influência sobre o fluxo da água no solo é,

comumente, desprezada. Assim, o potencial total da água no solo é reduzido à soma dos

potenciais de pressão e gravitacional:

φ = φp + φg (2.2)

Em termos de carga, o potencial total é usualmente escrito como:

φ = ψ + z (2.3)

em que: ψ = carga de pressão [ L ]

z = elevação em relação a um nível de referência [ L ]

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Nos solos saturados, o potencial de pressão deve-se ao efeito das forças hidrostáticas

representando, assim, o potencial piezométrico com valor positivo para a carga de pressão.

Em condições não saturadas, o potencial de pressão está relacionado à ação das forças

capilares, existentes no sistema solo-água, e às forças de adsorção, resultantes da interação

entre as moléculas de água e o solo. Nesse caso, tem-se o que se conhece por potencial

matricial, com valores negativos para a carga de sucção.

O potencial gravitacional se estabelece devido à força gravitacional terrestre. É uma medida

da energia gravitacional por unidade de peso do solo e depende apenas da posição da água em

relação ao nível de referência padrão adotado, independendo das condições químicas ou de

pressão da água no solo.

O potencial total é fundamental para o movimento da água no solo. Assim, como a tendência

espontânea de toda a matéria na natureza, a água no solo move-se de pontos com potenciais

mais altos para pontos com potenciais mais baixos, não importando a quantidade de energia

disponível, mas, sim, a diferença entre os potenciais nos pontos. Mais especificamente,

o indutor do movimento da água no solo é o gradiente do potencial (∂φ/∂z ).

Existe uma importante relação entre a carga de pressão no solo (potencial da água no solo) e a

umidade presente que é representada pela curva de retenção de água no solo ou curva

característica. Essa curva descreve a energia relativa a um volume de água armazenado em

um material poroso sobre condições de saturação variáveis (Stephens, 1996).

A curva de retenção de água no solo pode ser construída por dois caminhos: obtendo-se dados

de uma amostra de solo inicialmente saturada e submetida, gradualmente, a valores de sucção

crescentes ou molhando-se uma amostra inicialmente seca e medindo-se os valores de sucção

correspondentes. No primeiro caso, a curva obtida é conhecida por curva de secamento e na

outra situação tem-se a curva de umedecimento.

O que se observa é que, para um mesmo solo, o levantamento dos valores do potencial

matricial em função da água presente no solo pelos processos de secamento e umedecimento,

resulta em duas curvas de retenção diferentes. Para uma mesma carga de sucção, o valor de

umidade obtido da curva de secamento é maior que o obtido por molhamento. Sendo assim,

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Nesse sentido, é possível associar a forma da curva de retenção com a textura do solo. Para

solos com distribuição dos poros mais uniforme, como as argilas, a maior parte da água está

adsorvida, de tal forma que o aumento da sucção matricial causa uma diminuição gradual da

umidade, resultando numa curva característica com declividade mais suave. Por outro lado,

em solos estritamente arenosos a retenção da água se dá, praticamente, por capilaridade.

Nesse caso, os poros são esvaziados mais rapidamente com a variação da carga de sucção e a

curva de retenção apresenta forte inclinação após atingida a carga de entrada de ar no solo

denominada de carga de borbulhamento.

Por conveniência matemática, algumas vezes é preferível quantificar a retenção de água por

um outro parâmetro que não a carga de pressão, a capacidade específica. Essa grandeza, C(ψ),

é simplesmente a declividade da curva de retenção (C(ψ)=∂θ/∂ψ) sendo definida como o

volume de água liberado ou armazenado por volume da zona vadosa por unidade da mudança

na carga de pressão (Stephens, 1996). Nas simulações do fluxo de água é fundamental o

conhecimento da curva de retenção para se poder estimar valores de umidade, condutividade

hidráulica ou coeficiente de capacidade do solo a partir da carga de pressão.

2.3 PRINCIPAIS PROPRIEDADES DO SOLO RELACIONADAS À ÁGUA

O estudo do movimento da água no subsolo requer, geralmente, o conhecimento de algumas

características físicas do solo. Tais características dependem, principalmente, da textura do

solo, isto é, do tamanho das partículas constituintes, e da proporção relativa com que ocorrem

no solo e interferem, normalmente, no processos do fluxo subterrâneo.

2.3.1 Porosidade

O solo, por ser um material poroso, contém vazios interconectados uns aos outros. A

porosidade representa a fração de vazios interconectados, contidos em um volume

representativo de solo e é dada pela relação entre o volume de vazios e o volume total da

matriz sólida:

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wag

wa

VVVVV++

+=η (2.4)

em que:

Va : volume de ar [ L3 ]

Vw : volume de água [ L3 ]

Vg : volume de grãos [ L3 ]

Solos mais grossos tendem a apresentar menos poros do que os solos finos. Entretanto,

possuem poros maiores, facilitando o fluxo da água.

2.3.2 Umidade

A umidade do solo pode ser expressa em termos de massa ou volume. A umidade volumétrica

(θ), mais utilizada na hidrologia, é expressa como a relação entre o volume de água presente

em fase líquida e o volume total de solo:

wag

w

VVVV

++=θ (2.5)

Outra medida da quantidade de água no solo é definida pelo grau de saturação (S), dada em

porcentagem. Tal medida expressa a razão entre o volume de água presente no solo e o

volume total dos poros:

S = 100 . ηθ ( % ) (2.6)

2.3.3 Condutividade Hidráulica

A condutividade hidráulica (K) é uma medida que expressa a facilidade com que o fluido é

transportado através de um meio poroso (Bear e Verruijt, 1987). É um coeficiente que

depende tanto da matriz sólida como das propriedades do fluido. Seu valor é mais alto para

solos grossos e mais baixo para solos de granulometria fina, desde que os poros estejam

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interconectados. Para separar os efeitos do meio e do fluido, a condutividade hidráulica pode

ser expressa por (Maidment, 1993):

µρ

=gkK (2.7)

em que: k: permeabilidade intríseca do solo [L2]

µ: viscosidade dinâmica do fluido [ML-1T-1]

ρ: massa específica do fluido [ML-3]

g: aceleração da gravidade [LT-2]

Na zona saturada, o valor da condutividade hidráulica de um volume de solo pode ser

considerado constante, para qualquer carga, qualquer que seja o tipo de solo, desde que

homogêneo. Em contrapartida, na zona não saturada, o seu valor varia, consideravelmente,

com o conteúdo de água. Isto ocorre porque o ar localizado no interior dos poros impede a

passagem da água. Nessas condições, a condutividade hidráulica, K, é função direta de θ e,

consequentemente, de Ψ, sendo que quanto maior θ ou Ψ, maior K. Assim, quando θ atinge o

seu valor de saturação (θs), o fluxo passa a ocorrer sob condições saturadas e o valor de K

atinge o valor máximo (K = Ksat ).

2.4 EQUAÇÕES DO MOVIMENTO DA ÁGUA NO SOLO

2.4.1 Equação de Darcy

O estudo da movimentação da água no solo é baseado na lei de Darcy. Em 1856, Henry Darcy

realizou um estudo experimental do fluxo de água em meio poroso, investigando o fluxo

vertical de água em uma coluna de areia homogênea sob condições de saturação (Bear e

Verruijt, 1987). Ele observou que o fluxo de água através da coluna era diretamente

proporcional à área da seção transversal ao fluxo e à variação da carga hidráulica, e

inversamente proporcional à distância percorrida pelo fluxo:

Q ∝ A Lh∆ (2.8)

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Introduzindo-se um constante de proporcionalidade chega-se a:

Q = - A.K.Lh∆ (2.9)

em que:

Q = fluxo volumétrico [ L3T-1 ]

K = condutividade hidráulica [ L T-1]

∆h = variação da carga hidráulica [ L ]

h = carga hidráulica [ L ]

L= distância percorrida pelo fluxo [ L ]

A equação (2.9) pode ser expressa, também, em termos da velocidade de Darcy. Essa

quantidade é representada pela razão entre o fluxo volumétrico e a área da seção transversal:

q = - K.Lh∆ ou q = -K

lh

∂∂ (2.10)

em que: q = velocidade de Darcy [ L.T-1 ]

O sinal negativo indica que o fluxo se dá na direção contrária ao gradiente de carga. A lei de

Darcy é válida apenas para fluxo laminar, uma condição encontrada na grande maioria das

formações geológicas. Possíveis exceções incluem rochas cársticas (calcáreos), basaltos com

macroporos e formações rochosas com grandes fraturas e sujeitas a altos potenciais

hidráulicos (Smith e Wheatcraft, 1993).

2.4.2 Equações do fluxo em solo saturado

O estudo matemático do fluxo de água no solo tem como princípio a equação da conservação

da massa. Assim, a massa de água que entra em um volume elementar representativo menos a

que sai, é igual a taxa de armazenamento de água nesse volume.

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xxqq x

x ∆∂∂

+xq

Zq

zzqq z

z ∆∂∂

+

yyq

q yy ∆

∂+

x

y

z

Yqx∆

y∆

z∆

Figura 2.2- Balanço de massa em um volume elementar de lados ∆x, ∆y e ∆z.

Para um volume elementar, conforme apresentado na Figura 2.2, cujos lados tem

comprimento ∆x, ∆y, ∆z o seu volume é dado por ∆vol = ∆x.∆y.∆z. A quantidade de água que

atravessa uma face do elemento é dada pelo produto do fluxo pela área da face. Aplicando a

equação da conservação da massa ao volume elementar chega-se a:

t)V(

y.xzz

qq

z.xyy

qqz.yx

xq

qy.x.qz.x.qz.y.q

azz

yy

xxzyx

∂∆∂

=∆∆⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛ ∆∂

∂+−

∆∆⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∆

∂+−∆∆⎟

⎞⎜⎝

⎛ ∆∂

∂+−∆∆+∆∆+∆∆

(2.11)

∆Va = Ss. ∆vol. ∆h (2.12)

em que:

∆Va : volume de água armazenado [ L3 ]

qx, qy, qz : velocidade de Darcy nas direções x, y, z [ L.T-1]

Ss : armazenamento específico, ou seja, o volume de água que sai ou entra em um meio por

unidade de volume por unidade de variação da carga hidráulica [ L-1]

Substituindo a equação (2.12) na equação (2.11) e simplificando os termos, tem-se:

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thz)∆y.∆x.∆(Sy)∆x.∆z.(∆

zq

z)∆x.∆y.(∆y

qz)∆y.∆x.(∆

xq

szyx

∂∂

−=∂

∂∂

∂+

∂∂

(2.13)

Dividindo a equação (2.13) por ∆x.∆y.∆z e substituindo-se o valor de q pela equação (2.10)

chega-se a:

thS

zhK

zyhK

yxhK

x szyx ∂∂

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

∂∂

∂∂

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

∂∂

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

∂∂

∂∂ (2.14)

Para aquíferos com espessura constante tem-se Ss = S/b e, considerando-se solo homogêneo e

os eixos principais de condutividade hidráulica paralelos aos eixos coordenados, a equação

(2.14) pode ser escrita da seguinte forma, conhecida como equação de Poisson em regime

transiente:

th

bS

zhK

yhK

xhK zyx ∂

∂=

∂∂

+∂∂

+∂∂

2

2

2

2

2

2

(2.15)

em que:

S = armazenamento - volume de água que sai ou entra no meio, por unidade de área, por

unidade de variação da carga hidráulica [ adimensional ]

b = espessura do aquífero [ L ]

Conforme a situação, alguns termos podem ser adicionados ou excluídos da equação (2.15),

originando-se outras expressões. Para aquíferos em que sejam considerados acréscimos de

volumes de água devidos a recarga ou poços, ou retiradas de água por drenagem ou poços,

uma nova variável pode ser incorporada e a equação (2.15 ) passa a:

th

bS

b)t,z,y,x(R

zhK

yhK

xhK 2

2

z2

2

y2

2

x ∂∂

=+∂∂

+∂∂

+∂∂ (2.16)

onde: R: taxa de recarga (+) ou retirada (-) [LT-1]

Se o solo for isotrópico ( Kx = Ky = Kz =K) a equação (2.16) pode ser escrita na forma:

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T)t,z,y,x(R

th

TS

zh

yh

xh

2

2

2

2

2

2

−∂∂

=∂∂

+∂∂

+∂∂ (2.17)

onde: T = K.b – transmissibilidade do aquífero [L2 T-1]

Para casos de regime permanente (∂h/∂t = 0) sem recargas ou retiradas a equação (2.17) passa

a:

02

2

2

2

2

2

=∂∂

+∂∂

+∂∂

zh

yh

xh (equação de Laplace) (2.18)

Para todas as equações apresentadas neste item, a condutividade hidráulica, nas três direções

coordenadas, independe sempre do valor da variável dependente, dada pela carga hidráulica,

não importando a forma como a equação de fluxo esteja representada, devido à própria

condição de saturação do solo. Nesse caso, diz-se que as equações governantes do fluxo em

solo saturado são lineares.

2.4.3 Equações do fluxo na zona não saturada

A formulação do fluxo de água no solo não saturado baseia-se nas mesmas equações do fluxo

em meio saturado. Embora a equação de Darcy tenha sido proposta, originalmente, para solos

saturados, os trabalhos de Buckingham (1907) e Richards (1931) (apud Koide, 1990), a

adaptaram para solos não saturados.

Segundo Fetter (1993), Buckingham, em 1907, foi o primeiro a reconhecer as leis básicas para

o fluxo na zona não saturada. Ele descreveu que o potencial matricial era função da umidade,

da temperatura e massa específica do solo. Descreveu, também, que o fluxo de água através

de uma área de seção unitária era proporcional ao gradiente do potencial matricial do solo. A

constante de proporcionalidade, K(θ), seria, então, função da umidade. Richards (1931),

formalizou a lei de Buckingham e estendeu o conceito ao potencial total:

q = - K(Ψ).∇φ (2.19)

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em que: q = fluxo de água no solo [ L.T-1]

K(Ψ) = condutividade hidráulica em função de Ψ [L.T-1 ]

∇φ = gradiente do potencial [adimensional]

Aplicando-se a equação da continuidade a um volume elementar de solo não saturado, tem-se:

t)Vol.(y.xz

zq

q

z.xyy

qqz.yx

xq

qy.x.qz.x.qz.y.q

zz

yy

xxzyx

∂∆θ∂

=∆∆⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛ ∆∂

∂+−

∆∆⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∆

∂+−∆∆⎟

⎞⎜⎝

⎛ ∆∂

∂+−∆∆+∆∆+∆∆

(2.20)

Considerando-se que não há variação de volume da matriz sólida do solo e simplificando a

equação (2.20) chega-se a:

tzq

yq

xq zyx

∂θ∂

−=∂

∂+

∂+

∂∂

(2.21)

Substituindo-se a equação (2.19) na equação (2.21) chega-se a equação geral do fluxo não

saturado, conhecida como equação de Richards:

tz)(K

zy)(K

yx)(K

x zyx ∂θ∂

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

∂φ∂

Ψ∂∂

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂φ∂

Ψ∂∂

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

∂φ∂

Ψ∂∂ (2.22)

Substituindo-se a expressão de φ (equação 2.3) na equação (2.22) obtém-se:

t]1

z)[(K

zy)(K

yx)(K

x zyx ∂θ∂

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

∂Ψ∂

Ψ∂∂

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂Ψ∂

Ψ∂∂

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

∂Ψ∂

Ψ∂∂ (2.23)

A expressão (2.23) é função das variáveis Ψ e θ, sendo conhecida, portanto, como a forma

mista da equação de Richards.

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A partir de curva de retenção do solo é possível estabelecer uma relação funcional θ=θ(Ψ), de

modo que a equação (2.23) pode ser escrita na forma:

t]1

z)[(zK

zy)(yK

yx)(xK

x ∂Ψ∂

Ψ∂θ∂

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

∂Ψ∂

Ψ∂∂

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂Ψ∂

Ψ∂∂

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

∂Ψ∂

Ψ∂∂ (2.24)

Fazendo )(C Ψ=Ψ∂θ∂ , a equação do fluxo não saturado passa a ter apenas Ψ como variável

sendo, por isso, conhecida como a forma da equação de Richards baseada em Ψ:

t)(C

z)(K

z)(K

zy)(K

yx)(K

xz

zyx ∂Ψ∂

Ψ=∂

Ψ∂+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

∂Ψ∂

Ψ∂∂

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂Ψ∂

Ψ∂∂

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

∂Ψ∂

Ψ∂∂ (2.25)

onde, C(ψ) é chamado de coeficiente de capacidade [L-1].

Da curva de retenção também é possível obter as relações Ψ = Ψ(θ) e K = K(θ) de modo que

a equação (2.23) pode ser representada na forma:

t1

zz)(K

zy)(K

yx)(K

x zyx ∂θ∂

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ +

∂θ∂

∂Ψ∂

θ∂∂

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂θ∂

θ∂Ψ∂

θ∂∂

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

∂θ∂

θ∂Ψ∂

θ∂∂ (2.26)

Introduzindo uma nova variável D(θ) = K(θ)/C(θ), a equação (2.26) passa a ter θ como única

variável, sendo, por isso, conhecida como a forma da equação de Richards baseada em θ:

tz)(K

z)(D

zy)(D

yx)(D

xz

zyx ∂θ∂

=∂

θ∂+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

∂θ∂

θ∂∂

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂θ∂

θ∂∂

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

∂θ∂

θ∂∂ (2.27)

onde, D(θ) é chamada de difusividade [ L2T].

As três formas da equação de Richards são obtidas sob as hipóteses de temperatura e pressão

do ar constantes, matriz sólida do solo indeformável, água incompressível, densidade da água

independente da concentração de soluto e invariante sobre o domínio. Além do mais, assume-

se que a presença do ar pode ser ignorada, exceto quando afetar o valor de K (Fetter, 1993).

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Diferentemente das equações de fluxo saturado, nas equações de Richards a condutividade

hidráulica depende da variável dependente. Por esse motivo, essas equações assumem a

característica de não lineares e, nesse caso, a modelagem matemática pode apresentar maiores

dificuldades.

2.5 REVISÃO DE LITERATURA SOBRE A MODELAGEM MATEMÁTICA DO

FLUXO EM SOLO NÃO SATURADO

2.5.1 Tipos de equações utilizadas

Uma característica comum às diversas formas de equação de Richards consiste na forte

dependência não linear entre as suas variáveis. Valores de carga próximos podem resultar, por

exemplo, em grandes variações na condutividade hidráulica ou na umidade do sistema,

dificultando a simulação, sobretudo em situações de solo inicialmente muito seco ou

submetido a altas taxas de infiltração. A forte não linearidade leva, quase sempre, a

dificuldades para se obter convergência e o aumento do esforço computacional é inevitável.

Erros no balanço de massa também são comuns, isto é, parte da massa é perdida durante a

simulação atribuindo ao sistema a falsa característica de não conservativo.

Segundo Celia et al. (1990), uma das vantagens de se utilizar a formulação baseada em θ

como incógnita é a propriedade de conservação da massa do sistema, ou seja, erros aceitáveis

no balanço de massa. Entretanto, essa forma se degenera em meio completamente saturado,

uma vez que, após a saturação, Ψ se torna independente de θ, além de apresentar problemas

de discontinuidade de θ entre camadas de diferentes tipos de solo. A formulação baseada em

Ψ, embora funcione tanto para solo saturado como para solo não saturado, pode apresentar

erros de balanço de massa consideráveis e requer grande tempo de computação para que seja

obtida convergência do problema, sobretudo para condições de solo inicialmente muito seco,

no qual necessita-se de incrementos de tempo muito pequenos. Celia et al. (1990) fizeram um

estudo comparativo entre as três formas da equação de Richards, resolvidas por diferenças

finitas e elementos finitos, utilizando o método iterativo de Picard. A formulação baseada em

Ψ apresentou grandes erros no balanço de massa, aceitáveis (<5%) apenas para pequenos

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incrementos de tempo. A principal fonte de erro é o termo ∂θ/∂t substituído por C∂Ψ/∂t. Essas

expressões são matematicamente equivalentes na forma contínua, mas não em sua forma

discreta. A formulação mista produziu um balanço de massa aceitável para os dois métodos,

não requerendo um esforço computacional maior do que a solução baseada em Ψ.

Rathfelder e Abriola (1994) simularam situações com condições iniciais muito secas por meio

dos métodos de diferenças finitas e elementos finitos. Os algoritmos foram desenvolvidos

para a forma baseada em ψ e a forma mista. Os autores utilizaram uma forma para o cálculo

do coeficiente de capacidade (C) baseada na declividade da corda que torna a equação

baseada em ψ mais conservativa. Para ambos os métodos numéricos utilizados, essa forma se

apresentou mais eficiente do que a forma mista tradicional, com erros menores no balanço de

massa.

Campos (1998), testou a eficiência de diferentes algoritmos, em elementos finitos, para o

cálculo do fluxo bidimensional de água em meio parcialmente saturado, adotando a equação

de Richards com o potencial matricial como variável. Foram utilizadas as formulações

propostas por Neuman (1973), Celia et al. (1990) e Rathfelder e Abriola (1994), variando-se a

forma adotada para matriz de armazenamento (distribuída ou aglutinada) e a integração das

propriedades do solo dentro dos elementos de forma linear ou por quadratura de Gauss,

totalizando treze opções de cálculo. Essas opções foram analisadas por meio da comparação

da distribuição de θ ou ψ simulados com os valores observados experimentalmente ou com

solução analítica, análise da evolução do erro relativo no balanço volumétrico em função do

tempo simulado e o tempo computacional gasto por cada opção de cálculo na simulação de

um mesmo caso. Os algoritmos foram testados em três casos: experimento unidimensional de

Elmaloglou (1980), caso teórico apresentado por Rathfelder e Abriola (1994) e o experimento

de Vauclin et al. (1979), bidimensional. Campos (1998) conclui que o modelo de Neuman

utilizando a matriz de armazenamento na forma aglutinada, integração por quadratura de

Gauss foi o que apresentou melhor desempenho global, sendo a opção mais confiável.

A transformação de variáveis é um outro caminho que se busca para melhorar a eficiência dos

algoritmos, sobretudo em situações de baixos teores de umidade em que a ocorrência de

instabilidade numérica é comum, devido à manipulação de valores muito baixos.

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Huyakorn e Pinder (1983) argumentaram que um tipo de transformação utilizada comumente

na simulação de fluxo em meio não saturado é a transformação de Kirchoff. Ross (1990)

aponta que o uso da transformada de Kirchoff limita-se a casos homogêneos, uma vez que

depende das propriedades do solo e portanto não é definida na interface de diferentes tipos de

solo. O autor utilizou a transformação de Kirchoff de ψ que lineariza os termos espaciais de

segunda ordem, introduzindo uma correção na formulação para casos que apresentem

mudança nas propriedades do solo. A forma transformada torna-se, por conseguinte, válida

para simular fluxo em solos heterogêneos.

Ross (1990) propôs, para o cálculo do fluxo unidimensional, uma função de transformação p

que é a inversa do seno hiperbólico, sendo p representada por duas funções de Ψ (uma para a

zona saturada e uma para a zona não saturada), para permitir um incremento no tempo maior e

melhorar a eficiência computacional. O autor utiliza o método da frente avançada (AF) nos

casos em que o fluxo é, inicialmente, desprezível. Dada uma malha inicial com n pontos (x0,

x1,...xn ) em um dado tempo, um novo ponto xn+1 é acrescentado no próximo passo de tempo,

e assim sucessivamente, até que o contorno inferior seja atingido. Então, aplica-se o método

da malha fixa. O autor conclui que grandes passos de tempo são possíveis quando a forma

mista é combinada com esquemas iterativos implícitos, enquanto uma transformação seno

hiperbólica do potencial matricial permite incrementos espaciais grandes.

Kirkland et al. (1992) apresentaram um método baseado na variável ϕ para duas dimensões,

que é uma função transformada de Ψ na zona saturada e de θ na zona não saturada. Dessa

forma, introduz-se características da forma baseada em θ quando o solo está saturado e da

forma baseada em Ψ quando o solo se aproxima da saturação, procurando-se melhorar a

performance dos algoritmos baseados em Ψ e ainda permitir condições de completa

saturação. A formulação foi resolvida por um esquema implícito de diferenças finitas e

testada para situações inicialmente muito secas e condições saturadas em solos heterogêneos,

e comparada com um algoritmo baseado na solução mista utilizando o processo iterativo de

Picard, semelhante ao apresentado por Celia et al. (1990). Os resultados indicaram que esse

método reduz o tempo de CPU em comparação com a formulação mista, entretanto possui a

mesma precisão de cálculo, além de apresentar código numérico muito mais complexo por ser

não iterativo. Para solos variavelmente saturados a eficiência computacional do método foi

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melhor, entretanto apresentou maior erro no balanço de massa do que o algoritmo na forma

mista.

Pan e Wierenga (1995 e 1997) propuseram, inicialmente para uma dimensão e posteriormente

para duas dimensões, uma formulação cuja variável é Pt, uma função de Ψ e β, onde β é uma

constante dimensional [L-1] independente do tipo de solo. O algoritmo foi comparado com

outros três algoritmos: o algoritmo de Celia et al. (1990), o algoritmo da variável

transformada p (Ross, 1990) e o algoritmo com a variável transformada ϕ ( Kirkland et al.

1992). O algoritmo de Pt se mostrou o mais eficiente computacionalmente. Além do mais,

mostrou ser o mais simples dos três métodos de transformação e apresentou o mesmo erro no

balanço de massa.

Hills et al. (1989), usaram um algoritmo baseado em θ para modelar o fluxo de água

unidimensional em solos não saturados estratificados. A eficiência computacional dessa

formulação é comparada com outros dois algoritmos baseados em Ψ e sua solução é dada

pelo esquema de diferenças finitas de Crank-Nicholson, com passo duplo. A aplicação do

modelo resultou em erros de balanço de massa (<5%) com ordem de grandeza muito inferior

à formulação baseada em Ψ. Outra vantagem da formulação é a redução no tempo de

computação requerido para a convergência do problema.

2.5.2 Cálculo das propriedades do solo

Uma das etapas na construção de um modelo de fluxo em meio não saturado consiste da

estimativa dos valores das propriedades do solo, a saber: a condutividade hidráulica (K) e o

coeficiente de capacidade (C). Dependendo do método numérico utilizado essas propriedades

podem ser avaliadas de diferentes formas.

No método de diferenças finitas a condutividade hidráulica e o coeficiente de capacidade

assumem valores nos pontos nodais, devido a própria formulação da técnica. No modelo de

Freeze (1971), a condutividade hidráulica é avaliada entre os nós enquanto o parâmetro C é

estimado nos pontos nodais. Li (1993) argumentou que um dos fatores que afeta a acurácia e

eficiência da solução numérica do fluxo em solo não saturado é a estimativa da condutividade

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hidráulica entre nós, sobretudo em solos com propriedades altamente não lineares, onde uma

estimativa precisa da condutividade hidráulica é fundamental.

As formas mais comuns de estimativa da condutividade hidráulica entre os nós incluem a

utilização das médias aritmética, geométrica e harmônica. A escolha é quase sempre baseada

na conveniência. Haverkamp e Vauclin (1979), testaram nove diferentes formas de

ponderação da condutividade hidráulica entre os nós, incluindo as opções das médias

aritmética, geométrica e harmônica calculadas a partir dos valores de K nos nós e utilizando-

se a relação K(ψ) para valores médios de ψ nos pontos. Testes foram feitos em um solo não

saturado homogêneo e a influência nas soluções por diferenças finitas foram verificadas. O

autores indicam que menores erros são produzidos para a opção da média geométrica

calculada sobre a condutividade de dois pontos adjacentes.

Warrick (1991) testou duas novas alternativas, além das médias aritmética e geométrica, a

denominada media horizontal, calculada a partir da relação K(ψ) para um valor de ψ

representado pela variação linear dessa variável entre pontos adjacentes, e a média upstream

que considera o máximo valor de K entre nós adjacentes. As alternativas são comparadas

utilizando como parâmetro o fluxo de Darcy calculado analiticamente em um determinado

instante. O autor indica que o cálculo da condutividade hidráulica entre nós baseado na média

aritmética resulta em velocidades altas. Ao contrário, a média geométrica tende a subestimar a

velocidade. Os melhores resultados foram encontrados para a média horizontal.

Na formulação por elementos finitos as propriedades do solo são aproximadas por funções de

forma e integradas no elemento. A maioria dos modelos (Neuman (1973), Celia et al. (1990),

Rathfelder e Abriola (1994)) utilizam para a condutividade e coeficiente de capacidade a

mesma função, com forma linear, utilizada para aproximar a variável ψ. Entretanto, em

situações de forte não linearidade uma variação linear dessas propriedades pode não trazer

bons resultados ou levar a necessidade de um nível de discretização bastante denso.

Li (1993) avaliou diferentes formas de integração no estudo de um caso fluxo unidimensional.

Foram utilizadas a regra de Simpson a 1/3 do intervalo, quadratura de Gauss com dois e três

pontos, média aritmética e média geométrica. Para todos os exemplos testados a regra de

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Simpson se mostrou melhor, sendo que a quadratura de Gauss se apresentou melhor que a

utilização das médias.

Campos (1998) utilizou a técnica de quadratura de Gauss, em um modelo bidimensional, para

a integração dentro do elemento assumindo, implicitamente, uma variação não linear das

propriedades. A formulação de Neuman (1973) com quadratura de Gauss apresentou

resultados superiores as formulações considerando variações lineares, quer seja quanto ao erro

relativo de balanço volumétrico quer seja quanto a acurácia dos resultados.

Koide (1995) realizou uma análise comparativa utilizando funções lineares, quadratura de

Gauss com 4 pontos e com 9 pontos, na simulação de uma experimento unidimensional, com

elementos retangulares. Quanto ao número de pontos, o autor conclui que o uso de 9 pontos

não foi relevante em relação ao de 4 pontos, em termos de minorar o erro volumétrico.

A estimativa do coeficiente de capacidade, C, na simulação do fluxo em meio não saturado é

feita, geralmente, por meio da derivada analítica ∂θ/∂ψ (aproximação tangente). Entretanto,

essa aproximação não preserva a forma discretizada da expansão do termo de armazenamento

∂θ/∂t na equação de Richards (Celia et al., 1990). Rathfelder e Abriola (1994) apresentaram

um algoritmo conservativo, em termos de massa, para a estimativa do coeficiente C por meio

da aproximação pela declividade da corda. Testes realizados com diferenças finitas e

elementos finitos, para condições iniciais de solo muito seco, indicam melhora nos resultados

quando comparados com as formulações utilizando a aproximação tangente nas equações

baseadas em ψ e na forma mista. O mesmo fato foi constatado por Campos (1998).

2.5.3 Integração no tempo

A eficiência na solução numérica das equação de Richards depende também do esquema

utilizado para se fazer a integração no tempo. A não linearidade inerente às equações, impõe,

geralmente, o uso de técnicas iterativas. As simulações do fluxo na zona não saturada utiliza,

normalmente, os esquemas iterativos de Newton-Raphson e de Picard. O uso da forma mista da equação de Richards, juntamente com técnicas iterativas, tem

melhorado bastante os erros de balanço de massa provocados pelos algoritmos baseados em

Ψ. Brutsaert (1971) desenvolveu um esquema completamente implícito para a solução de um

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problema de infiltração em um meio heterogêneo. O esquema aproxima a equação de

Richards na forma mista por diferenças finitas implícitas e utiliza o método de Newton-

Raphson na resolução do sistema de equações. O autor enfatiza que, embora requeira maior

trabalho computacional a cada passo de tempo, o menor erro de truncamento com relação ao

tempo, resulta em ganho de estabilidade e convergência, além de permitir o uso de um passo

de tempo maior.

Li (1993) propôs uma modificação no método de Newton para a solução da equação de

Richards. Essa modificação é feita em duas etapas. Inicialmente, como no processo de fluxo a

difusão é predominante, os termos das derivadas resultantes do fluxo devido à gravidade são

desprezados. Posteriormente, os termos das derivadas da difusão são simplificados. O método

modificado é ligeiramente diferente do método de Picard e por isso o esforço computacional

de ambos é bem próximo. Entretanto, o método de Newton é mais eficiente por apresentar

convergência mais rápida. No entanto, a sensibilidade à estimativa inicial da variável, como

no método original, não foi eliminada e o método pode falhar em alguns casos. Além disso,

na maior parte dos problemas não é razoável desprezar a gravidade em fluxos verticais.

Paniconi e Putti (1994) compararam os esquemas de Newton e Picard na simulação de fluxos

uni, bi e tridimensionais em meio parcialmente saturado por meio de elementos finitos. As

técnicas foram testadas em casos com diferentes fatores que podem afetar a convergência e

eficiência incluindo: geometrias diferentes do sistema, discretização espacial e temporal,

solução inicial estimada, critério de convergência, matriz de armazenamento aglutinada ou

distribuída, condutividade hidráulica e condições de contorno. Os testes mostraram que o

esquema de Picard é, na maior parte dos casos, adequado para resolver as equações de

Richards. No entanto o método pode falhar ou convergir lentamente como no caso de

condições de contorno variáveis com o tempo, com equações altamente não lineares e na

interface das zonas saturada e não saturada. O esquema de Newton é, geralmente, mais

robusto mas em alguns casos pode falhar pelas mesmas razões do método de Picard ou devido

a estimativa inicial da solução.

Koide (1990) fez uma análise comparativa entre os esquemas de Newton e Picard na

resolução do fluxo em meio não saturado via elementos finitos. O autor conclui que ambas as

técnicas apresentam erros globais similares, mas o tempo de computação requerido pelo

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método de Newton Raphson é bem maior e mostrou vantagens apenas nos casos com grande

número de elementos na malha.

Outros algoritmos não iterativos baseados em diferenças finitas também são propostos na

modelagem do fluxo não saturado. Dentro do enfoque dos métodos previsor-corretor,

Amokrane e Villeneuve (1996) utilizaram o método de diferenças finitas para a simulação da

água em solo não saturado. O modelo numérico utiliza o esquema explícito previsor-corretor

de MacCormack, que alterna esquemas de diferenças finitas progressivas e regressivas. O

trabalho utiliza diferenças finitas progressivas no passo previsor e o esquema regressivo no

passo corretor, para aproximar as primeiras derivadas espaciais. As segundas derivadas são

aproximadas normalmente. O efeito de histerese é desprezado, entretanto o método apresenta

precisão de segunda ordem e estabilidade condicionada.

A aplicação de esquemas implícitos à equação de Richards, resulta na solução de sistemas não

lineares bastante robustos a cada passo de tempo. Para reduzir o tempo de computação,

Hornung e Messing (1980) utilizaram a estratégia que combina a acurácia dos métodos

previsor-corretor e a eficiência do esquema implícito com direções alternantes ADI (Implicit

Alternaning Direction). Nesse trabalho, para seguir de um instante de tempo para o instante

seguinte, aplica-se, em sequência, o método previsor-corretor por duas vezes. Do instante

inicial à metade do intervalo de tempo, utiliza-se o esquema previsor-corretor com

aproximações das derivadas parciais espaciais implícitas para a direção x e explícita para a

direção y. No passo seguinte, as aproximações são explícitas para a direção x e implícitas para

a direção y. Com isto , a cada passo de tempo, quatro conjuntos de sistemas tridiagonais são

resolvidos.

2.5.4 Incremento de tempo

A simulação do fluxo de água em meio não saturado apresenta dificuldades que podem estar

relacionadas à ocorrência de camadas de diferentes solos, à presença de oscilações que podem

ocorrer nos instantes iniciais da simulação ou até mesmo quando há variações bruscas nas

condições de contorno. Nessas situações, há a necessidade de um incremento de tempo (∆t)

muito pequeno para se conseguir convergência, que seria desnecessário no restante da

simulação numérica.

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Huyakorn et al. (1984) indicam que o ajuste do incremento de tempo, ∆t, é uma das formas

para tornar a solução numérica eficiente e recomendam um ajuste automático que permita o

aumento logarítmico de ∆t quando a convergência é atingida com um número mínimo de

iterações, e a diminuição quando o número de iterações máximo por passo de tempo for

atingido.

Koide (1990) propôs a seguinte equação empírica para restabelecer o valor padrão de ∆t, após

uma redução do mesmo:

i

Z

1i tNI2

NI11t ∆

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+=∆ + (2.28)

em que: NI = número de iterações requeridas para a convergência (NI ≥ 2)

Z = coeficiente de retardo da taxa de aumento de ∆t (Z ≥ 1)

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3. MÉTODO DE DIFERENÇAS FINITAS PARA MALHAS ARBITRÁRIAS

3.1 INTRODUÇÃO

É inegável que o método de diferenças finitas, em sua versão clássica para malhas regulares,

tem eficiência comprovada na resolução de grande parte dos problemas de hidrologia

subterrânea, onde estão incluídos estudos de fluxo de água nas zonas saturada e não saturada

do solo. Entretanto, algumas restrições inerentes à malha de diferenças finitas traduzem-se em

perda de eficiência do método, tornando a técnica pouco competitiva em situações bastante

comuns.

Por sua rigidez geométrica, que acaba por determinar posições fixas para os pontos nodais, a

malha de diferenças finitas convencional pode ser pouco conveniente na abordagem de

problemas, que exijam, por exemplo, a discretização próxima a contornos irregulares. Pulino

Filho (1989) argumentou que para problemas com geometria irregular onde existem contornos

curvos, a utilização de malhas regulares nem sempre é suficiente para representar bem o

domínio do problema como pode ser visto na Figura 3.1a. A necessidade da escolha de pontos

adicionais no contorno fora da malha de discretização pode causar mau condicionamento da

matriz de coeficientes do sistema, devido a proximidade entre esses pontos e pontos internos

ao domínio. Nesses casos, é preferível o uso de métodos com formulação mais sofisticada,

como o método dos elementos finitos, onde seja possível utilizar malhas de elementos com

geometria mais flexível que facilitem a discretização de domínios com forma complexa, como

na Figura 3.1b.

Em situações que apresentam variações acentuadas do gradiente da função, a necessidade de

adensamento da malha em determinadas regiões do domínio, acaba por resultar na adição de

um grande número de pontos menos relevantes ao problema. Isso porque, para se manter a

regularidade na distribuição dos pontos, não é possível o refinamento da malha de diferenças

finitas convencional apenas em regiões isoladas. Como mostrado na Figura 3.1a, o

adensamento das linhas e colunas na região das fontes de bombeamento e recarga,

representadas pelo pontos brancos, obriga que as mesmas linhas e colunas continuem

próximas mesmo nas regiões mais afastadas, onde o gradiente da solução varia menos e a

densidade de pontos poderia ser menor. Com isso diminui-se a eficiência do método,

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principalmente em problemas de grande porte em que o aumento do número de pontos

representa um gasto considerável de armazenamento e tempo de processamento. Para uma

malha de elementos finitos como a apresentada na figura 3.1b, entretanto, a geometria mais

flexível permite o adensamento da malha apenas na região próxima às fontes.

(a)

(b)

Figura 3.1 – Aquífero discretizado em diferenças finitas (a) e em elementos finitos (b). Os

pontos vazios são fontes de bombeamento ou recarga de água (modificado Wang e Anderson,

1983).

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Nas últimas décadas, essas restrições impostas ao método de diferenças finitas têm sido

tratadas por meio de duas diferentes abordagens: o uso de grades flexíveis (Frey, 1977), onde

uma malha regular é mapeada dentro de um domínio irregular por uma representação

isoparamétrica similar àquela usada nas análises de elementos finitos, e o uso de malhas

irregulares arbitrárias onde expressões discretas para operadores diferenciais são obtidas por

meio da teoria de série de Taylor.

Neste trabalho, a segunda abordagem será efetivamente explorada. Além de conservar uma

formulação tão simples e direta quanto a formulação da técnica clássica de diferenças finitas,

o método flexibiliza a discretização do domínio, uma vez que permite, a priori, a localização

aleatória dos pontos nodais. Em seguida descreve-se o processo de geração das expressões

discretas para operadores diferenciais, utilizando uma malha irregular arbitrária no contexto

de diferenças finitas. Trata-se da mesma técnica descrita por Pulino Filho (1989), aplicada a

outros problemas.

3.2 GERAÇÃO DE OPERADORES DISCRETOS DE ATÉ SEGUNDA ORDEM

O método de diferenças finitas para malhas irregulares arbitrárias consiste de uma técnica

simples que não envolve a utilização de integração numérica nem a necessidade de malha

com estrutura geométrica definida. A discretização dos operadores diferenciais é feita de

forma direta por meio da expansão em série de Taylor da função solução do problema em

pontos do domínio, com relação a pontos vizinhos.

Semelhantemente ao método de elementos finitos, associa-se a cada ponto do domínio um

elemento, formado por um ponto central e pontos envolventes, que pode variar de acordo com

o número de pontos envolventes adotado e com a disposição relativa entre eles. Cada um

desses elementos é denominado como molécula, sobre a qual são geradas as aproximações

discretas para os operadores diferenciais.

Seja f=f(x,y) a função solução de um problema genérico. Assumindo que as derivadas da

função existam e sejam contínuas em todo o domínio, é possível obter o desenvolvimento em

série de Taylor dessa função em torno do ponto de coordenadas (x0, y0):

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f(x,y) = f(x0,y0) +0x

f∂∂ ∆x +

0yf

∂∂ ∆y +

21

⎢⎢⎣

∂∂

02

2

xf ∆x2 +

0

2

yxf

∂∂∂ 2∆x∆y +

⎥⎥⎦

⎤∆

∂∂ 2

02

2

yy

f

+…+)!1n(

1−

fyy

xx

)1n( −

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡∆

∂∂

+∆∂∂ (3.1)

Para n=2 a equação (3.1) passa a conter apenas derivadas de até segunda ordem e reduz-se a:

f(x,y) = f(x0,y0) +0x

f∂∂ ∆x +

0yf

∂∂ ∆y +

02

2

xf

∂∂

2x 2∆ +

0

2

yxf∂∂

∂ ∆x∆y +0

2

2

yf

∂∂

2y 2∆ + e (3.2)

em que: e = resíduo resultante do truncamento da série no termo de ordem (n-1)

∆x = x-x0, ∆y = y-y0

Considerando uma molécula centrada no ponto (x0, y0) e escrevendo a equação (3.2) para “m”

pontos vizinhos envolventes, a representação das equações resultantes, na forma matricial, é

dada por:

{f} = {f0} + [D] {∂f}0 + {E} (3.3)

em que: {f} = vetor dos valores da função f(x,y) nos pontos vizinhos ao ponto (x0, y0)

{f0} = vetor com o valor da função f(x,y) no ponto (x0, y0)

[D] = matriz de diferenças

{∂f0} = vetor das derivadas parciais da função f(x,y) no ponto (x0, y0)

{E} = vetor dos resíduos resultantes dos truncamentos das expansões no sexto termo

Fazendo {∆f}={f}-{f0} e escolhendo os “m” pontos, próximos o suficiente do ponto (x0,y0),

de forma que o termo {E} possa ser desprezado, obtém-se de (3.3):

{∆f} = [D] {∂f}0 (3.4)

Os elementos da matriz [D] equivalem aos coeficientes das expansões da função f(x,y) em

série de Taylor e estão relacionados às coordenadas cartesianas dos “m+1” pontos

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componentes da molécula, sendo possível determiná-los conhecendo-se apenas a localização

dos pontos nodais no domínio.

A expressão (3.4) corresponde a um sistema de equações onde o número “m” de pontos

vizinhos ao ponto central (x0,y0) corresponde ao número de equações, resultantes dos

desenvolvimentos em série de Taylor da função, e o número de incógnitas é indicado pelas

cinco derivadas presentes.

Se as posições relativas dos “m+1” pontos forem tais que a matriz [D] resulte não singular, é

sempre possível obter uma aproximação discreta para os operadores diferenciais, de até

segunda ordem, no ponto central (x0, y0), resolvendo-se o sistema de equações (3.4).

Entretanto é necessário que um número mínimo de pontos esteja envolvido, de modo que o

número de incógnitas presentes não exceda o número de equações, tornando possível assim,

encontrar uma solução para o sistema, seja de forma direta ou por um processo de

minimização do erro devido ao truncamento da série de Taylor.

A utilização do desenvolvimento da série de Taylor até os termos de segunda ordem, resulta

em uma aproximação da função do problema em torno do ponto central por um polinômio

completo de segundo grau, como mostra a equação 3.2, e além disso, as aproximações obtidas

para todas as derivadas envolvidas são de segunda ordem.

Segundo Perrone e Kao (1975), se a função f(x,y) for um polinômio de segunda ordem, as

formas aproximadas obtidas para as derivadas coincidirá com a solução exata. Por outro lado,

se a função for um polinômio de ordem superior ou outra função, as derivadas obtidas são

aproximações cuja acurácia dependerá da ordem das derivadas assim como do tamanho da

malha utilizada e da posição entre os pontos nodais.

O método de diferenças finitas para malhas arbitrárias (MDFMA), como estudado neste

trabalho, trata apenas da geração de moléculas de até segunda ordem, ou seja, da aproximação

discreta de operadores de até ordem dois. Entretanto, o estudo de moléculas de ordem

superior, necessárias no caso de equações que envolvam derivadas de ordem três em diante, é

possível utilizando-se a mesma teoria. Maiores detalhes podem ser encontrados em Pulino

Filho (1989).

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32

3.3 ESTUDO DA MOLÉCULA IRREGULAR DE SEIS PONTOS

3.3.1 Geração das aproximações

A composição de uma molécula pode variar conforme o número de pontos selecionados. A

escolha de cinco pontos, próximos ao ponto central (x0, y0), determina uma molécula de seis

pontos. A seleção de um número menor de pontos, resultaria em um sistema com menos

equações que incógnitas, sendo, portanto seis o número mínimo de pontos necessários para

que o processo de geração dos operadores discretos seja aplicável.

No esquema de seis pontos, cada molécula passa então a ser formada por um ponto nodal

central e cinco pontos nodais envolventes. A esses pontos, designa-se uma numeração local de

0 a 5, respectivamente, como mostrado na Figura 3.2. A equação (3.4), escrita de forma

explícita para moléculas de seis pontos, assume a forma de um sistema determinado de

dimensões 5 x 5 expresso por:

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

05

04

03

02

01

ff

ff

ff

ff

ff

=

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

∆∆∆

∆∆∆

∆∆∆

∆∆∆

∆∆∆

∆∆∆

∆∆∆

∆∆∆

∆∆∆

∆∆∆

2yyx

2xyx

2yyx

2xyx

2yyx

2xyx

2yyx

2xyx

2yyx

2xyx

25

55

25

55

24

44

24

44

23

33

23

33

22

22

22

22

21

11

21

11

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

∂∂

∂∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

2

2

2

2

2

yfyxf

xf

yfxf

(3.5)

onde, f0, f1, f2, f3, f4 e f5 representam os valores da função f(x,y) avaliados nos pontos da

molécula e cada equação representa o desenvolvimento da série de Taylor de f(x,y) com

relação a um dos pontos envolventes.

Sendo a matriz de diferenças [D] não singular e assumindo as derivadas parciais ∂f/∂x, ∂f/∂y,

∂2f/∂x2, ∂2f/∂x∂y e ∂2f/∂y2 como incógnitas do problema, é possível obter, para cada um dos

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33

1

5

0

2

34

2y

yfyx

yxf

2x

xfy

yfx

xfff

21

2

2

11

221

2

2

1101∆

∂∂

+∆∆∂∂

∂+

∆∂∂

+∆∂∂

+∆∂∂

+=

2y

yfyx

yxf

2x

xfy

yfx

xfff

25

2

2

55

225

2

2

5505∆

∂∂

+∆∆∂∂

∂+

∆∂∂

+∆∂∂

+∆∂∂

+=

2y

yfyx

yxf

2x

xfy

yfx

xfff

24

2

2

44

224

2

2

4404∆

∂∂

+∆∆∂∂

∂+

∆∂∂

+∆∂∂

+∆∂∂

+=

2y

yfyx

yxf

2x

xfy

yfx

xfff

22

2

2

22

222

2

2

2202∆

∂∂

+∆∆∂∂

∂+

∆∂∂

+∆∂∂

+∆∂∂

+=

2y

yfyx

yxf

2x

xfy

yfx

xfff

23

2

2

33

223

2

2

3303∆

∂∂

+∆∆∂∂

∂+

∆∂∂

+∆∂∂

+∆∂∂

+=

f0

Figura 3.2 – Molécula de seis pontos com os desenvolvimentos da série de Taylor da função f (x,y).

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34

operadores de até segunda ordem, aproximações discretas no ponto central da molécula,

simplesmente resolvendo-se o sistema de equações 3.5:

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

5554535251

4544434241

3534333231

2524232221

1514131211

aaaaa

aaaaa

aaaaa

aaaaa

aaaaa

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

05

04

03

02

01

ff

ff

ff

ff

ff

=

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

∂∂

∂∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

2

2

2

2

2

yfyxf

xf

yfxf

(3.6)

Nesse novo conjunto de equações, a matriz [A] corresponde a inversa da matriz [D] e

qualquer das derivadas parciais, de até segunda ordem, pode ser escrita multiplicando-se a

linha correspondente da matriz [A] pelo vetor {∆f}0. As aproximações discretas resultantes

são, portanto, dadas por uma combinação linear da diferença entre os valores da função no

ponto central e em seus pontos envolventes, ponderada por um fator de distância entre eles.

Os fatores de ponderação estarão relacionados aos elementos da matriz [A] e,

consequentemente, da matriz [D]. A Figura 3.3, mostra os fatores de ponderação associados

aos pontos da molécula para o operador ∂2f/∂x2.

2

1

0

3

4 5

a33

b

a34

a32

a31

a35

3

( )35343332313 aaaaab ++++−=

Figura 3.3 – Molécula de seis pontos e fatores de ponderação para o operador ∂2f/∂x2.

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35

3.3.2 Molécula de seis pontos em malha regular

A distribuição de pontos em uma malha regular conduz a moléculas de seis pontos com boas

aproximações. Para uma molécula regular, como a mostrada na Figura 3.4, os

desenvolvimentos da série de Taylor da função resultam no seguinte sistema de equações:

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

05

04

03

02

01

ff

ff

ff

ff

ff

=

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

222

2

2

2

2

a5.0aa5.0aa

a5.000a0

a5.000a0

00a5.00a

00a5.00a

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

∂∂

∂∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

2

2

2

2

2

yfyxf

xf

yfxf

(3.7)

3 5

02

4

1

y

x

a

a

a a

Figura 3.4 – Molécula de seis pontos montada em malha regular quadrada

Nesse caso, a matriz [A] pode ser determinada analiticamente e seus elementos escritos em

função do espaçamento constante da malha. A solução do sistema de equações (3.7) resulta

em:

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36

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

−−

−−

−−−

−−

−−

−−

0aa00

a0a0a

000aa

0a5.0a5.000

000a5.0a5.0

22

222

22

11

11

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

05

04

03

02

01

ff

ff

ff

ff

ff

=

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

∂∂

∂∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

2

2

2

2

2

yfyxf

xf

yfxf

(3.8)

A equação (3.8), mostra claramente que os coeficientes de ponderação, representados pelos

elementos da matriz [A], estão relacionados com a distância entre os pontos da molécula. Para

esse tipo de molécula, as aproximações obtidas se mostram bem balanceadas uma vez que,

para os pontos distribuídos simetricamente foram atribuídos valores de ponderação iguais

como apresentado na Figura 3.5 para a primeira derivada em x.

É interessante observar que, para moléculas de seis pontos montadas sobre malhas regulares, a

menos da derivada cruzada, as aproximações obtidas para os operadores resgatam os

esquemas convencionais de diferenças finitas centrada.

0 0

0

0.5 a-1-0.5 -1a

Figura 3.5 – Fatores de ponderação associados aos pontos de uma molécula regular de seis

pontos para o operador ∂f/∂x.

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37

3.3.3 Condições de contorno

Uma das vantagens do MDFMA apontada por Gonçalves e Pamplona (1980), consiste na

facilidade do tratamento das condições de contorno. Há dois casos a serem considerados: o

primeiro diz respeito aos trechos do contorno em que se verificam condições do tipo Dirichlet

(contorno com f(x,y) conhecido) e o segundo diz respeito aos trechos onde se verificam

condições de Neumann (contorno com fluxo conhecido).

Nos trechos onde o contorno do problema é do tipo Dirichlet, não há necessidade de se criar

moléculas com pontos centrais pertencentes ao contorno. Nesses casos, os valores conhecidos

de f(x,y) são introduzidos automaticamente no sistema de equações algébricas global do

problema, a medida que os pontos no contorno participem da composição das moléculas,

cujos pontos centrais são internos ao domínio.

Em casos onde o contorno é do tipo Neumann, Pulino Filho (1989) apresenta uma forma de se

introduzir automaticamente as condições de fluxo conhecido nas expressões discretas dos

operadores. Nos problemas abordados por Pulino Filho (1989) a equação de fluxo é dada por:

yf m

xf q

∂∂

+∂∂

= l (3.9)

onde: q = fluxo conhecido no contorno

l , m = cossenos diretores do vetor normal unitário externo

A condição de contorno do tipo Neumann é introduzida no sistema de equações da molécula

substituindo-se a última linha de (3.5), correspondente ao desenvolvimento da série de Taylor

da função com respeito ao quinto ponto envolvente, pela equação de fluxo (3.9). Nesse caso,

o número de pontos é reduzido e a molécula passa a ter quatro pontos envolventes, resultando

no seguinte sistema de equações:

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38

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

q

ff

ff

ff

ff

04

03

02

01

=

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

∆∆∆

∆∆∆

∆∆∆

∆∆∆

∆∆∆

∆∆∆

∆∆∆

∆∆∆

000m

2yyx

2xyx

2yyx

2xyx

2yyx

2xyx

2yyx

2xyx

24

44

24

44

23

33

23

33

22

22

22

22

21

11

21

11

l ⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

∂∂

∂∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

2

2

2

2

2

yfyxf

xf

yfxf

(3.10)

Se a matriz [D] é não singular e, portanto, admite inversa, as aproximações para os operadores

diferenciais são obtidas resolvendo-se a equação (3.10), resultando em:

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

5554535251

4544434241

3534333231

2524232221

1514131211

aaaaa

aaaaa

aaaaa

aaaaa

aaaaa

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

q

ff

ff

ff

ff

04

03

02

01

=

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

∂∂

∂∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

2

2

2

2

2

yfyxf

xf

yfxf

(3.11)

As fórmulas discretas dos operadores passam a conter, como componente, o valor de fluxo

conhecido, o que gera uma forma automática de se impor condições de contorno do tipo

Neumann ao problema. Do ponto de vista da codificação computacional, nenhum esforço

adicional é acrescentado no tratamento das condições de contorno e, além do mais, é possível

tratar de forma genérica qualquer tipo de contorno, conhecendo-se apenas a direção do vetor

normal.

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39

3.3.4 Seleção da molécula de seis pontos

O sucesso na implementação do método de diferenças finitas para malhas arbitrárias envolve

a escolha dos pontos para comporem as moléculas. Uma seleção inadequada pode resultar na

singularidade da matriz [D], que torna o método inaplicável, ou seu mau condicionamento

onde a matriz inversa existe mas resulta em aproximações pouco acuradas.

Quanto à singularidade da matriz de diferenças Perrone e Kao (1975) indicam situações em

que, seguramente, [D] é singular e devem ser evitadas. A Figura 3.6 mostra algumas delas.

No caso (a), da Figura 3.6, os pontos da molécula possuem os mesmos valores de ordenadas.

Os elementos da segunda coluna da matriz [D], na equação 3.5, passam, então, a assumir

valor nulo, tornando-a singular. O mesmo raciocínio pode ser aplicado ao caso (b), em que os

pontos possuem valores idênticos para as abscissas tornando nulos os elementos da primeira

coluna de [D].

Na situação (c), os pontos da molécula estão localizados sobre uma mesma reta suporte. A

relação de proporcionalidade entre a diferença das ordenadas de dois pontos e a diferença

entre suas abcissas é mantida e tem valor dado pela inclinação da reta. Então, a primeira e a

segunda coluna de [D] passam a ser combinação linear uma da outra e, portanto, a matriz

também é singular.

Para moléculas no contorno, também é possível que a matriz de diferenças seja singular. Isto

ocorrerá, por exemplo, nas moléculas que tiverem três ou mais pontos situados em retas

paralelas à reta suporte do vetor normal unitário (Pulino Filho, 1989). Essas situações são

ilustradas na Figura 3.7.

No caso (a), os pontos 0, 3 e 4 estão sobre a mesma reta suporte que tem a direção do vetor

normal unitário. Assim os vetores definidos pelos pontos (x0, y0), (x3, y3 ) e (x0, y0), (x4, y4),

além do vetor unitário nr

= ( l , m), são colineares, de modo que é possível obter uma

combinação linear entre as suas coordenadas. Portanto, as linhas 3, 4 e 5 da matriz [D], na

equação 3.10, passam a ser linearmente dependentes, tornando-a singular. Pelo mesmo

motivo, a situação (b) também resulta em [D] singular.

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40

2 1 0 3 4 5

321045

21

03

45

(a) (b)

(c)

Figura 3.6 – Moléculas em pontos internos do domínio com matriz [D] singular

0

1

3

4

2

n n

0

1

3

4

2

(a) (b)

Figura 3.7 – Moléculas em pontos do contorno com matriz [D] singular

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41

Diante da importância na composição das moléculas, alguns autores propõem formas para a

seleção dos pontos envolventes. Perrone e Kao (1975) sugeriram uma forma para se

determinar a composição de uma molécula de seis pontos onde a área em torno do ponto

central é dividida em oito zonas formando segmentos com ângulos centrais de 45 graus.

Quatro dos pontos envolventes são escolhidos nos setores principais que têm como bissetriz

os eixos coordenados. O quinto ponto é selecionado em um dos setores restantes obedecendo-

se, sempre, o critério de os pontos escolhidos estarem o mais próximo possível do ponto

central.

Liszka e Orkisz (1980) argumentaram que o critério sugerido por Perrone e Kao (1975)

resulta em moléculas bem selecionadas, mas tende a ser muito complicado e rigoroso, além de

consumir muito tempo de computação. Os autores sugeriram que o domínio em torno do

ponto central seja dividido em quatro quadrantes, onde os pontos mais próximos em cada

quadrante sejam incluídos na molécula. Nesse caso o controle dos nós é feito computando-se

apenas a distância ao nó central e comparando os sinais das coordenadas locais dos nós para

identificar o quadrante.

A questão não é tão simples se [D] é não singular mas mal condicionada. Estudos feitos por

Godoy (1986) indicam que aproximações obtidas a partir de matrizes mal condicionadas

podem estar distantes daquelas exatas. O autor indica o número de condição da matriz de

diferenças [D] como parâmetro de escolha da localização dos pontos das moléculas. Tal

parâmetro, pode ser definido pela seguinte expressão:

C([D]) = ||[D]|| . ||[D]-1|| (3.12)

onde ||[D]|| pode ser, por exemplo, definido como:

||[D]|| = ∑=≤≤

N

1jijNi1

|d|max (3.13)

sendo, N a ordem da matriz [D] e dij seus elementos.

Conforme mostrado por Pulino Filho (1989) o número de condição da matriz [D] é o fator de

magnificação de erros e, portanto, deve-se procurar moléculas que resultem em valores

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42

mínimos desse fator. Em seu trabalho, o autor mostra que, em termos de condicionamento da

matriz de diferenças, a melhor escolha seria uma molécula de base pentagonal. Entretanto,

outros fatores devem ser levados em conta, como, por exemplo, a viabilidade desse tipo de

molécula próximo ao contorno. Moléculas escolhidas aleatoriamente devem ser evitadas pois,

quase sempre, conduzem a números de condição da matriz [D] elevados.

3.4 MOLÉCULA IRREGULAR COM MAIS DE SEIS PONTOS

3.4.1 Geração das aproximações

Nos casos de malhas completamente irregulares, o mau condicionamento da matriz [D] pode

produzir soluções aproximadas piores que as obtidas por esquemas convencionais de

diferenças finitas ou outro método numérico (Pulino Filho, 1989). Uma forma de melhorar a

acurácia do método, nessas situações, consiste em tomar um número maior de pontos para

compor a molécula (m > 5).

Para “m” pontos envolventes, a matriz de diferenças assume a forma retangular, de

dimensões m x 5. O número de equações ultrapassa o número de incógnitas (∂f/∂x, ∂f/∂y,

∂2f/∂x2, ∂2f/∂x∂y, ∂2f/∂y2) e o sistema não tem mais solução única. Liszka e Orkisz (1980)

propuseram minimizar os erros das expansões em série de Taylor:

e1 = - (f1 – f0) + 1xxf

∆∂∂ + 1y

yf

∆∂∂ +

2x

xf 2

12

2 ∆∂∂ + 11

2

yxyxf

∆∆∂∂

∂ +2y

yf 2

12

2 ∆∂∂ (3.14a)

e2 = - (f2 – f0) + 2xxf

∆∂∂ + 2y

yf

∆∂∂ +

2x

xf 2

22

2 ∆∂∂ + 22

2

yxyxf

∆∆∂∂

∂ +2y

yf 2

22

2 ∆∂∂ (3.14b)

.

em = - (fm – f0) + mxxf

∆∂∂ + my

yf

∆∂∂ +

2x

xf 2

m2

2 ∆∂∂ + mm

2

yxyxf

∆∆∂∂

∂ +2

yy

f 2m

2

2 ∆∂∂ (3.14c)

Em notação matricial as equações (3.14) podem ser agrupadas na forma:

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43

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

m

2

1

e

e

e

=

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

∆∆∆

∆∆∆

∆∆∆

∆∆∆

∆∆∆

∆∆∆

2y

yx2

xyx

.

.

2y

yx2x

yx

2y

yx2x

yx

2m

mm

2m

mm

22

22

22

22

21

11

21

11

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

∂∂

∂∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

2

2

2

2

2

yfyxf

xf

yfxf

-

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

0m

02

01

ff

.

.

ff

ff

(3.15)

De forma mais concisa, representa-se o sistema de equações (3.15) na forma:

{E} = [D] {∂f}0 – {∆f} (3.16)

A função a ser minimizada é representada pela soma dos erros ao quadrado:

S = ∑=

m

1i

2ie (3.17)

Derivando-se S em relação às derivadas parciais, resultam, da equação (3.17), cinco

expressões:

∑=

=∂∂∂

∂ m

1i1iide2

)x/f(S (3.18a)

∑=

=∂∂∂

∂ m

1i2iide2

)y/f(S (3.18b)

∑=

=∂∂∂

∂ m

1i3ii22 de2

)x/f(S (3.18c)

∑=

=∂∂∂∂

∂ m

1i4ii2 de2

)yx/f(S (3.18d)

∑=

=∂∂∂

∂ m

1i5ii22 de2

)y/f(S (3.18e)

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44

em que: dij = elementos da matriz [D]

Expandindo-se as equação (3.18) e igualando-as a zero, de modo a considerar a condição de

mínimo local, tem-se as seguinte expressões:

e1d11 + e2d21 + e3d31 + ... + emdm1 = 0 (3.19a)

e1d12 + e2d22 + e3d32 + ... + emdm2 = 0 (3.19b)

e1d13 + e2d23 + e3d33 + ... + emdm3 = 0 (3.19c)

e1d14 + e2d24 + e3d34 + ... + emdm4 = 0 (3.19d)

e1d15 + e2d25 + e3d35 + ... + emdm5 = 0 (3.19e)

Em notação matricial, as equações (3.19) resultam na seguinte expressão:

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⋅⋅

⋅⋅

⋅⋅

⋅⋅

⋅⋅

5m352515

4m342414

3m332313

2m322212

1m312111

dddd

dddd

dddd

dddd

dddd

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

m

2

1

e

e

e

=

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

0

0

0

0

0

(3.20)

Em notação mais concisa a equação (3.20) pode ser escrita na forma:

[D]T{E} = {0} (3.21)

em que: [D]T = matriz transposta de [D]

Substituindo-se a expressão (3.16), do vetor {E}, na equação (3.21), chega-se à seguinte

expressão:

[D]T ([D].{∂f}0 – {∆f}) ={0} (3.22)

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45

Expandindo a equação (3.22) tem-se:

[D]T [D] {∂f}0 = [D]T{∆f} (3.23)

O vetor solução {∆f} pode ser obtido multiplicando-se ambos os membros da equação (3.23)

pelo fator ([D]T[D])-1, de forma que:

{∂f}0 = ([D]T[D])-1 [D]T{∆f} (3.24)

A matriz ([D]T[D])-1 [D]T assume o mesmo papel da matriz [A] na molécula de seis pontos. É

possível, então, escrever (3.24) da seguinte forma:

{∂f}0 = [A]{∆f} (3.25)

onde: [A] = ([D]T[D])-1 [D]T

Embora seja possível o uso de um número genérico de pontos envolventes, a escolha de um

número excessivo de pontos para compor as moléculas não é utilizado com frequência. O

aumento do número de pontos nem sempre aumenta a acurácia dos resultados e torna difícil

uma boa escolha desses pontos, principalmente numa malha pouco densa. Os trabalhos

desenvolvidos com esse método (Liszka e Orkisz, 1980, Snell et al., 1981) utilizam um

máximo de oito pontos envolventes gerando, portanto, moléculas de nove pontos.

3.4.2. Moléculas no contorno

Como no caso de molécula de seis pontos, não é necessário localizar moléculas no contorno

do tipo Dirichlet, ou seja, onde seja conhecido o valor da função f(x,y). Para pontos no

contorno do tipo Neumann, não é recomendável o procedimento usado em (3.10), uma vez

que a minimização do erro se faria por valores de variáveis de natureza diferente. Liszka e

Orkisz (1980), recomendam a adoção de um ponto virtual para cada ponto do contorno e o

acréscimo de uma equação do tipo (3.9).

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46

É também eficiente o emprego de moléculas de dois tipos diferentes: moléculas de “m”

pontos no interior do domínio e moléculas de cinco pontos no contorno (Pulino Filho, 1989),

sendo esse procedimento o adotado neste trabalho.

3.5 APLICAÇÕES DE DIFERENÇAS FINITAS EM MALHAS ARBITRÁRIAS

No contexto de malhas irregulares arbitrárias, Perrone e Kao (1975) utilizaram a teoria de

série de Taylor na geração de operadores discretos de até segunda ordem para problema

bidimensionais. As aproximações foram geradas sobre um esquema de seis pontos, sendo um

ponto central e cinco envolventes. Dois tipos de problemas foram abordados: problemas

governados pela equação de Poisson sem aplicação específica e problemas de membranas

quadradas sujeitas a grandes deflexões. Os autores concluem que, para que sejam obtidas boas

aproximações para os operadores diferenciais, a distribuição dos pontos nodais, em torno do

ponto central, assim como a forma pela qual essas aproximações são obtidas, devem ser

fatores considerados cuidadosamente.

Liszka e Orkisz (1980) apresentaram um método análogo ao proposto por Perrone e Kao

(1975). Os autores utilizaram um esquema de nove pontos e para gerar as aproximações

discretas sugeriram minimizar o erro de truncamento da série de Taylor usando coeficientes

de ponderação inversamente proporcionais à distância de cada ponto envolvente ao ponto

central. Esse procedimento foi aplicado a equações não elípticas e a problemas não lineares,

como no caso de torção elasto-plástica em uma barra, e, nesses casos, a técnica se mostrou

mais acurada que o método de diferenças convencional e que a técnica apresentada por

Perrone e Kao (1975).

Snell et al. (1981) utilizaram um esquema de nove pontos na resolução de dois problemas,

com características distintas, como forma de mostrar a aplicabilidade do método em diferentes

situações. O primeiro diz respeito a um sistema governado pela equação de Poisson sem

aplicação específica. O segundo trata de deformações elásticas em placas com contornos

complexos consistindo de um problema de quarta ordem. As aproximações foram obtidas

utilizando-se o procedimento de mínimos quadrados proposto por Liszka e Orkisz (1980). Os

autores apontam a técnica como uma ferramenta viável para solucionar muitos dos problemas

resolvidos normalmente por elementos finitos.

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47

Pamplona e Gonçalves (1980) apresentaram uma nova técnica, semelhante àquela apresentada

por Perrone e Kao (1975), cujo emprego conduz a programas de cálculo automático com a

mesma flexibilidade apresentada pelo método dos elementos finitos, quer seja quanto à

arbitrariedade da malha de discretização, quer seja quanto à organização dos dados de entrada.

Trata-se de uma modificação do método das diferenças finitas, baseada na série de Taylor,

que permite automatizar a geração de moléculas irregulares para operadores diferenciais

parciais. O método é aplicado a problemas de condução de calor em placa quadrada com

condições de contorno de Dirichlet e de Neumann e um caso de escoamento de fluido não

viscoso incompressível em torno de um obstáculo cilíndrico entre paredes paralelas. Os

exemplos demostram a eficácia da técnica com resultados bem próximos das soluções

analíticas e os programas gerados mostram-se bastante eficientes em vista da simplicidade do

algoritmo e da compacidade do programa.

Pulino Filho (1989) aplicou o esquema de diferenças finitas para malhas arbitrárias, proposto

por Perrone e Kao (1975), para geração de operadores discretos sobre um esquema de seis

pontos, e o método proposto por Liszka e Orkisz (1980), para a geração de esquemas de nove

pontos, em problemas de condução de calor em regime permanente, torção livre em hastes

retas e vibração livre de membranas. As duas técnicas mostraram-se, em geral, eficientes

quando aplicadas a problemas lineares relativamente simples. Moléculas de seis pontos

também foram empregadas na solução de problema de difusão de calor (regime transiente)

apresentando bons resultados (estabilidade e convergência).

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48

4. DESENVOLVIMENTO DO MÉTODO DE DIFERENÇAS FINITAS PARA

MALHAS ARBITRÁRIAS PARA PROBLEMAS DE FLUXO DE ÁGUA NO SOLO

Um dos objetivos do presente trabalho é formular e aplicar o método de diferenças finitas para

malhas arbitrárias na resolução de problemas de fluxo. São abordados dois tipos de equações:

a equação de Poisson transiente, utilizada na representação de casos de fluxo em solo saturado

em regime permanente ou variável no tempo como, por exemplo, fluxo devido a fonte de

recarga ou bombeamento em aquífero, e a equação de Richards, que representa casos de fluxo

em solo não saturado ou parcialmente saturado como em problemas relacionados a infiltração

de água.

Os modelos formulados consideram duas dimensões espaciais, escolhidas para cada caso,

conforme as direções preferenciais de fluxo, e admitem um número genérico de pontos para

comporem as moléculas, evidentemente respeitando o número mínimo de seis pontos. As

formulações apresentam em comum o esquema de discretização implícito, usando-se

diferenças finitas convencional no tempo e diferenças finitas para malhas arbitrárias no

espaço. No caso do fluxo não saturado, o modelo concebido utiliza a equação de Richards

baseada em ψ adotando-se o processo iterativo de Picard.

Nos ítens seguintes, mostra-se o desenvolvimento das equações de fluxo por meio do método

de diferenças finitas para malhas arbitrárias (MDFMA).

4.1 FLUXO EM SOLO SATURADO

Considerando o fluxo de água em duas direções em meio saturado homogêneo anisotrópico,

com os eixos da condutividade hidráulica, K, paralelos aos eixos cartesianos, e sujeito a taxas

de recarga ou retirada de água, tem-se a equação de Poisson transiente para duas dimensões:

th

bS

b)y,x(R

yhK

xhK 2

2

y2

2

x ∂∂

=+∂∂

+∂∂ (4.1)

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49

Os valores de permeabilidade, Kx e Ky, no caso considerado de solo saturado, independem da

carga hidráulica atuante e das coordenadas espaciais e, portanto, assumem valores constantes,

restando como única incógnita do problema a carga hidráulica.

Para uma molécula com “m” pontos envolventes, a solução do sistema de equações de

diferenças para a função h é dada pela seguinte expressão:

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⋅⋅

⋅⋅

⋅⋅

⋅⋅

⋅⋅

m55251

m44241

m33231

m22221

m11211

aaa

aaa

aaa

aaa

aaa

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

0m

02

01

hh

hh

hh

=

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

∂∂

∂∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

2

2

2

2

2

yhyxh

xhyhxh

(4.2)

As expressões discretas dos operadores ∂2h/∂x2 e ∂2h/∂y2 envolvem os elementos das terceira

e quinta linhas da matriz [A], de tal forma que :

∑=

−=∂∂ m

1i0ii32

2

)hh(ax

h (4.3)

∑=

−=∂∂ m

1i0ii52

2

)hh(ay

h (4.4)

Substituindo-se as equações (4.3) e (4.4) na equação (4.1), obtém-se a forma discretizada da

equação de Poisson em termos de diferenças finitas, para moléculas com pontos centrais

internos ao domínio:

∑=

+++

∆−

=+−+m

1i

n0

1n001n

01n

ii50yi30x thh

bS

bR)hh)(aKaK( (4.5)

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50

em que: hi: valores de carga hidráulica nos pontos envolventes da molécula

h0: valor de carga hidráulica no ponto central da molécula

R0: taxa de recarga ou retirada de água no ponto central da molécula

n: índice de tempo

m: número de pontos envolventes da molécula (m>5).

a3i, a5i: elementos das terceira e quinta linhas da matriz [A] da molécula

Em pontos sobre o contorno do tipo Neumann, é possível a ocorrência das seguintes equações

de fluxo correspondentes as duas direções coordenadas:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

∂∂

−=xhKq xx (4.6)

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

−=yhKq yy (4.7)

Pelo mesmo raciocínio utilizado por Pulino Filho (1989), as condições de fluxo são

adicionadas à molécula, substituindo-se a última linha da matriz de diferenças, [D], pelas

equações (4.6) ou (4.7), conforme a direção de fluxo presente. Considerando-se moléculas de

cinco pontos no contorno, sendo um central e quatro envolventes, e fluxo conhecido na

direção x, as equações que originam a matriz [D] dessas moléculas correspondem ao seguinte

sistema linear:

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

0x

0x

04

03

02

01

Kq

hh

hh

hh

hh

=

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

∆∆∆

∆∆∆

∆∆∆

∆∆∆

∆∆∆

∆∆∆

∆∆∆

∆∆∆

00001

2y

yx2x

yx

2y

yx2x

yx

2y

yx2x

yx

2y

yx2x

yx

24

44

24

44

23

33

23

33

22

22

22

22

21

11

21

11

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

∂∂

∂∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

2

2

2

2

2

yhyxh

xhyhxh

(4.8)

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51

Para fluxo conhecido na direção y, o mesmo procedimento pode ser utilizado substituindo-se

o valor do elemento da quinta linha e segunda coluna da matriz [D] pelo valor -1,

conservando os demais valores da linha como nulos, e considerando, na última linha do vetor

{∆h}, o valor do fluxo nessa direção.

A solução do sistema de equações (4.8) resulta em aproximações que levam em conta a

condição de fluxo conhecido, como apresentado na equação (4.9):

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

5554535251

4544434241

3534333231

2524232221

1514131211

aaaaa

aaaaa

aaaaa

aaaaa

aaaaa

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

0x

0x

04

03

02

01

Kq

hh

hh

hh

hh

=

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

∂∂

∂∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

2

2

2

2

2

yhyxh

xhyhxh

(4.9)

Assim, para pontos no contorno, os operadores da equação (4.1) passam a ser dados pelas

seguintes expressões:

0x

xo35

4

1i0ii32

2

Kq

.a)hh(ax

h+−=

∂∂ ∑

=

(4.10)

0x

xo55

4

1i0ii52

2

Kq

.a)hh(ay

h+−=

∂∂ ∑

=

(4.11)

Substituindo as equações (4.10) e (4.11) na equação (4.1), obtém-se a forma discretizada da

equação de Poisson para moléculas no contorno, em termos de diferenças finitas:

∑=

+++

∆−

=+++−+4

1i

n0

1n00

0x

0x55y35x

1n0

1nii50yi30x t

hhbS

bR

Kq).aKaK()hh)(aKaK( (4.12)

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52

Portanto, uma solução discreta aproximada do fluxo transiente na zona saturada do solo é

obtida escrevendo-se a equações (4.5) ou (4.12) para os pontos do domínio.

4.2 FLUXO EM SOLO NÃO SATURADO

Considerando o fluxo de água em duas direções em meio não saturado anisotrópico, com os

eixos da condutividade hidráulica K paralelos aos eixos cartesianos, tem-se a equação de

Richards baseada em Ψ para duas dimensões:

t)(C

zK

z)(K

zx)(K

xz

zx ∂Ψ∂

Ψ=∂

∂+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

∂Ψ∂

Ψ∂∂

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

∂Ψ∂

Ψ∂∂ (4.13)

Conforme descrito no ítem (2.4.3) as equações de Richards apresentam uma forte

dependência não linear entre seus parâmetros e a variável dependente, nesse caso representada

pelas relações funcionais entre a condutividade hidráulica K e o coeficiente de capacidade C

com a carga matricial ψ. A não linearidade inerente a essa equação, gera o aparecimento de

operadores diferenciais, como os representados pelos dois primeiros termos na equação

(4.13), que não são contemplados no método de diferenças finitas para malhas arbitrárias.

A abordagem utilizada neste trabalho, assume uma variação espacial da condutividade

hidráulica, uma vez que sendo K função de ψ, K=K(ψ(x,z)), é possível considerar K=K(x,z).

Derivando-se a equação (4.13) com relação as coordenadas espaciais, obtém-se a expressão:

t)(C

zK

zK

zzK

xK

xxK z

2

2

zz

2

2

xx

∂Ψ∂

Ψ=∂

∂+

∂Ψ∂

+∂Ψ∂

∂∂

+∂

Ψ∂+

∂Ψ∂

∂∂ (4.14)

Assim, os operadores passam a ser considerados de maneira explícita, sendo possível gerar

formas discretas de aproximação.

Diferentemente do caso linear, para cada ponto do domínio estão envolvidas as discretizações

de operadores para duas variáveis, K e Ψ, funções das coordenadas espaciais. Então, para uma

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53

molécula com “m” pontos envolventes, o processo de desenvolvimento das funções em série

de Taylor resulta nas seguintes formas discretizadas dos operadores da equação (4.14):

∑=

−=∂

∂ m

1i0xixi1

x )KK(ax

K (4.15a )

∑=

−=∂

∂ m

1i0zizi2

z )KK(az

K (4.15b)

∑=

Ψ−Ψ=∂Ψ∂ m

1i0ii1 )(a

x (4.15c)

∑=

Ψ−Ψ=∂Ψ∂ m

1i0ii2 )(a

z (4.15d)

∑=

Ψ−Ψ=∂

Ψ∂ m

1i0ii32

2

)(ax

(4.15e)

∑=

Ψ−Ψ=∂

Ψ∂ m

1i0ii52

2

)(az

(4.15f)

em que: aij : elementos da matriz [A] da molécula centrada no nó 0

Assumindo uma discretização implícita com esquema iterativo de Picard, chega-se a forma

discretizada da equação de Richards para moléculas internas do domínio, em termos de

diferenças finitas, bastando substituir as equações (4.15) na equação (4.14):

tC)KK(a

)(aK)(a)KK(a

)(aK)(a)KK(a

n0

1n,1r0

0

m

1i

1n,r0z

1n,rzii2

m

1i

1n,1r0

1n,1ri

m

1ii5

1n,r0

m

1i

1n,1r0

1n,1rii2

1n,r0z

1n,rzii2

m

1i

1n,1r0

1n,1ri

m

1ii3

1n,r0

m

1i

1n,1r0

1n,1rii1

1n,r0x

1n,rxii1

∆Ψ−Ψ

=−+

Ψ−Ψ⋅+Ψ−Ψ⋅−

+Ψ−Ψ⋅+Ψ−Ψ⋅−

++

=

++

=

++++

=

+

=

++++++

=

++++

=

+

=

++++++

∑ ∑∑

∑ ∑∑

(4.16 )

em que: r: representa o índice de iteração.

n: índice de tempo

Ψi: valores de Ψ nos pontos envolventes da molécula

Ψ0: valor de Ψ no ponto central da molécula

Ki: valores de K nos pontos envolventes da molécula

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54

K0: valor de K no ponto central da molécula

C0: coeficiente de capacidade no ponto central da molécula

Para simplicar a equação (4.16) é possível fazer:

∑=

−=m

1i0xxii10x )KK(aK (4.17)

∑=

−=m

1i0zzii20z )KK(aK (4.18)

Substituindo as equações (4.17) e (4.18) na equação (4.16) e rearranjando os termos, chega-se

a:

( )( )n

01n,1r

o0

1n,r0z

1n,1r0

1n,1rj

m

1jj5

1n,r0zj3

1n,r0xj2

1n,r0zj1

1n,r0x

tC

K)(aKaKaKaK

Ψ−Ψ∆

=

+Ψ−Ψ⋅⋅+⋅+⋅+⋅

++

+++++

=

++++

∑ (4.19)

Nesse caso, os valores associados a variável K num ponto são estimados a partir do valor de ψ

no mesmo ponto, por meio da curva característica do solo K(ψ). Seguindo a lógica do

esquema iterativo de Picard, esses valores são avaliados na iteração anterior (r),onde se

conhece o valor de ψ, restando com incógnitas os valores de carga matricial na iteração

seguinte (r+1) no tempo futuro (n+1).

Em pontos sobre o contorno do tipo Neumann, considera-se duas equações possíveis para o

fluxo, nas direções x e z respectivamente:

xKq xx ∂

Ψ∂−= (4.20)

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

∂Ψ∂

−= 1z

Kq zz (4.21)

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55

Para adicionar as condições válidas no contorno ao problema, as expressões (4.20) ou (4.21)

devem ser incorporadas às equações de diferenças correspondentes a variável ψ, como na

equação (4.8) . Assumindo moléculas de cinco pontos no contorno e dependendo do tipo de

fluxo conhecido no problema, duas equações de diferenças podem ser consideradas:

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

Ψ−Ψ

Ψ−Ψ

Ψ−Ψ

Ψ−Ψ

0x

0x

04

03

02

01

K q

=

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

∆∆∆

∆∆∆

∆∆∆

∆∆∆

∆∆∆

∆∆∆

∆∆∆

∆∆∆

00001

2z

zx2x

zx

2z

zx2x

zx

2z

zx2x

zx

2z

zx2x

zx

24

44

24

44

23

33

23

33

22

22

22

22

21

11

21

11

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

∂Ψ∂

∂∂Ψ∂

∂Ψ∂

∂Ψ∂

∂Ψ∂

2

2

2

2

2

z

zx

x

z

x

(4.22)

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

+

Ψ−Ψ

Ψ−Ψ

Ψ−Ψ

Ψ−Ψ

0z

0z

04

03

02

01

K q1

=

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

∆∆∆

∆∆∆

∆∆∆

∆∆∆

∆∆∆

∆∆∆

∆∆∆

∆∆∆

00010

2z

zx2x

zx

2z

zx2x

zx

2z

zx2x

zx

2z

zx2x

zx

24

44

24

44

23

33

23

33

22

22

22

22

21

11

21

11

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

∂Ψ∂

∂∂Ψ∂

∂Ψ∂

∂Ψ∂

∂Ψ∂

2

2

2

2

2

z

zx

x

z

x

(4.23)

Entretanto, nenhuma modificação deve ser feita nas matrizes de diferenças correspondentes a

função K(x,z). As equações de fluxo, válidas no contorno, não envolvem operadores

diferenciais que levem em consideração as derivadas de K(x,z). Assim, o sistema de equações

de diferenças, para essa variável, para moléculas de seis pontos no contorno continua a ser

expresso por:

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56

z,x05

04

03

02

01

K K

K K

K K

K K

KK

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

=

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

∆∆∆

∆∆∆

∆∆∆

∆∆∆

∆∆∆

∆∆∆

∆∆∆

∆∆∆

∆∆∆

∆∆∆

2y

yx2x

yx

2y

yx2x

yx

2y

yx2x

yx

2y

yx2x

yx

2y

yx2x

yx

25

55

25

55

24

44

24

44

23

33

23

33

22

22

22

22

21

11

21

11

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

∂∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

2z,x

2

z,x2

2z,x

2

z,x

z,x

zK

zxKxKz

Kx

K

(4.24)

Dessa forma, as moléculas no contorno passam a ter duas composições diferentes sendo de

cinco pontos para a função ψ e seis ou mais pontos para K e, portanto, diferentemente das

moléculas internas ao domínio, as matrizes [D] para as duas variáveis não coincidem.

A solução dos sistemas (4.22) ou (4.23), e (4.24), resultam nas possíveis aproximações das

derivadas de ψ e K para moléculas no contorno, respectivamente:

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎡ ∗

*55

*54

*53

*52

*51

*45

*44

*43

*42

*41

*35

*34

*33

*32

*31

*25

*24

*23

*22

*21

*15

*14

*13

*1211

aaaaa

aaaaa

aaaaa

aaaaa

aaaaa

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

Ψ−Ψ

Ψ−Ψ

Ψ−Ψ

Ψ−Ψ

0x

0x

04

03

02

01

K q

=

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

∂Ψ∂

∂∂Ψ∂

∂Ψ∂

∂Ψ∂

∂Ψ∂

2

2

2

2

2

z

zx

x

z

x

(4.25)

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57

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

**55

**54

**53

**52

**51

**45

**44

**43

**42

**41

**35

**34

**33

**32

**31

**25

**24

**23

**22

**21

**15

**14

**13

**12

**11

aaaaa

aaaaa

aaaaa

aaaaa

aaaaa

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

+

Ψ−Ψ

Ψ−Ψ

Ψ−Ψ

Ψ−Ψ

0z

0z

04

03

02

01

K q1

=

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

∂Ψ∂

∂∂Ψ∂

∂Ψ∂

∂Ψ∂

∂Ψ∂

2

2

2

2

2

z

zx

x

z

x

(4.26)

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

5554535251

4544434241

3534333231

2524232221

1514131211

aaaaa

aaaaa

aaaaa

aaaaa

aaaaa

z,x05

04

03

02

01

K K

K K

K K

K K

KK

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

=

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

∂∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

2z,x

2

z,x2

2z,x

2

z,x

z,x

zK

zxKxKz

Kx

K

(4.27)

Note que os elementos das matrizes [A*] e [A**] para as aproximações em Ψ diferem da

matriz [A] para as aproximações em K. A forma discretizada da equação (4.14) para

moléculas no contorno, considerando-se o processo iterativo de Picard e assumindo-se

moléculas de cinco pontos para a variável Ψ, passa a ser escrita nas formas a seguir,

dependendo do fluxo considerado:

( )( )

( )n0

1n,1ro

0

1n,r0z1nr,

x0

0x *55

1n,r0z

*35

1n,r0x

*25

1n,r0z

*15

1n,r0x

1n,1r0

1n,1rj

4

1j

*j5

1n,r0z

*j3

1n,r0x

*j2

1n,r0z

*j1

1n,r0x

tC

KKq

.aKaKaKaK

)(aKaKaKaK

Ψ−Ψ∆

=

+⋅+⋅+⋅+⋅+

+Ψ−Ψ⋅⋅+⋅+⋅+⋅

++

+

+++++

++++

=

++++

(4.28)

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58

( )( )

( )n0

1n,1ro

0

1n,r0z1nr,

z0

0z**55

1n,r0z

**35

1n,r0x

**25

1n,r0z

**15

1n,r0x

1n,1r0

1n,1rj

4

1j

**j5

1n,r0z

**j3

1n,r0x

**j2

1n,r0z

**j1

1n,r0x

tC

K)Kq

1.(aKaKaKaK

)(aKaKaKaK

Ψ−Ψ∆

=

++⋅+⋅+⋅+⋅+

+Ψ−Ψ⋅⋅+⋅+⋅+⋅

++

+

+++++

++++

=

++++

(4.29)

Uma solução discreta aproximada para a equação de Richards pode ser obtida aplicando as

equações (4.19), (4.28) ou (4.29) para todas as moléculas do domínio.

4.3 PROGRAMAS COMPUTACIONAIS DESENVOLVIDOS UTILIZANDO O

MÉTODO DE DIFERENÇA FINITAS PARA MALHAS ARBITRÁRIAS (MDFMA)

As formulações desenvolvidas nos ítens 4.1 e 4.2 foram codificadas em programas

computacionais na linguagem Fortran 90/95. Seguindo a mesma metodologia das formulações

numéricas, dois programas distintos correspondentes ao fluxo em meio saturado e ao fluxo em

meio não saturado, foram desenvolvidos.

Neste item a estrutura básica dos programas desenvolvidos é apresentada, por meio de

fluxograma, e as etapas são explicadas levando-se em consideração a ordem de execução.

4.3.1 Programa para a simulação do fluxo em meio saturado

Para o fluxo em meio saturado, os programas desenvolvidos possuem uma estrutura bastante

simples por se tratar de um problema linear, onde se tem uma única variável dependente a ser

determinada e não há necessidade de processo iterativo. Basicamente, três blocos diferentes

podem ser considerados no desenvolvimento computacional dessa etapa:

- a leitura dos dados de entrada;

- a determinação dos coeficientes correspondentes às aproximações e à alocação no sistema

de equações global;

- a resolução do sistema linear resultante e a obtenção da variável no instante futuro.

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59

• Entrada de dados

Essa etapa refere-se à leitura, via arquivo, dos parâmetros necessários para a simulação

referentes às características do aquífero, à malha de discretização, além da incidência das

moléculas que inclui o número de pontos envolventes e os nós que as compõem. São lidas

também as condições inicias e de contorno.

• Geração das aproximações

A geração das aproximações corresponde à etapa em que são determinados os coeficientes

envolvidos na discretização dos operadores diferenciais. Nessa fase, a matriz de diferenças

[D] é determinada para cada molécula do domínio, inclusive as localizadas sobre o contorno.

Conforme o número de pontos envolventes de cada molécula, a matriz [A] é calculada, por

processo de minimização ou de forma direta, e os elementos correspondentes às terceira e

quinta linhas são armazenados na matriz [AG]. A cada duas linhas da matriz [AG],

correspondem, então, os elementos necessários para a discretização dos operadores presentes

na equação sobre cada molécula. O fluxograma 4.1 mostra a sequência das etapas

desenvolvidas.

• Montagem da matriz global do sistema

A montagem da matriz global [P] do sistema é feita com base nos elementos da matriz [AG]

determinada anteriormente. Para cada molécula, aloca-se os coeficientes guardados na matriz

[AG], na matriz global do sistema [P] tomando-se a numeração global dos nós da molécula na

malha de discretização.

Cada linha de [P] corresponde, então, aos coeficientes da variável h, no tempo futuro, na

equação (4.1) discretizada. Os termos constantes são armazenados em um vetor coluna {B},

representando o segundo membro das equações. Cada equação do sistema global representa,

então, a equação de Poisson na sua forma discretizada para um ponto do domínio.

Impondo-se as condições de contorno do tipo de Dirichlet ao problema e eliminando-se as

linhas e colunas correspondentes a esses nós de contorno, passa-se a conhecer o sistema

global de equações lineares do problema, com solução única.

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60

Geração das aproximações

Cálculo de [D]

Cálculo de [A]

Guardar 3ª e 5ª linhas de [A] em [AG]

Montagem da matriz global [P]

vetor {h}it >itmax

end

1

não

sim

Solução do sistema linear

Entrada de dados

Figura 4.1 – Estrutura do programa para simulação fluxo em meio saturado pelo MDFMA

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61

• Solução do sistema linear

O sistema linear foi resolvido por meio do algoritmo de decomposição LU. A solução do

sistema linear resulta nos valores da carga hidráulica no tempo seguinte (it). Se o it supera o

tempo total de simulação requerido (itmax), o programa pára e devolve os valores de carga

hidráulica no fim da simulação. Caso contrário, procede-se novas iterações até se chegar ao

tempo final de simulação requerido pelo modelador.

4.2.2 Programa para simulação do fluxo em meio não saturado pelo MDFMA

Para o programa de fluxo não saturado algumas modificações foram incluídas para retratar a

não linearidade do problema. Os programas desenvolvidos incluem o esquema iterativo de

Picard e um algoritmo de ajuste de tempo que permite o uso de incremento de tempo variável.

Assim, o incremento de tempo é aumentado quando a convergência é atingida e diminuído

quando o número máximo de iterações por passo de tempo for atingido. Trata-se do mesmo

algoritmo utilizado por Koide (1990) e, posteriormente, por Campos (1998).

A estrutura geral do programa pode ser observada no fluxograma da Figura 4.2 onde:

iterto = número máximo de iterações;

iter = número de iterações;

maxit = número máximo de iterações no tempo;

k = nível de iteração no tempo;

itmax = número máximo de iterações dentro de cada ∆t;

tk = tempo na iteração k;

tmax = tempo total de simulação

• Dados de entrada

Os dados de entrada necessários à simulação correspondem aos dados referentes ao problema,

como tipo de solo, condições iniciais e de contorno, parâmetros do solo, e dados de

simulação, como a malha utilizada e a incidência das moléculas, incremento de tempo padrão,

tolerância de erro admitida, número máximo de iterações, etc.

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62

• Geração das aproximações

A etapa de geração das aproximações, parte (A) no fluxograma, consiste de três fases

distintas, a saber: o cálculo da matriz [D], cálculo da inversa de [D] obtendo-se a matriz [A],

armazenamento das 1ª, 2ª, 3ª e 5ª linhas da matriz [A], na matriz [AG]. A matriz [AG] guarda,

então, os elementos necessários para a discretização dos operadores diferenciais da variável K

para todos os pontos do domínio e de Ψ para pontos internos. Isso porque, nessa fase não está

incluído o cálculo da matriz [D] para pontos no contorno, com relação as derivadas que

envolvam a variável Ψ. Como já colocado, no contorno do tipo Neumann a estrutura das

moléculas para aproximação dos operadores em Ψ é diferente das moléculas para a obtenção

das aproximações dos operadores em K. Para moléculas no contorno a matriz [A], com

relação a variável Ψ, é calculada na fase (C) do fluxograma.

• Montagem da matriz global [P]

No cálculo dos elementos da matriz global, correspondente à etapa (C) do fluxograma, aloca-

se, para cada molécula, os elementos guardados na matriz [AG] na matriz global [P],

tomando-se a numeração global dos nós envolvidos. Para pontos no contorno do tipo

Neumann, determina-se as matrizes [A*] ou [A**] para a variável Ψ, levando-se em conta a

condição de fluxo presente, e, em seguida, aloca-se os coeficientes obtidos, na matriz global

do sistema [P].

Cada linha da matriz [P] corresponde, então, aos coeficientes da variável Ψ na equação de

Richards discretizada, correspondente às equações 4.19, 4.26 ou 4.27, para uma molécula. Os

termos constantes, a cada iteração, são armazenados em um vetor coluna {B} correspondente

ao segundo membro do sistema de equações.

Eliminando-se as linhas e colunas do sistema global correspondentes aos nós do contorno tipo

Dirichlet, chega-se ao sistema de equações global cuja solução corresponde aos valores da

pressão matricial no tempo futuro, na iteração presente.

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63

Entrada de dados

Geração das aproximações

Cálculo de [D]

Cálculo de [A]

Guardar 1ª,2ª,3ª e 5ª linhas de [A] em [AG]

to=0, k=1

tk=tk+DTT

Estimativa de Ψ inicial

iter=1

Cálculo das funções de solo K(Ψ), C(Ψ)

Cálculo dos elementos da matriz global [P]

Vetor Ψ Converge?

iterto=iterto+iter

Cálculo do incremento de

tempo DTT

tk>=tmax ? END

k>maxit ?

k=k+1

iter=0

iter>itmax ? iter=iter+1

Supera nº máx de divisões

Diminui DTTiterto=iterto+iter

1

3

4

2

3

1

4

1

STOP

2

sim

não

sim

não

não

sim

não

sim

sim

não

Solução do sistema linear

(A)

(B)

(C)

Figura 4.2 – Estrutura do programa desenvolvido para a simulação do fluxo em meio não

saturado utilizando o MDFMA.

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64

• Verificação da convergência e incremento de tempo

Para que seja dado um passo de tempo é necessário, primeiramente, verificar a convergência

do sistema. Para tanto, calcula-se o erro relativo cometido entre duas iterações:

ER = maxm

m

||||

Ψ∆Ψ , m=1,..., nº total de nós (4.28)

em que: ∆Ψ = 1n,rm

1n,1rm

+++ Ψ−Ψ

Para que haja convergência, é preciso que o erro relativo seja menor que um fator de

tolerância (TOL) adotado. Dependendo da convergência do sistema o algoritmo de ajuste do

tempo é ativado. Na simulação numérica do fluxo não saturado, o incremento de tempo

(DTT) pode ser pré-fixado ou variar com as condições de convergência. No segundo caso,

adota-se um valor máximo (DT) para DTT. Na primeira iteração faz-se DTT=DT, sendo o

tempo calculado na forma:

tk = tk-1+DTT (4.29)

O incremento de tempo padrão serve de referência para o incremento DTT. Quando a

convergência é atingida normalmente, DTT assume o mesmo valor de DT. Quando a

convergência não é conseguida após um número máximo de iterações (itmax), aplica-se uma

redução em DTT dividindo o seu valor por 3. Essa divisão ocorre em um número limitado de

vezes (MAXDIV), e se a convergência não é atingida o programa pára. Após a divisão do

valor de DTT, caso ocorra convergência, o incremento de tempo é aumentado segundo a

equação 2.28, até que atinja o valor de DT ou que nova divisão seja necessária.

De modo geral o algoritmo de ajuste de tempo pode ser descrito da seguinte forma:

a) verifica-se a convergência e caso não seja atingida, verifica-se:

- se o número de iterações é menor ou igual ao máximo permitido dentro de cada iteração

de tempo, procede-se nova iteração;

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65

- se o número de iterações é maior que o máximo permitido dentro de cada iteração no

tempo, verifica-se se é possível dividir DTT;

- se for possível, divide-se DTT, restabelece-se o valor anterior do tempo e procede-se nova

iteração para outro DTT;

- se não for possível o programa pára;

b) se a convergência é atingida:

- se DTT≠DT, calcula-se o novo valor de DTT pela equação (2.28);

- se o tempo máximo e o número de iterações não forem superados, procede-se nova

iteração no tempo.

4.4 OUTRAS FORMULAÇÕES UTILIZADAS

Para comparar os resultados obtidos pelo método de diferenças finitas para malhas arbitrárias,

utilizaram-se outras técnicas numéricas, o método de diferenças finitas convencional e

método dos elementos finitos.

No caso de fluxo em solo saturado foi desenvolvido, neste trabalho, um programa em

elementos finitos considerando elementos triangulares com aproximações lineares das funções

de forma. Os resultados obtidos serviram de comparação para os casos de utilização de malha

de elementos finitos triangulares no método de diferenças finitas para malhas arbitrárias.

Optou-se por desenvolver o programa para melhor controle da simulação em termos de

comparação com o MDFMA.

Para o fluxo de água em solo não saturado foram desenvolvidos, neste trabalho, programas

em diferenças finitas convencional utilizando a formulação original proposta por Freeze

(1971). Nessa formulação utiliza-se uma malha de discretização bloco-centrada e lineariza-se

as propriedades do solo. Para a comparação com o método dos elementos finitos utilizou-se

os resultados obtidos por Campos (1998) em sua dissertação de mestrado. Campos (1998)

utilizou, dentre várias outras opções, a formulação originalmente proposta por Neuman

(1973). Nessa formulação, considera-se elementos finitos triangulares, com aproximações

lineares para a função Ψ, assim como para as propriedades do solo K e C. Os resultados

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66

obtidos por Campos (1998), foram simulados utilizando o programa computacional SSFLO

desenvolvido por Koide (1990) e modificado pela própria autora.

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67

5. APLICAÇÕES E ANÁLISE DOS RESULTADOS

5.1 CASOS-TESTE

Neste item, são apresentados exemplos de aplicações utilizando o método de diferenças finitas

para malhas arbitrárias. Os testes foram divididos em duas partes: a primeira diz respeito ao

fluxo de água em meio saturado e consiste de uma análise de problemas com comportamento

linear; a segunda está relacionada a simulação do fluxo em meio não saturado

correspondendo, portanto, a uma análise de problemas não lineares.

5.1.1 Problemas de fluxo em solo saturado 5.1.1.1 Bombeamento em aquífero

O primeiro exemplo testado trata de um caso hipotético de aquífero confinado, homogêneo e

isotrópico sujeito a uma taxa de bombeamento constante. A área do aquífero foi adotada de

dimensões 4000m x 4000m para manter a pressão da água constante em todo o contorno, de

modo a garantir apenas condições de Dirichlet no problema. A descrição física do problema

está indicada na Figura 5.1.

Inicialmente, o aquífero apresenta uma carga hidráulica uniforme de 10m e esse mesmo valor

foi adotado como condições de contorno: h(x,0) = 10m, h(x,4000) = 10m, h(0,y) = 10m e

h(4000,y) = 10m. A fonte de bombeamento está localizada no centro do domínio, nas

coordenadas (2000m, 2000m). Os parâmetros do aquífero tem os seguintes valores:

Kx = Ky = 30 m/dia (condutividades hidráulicas nas direções x e y)

S = 0,002 (coeficiente de armazenamento)

Q = 1000 m3/dia (vazão de bombeamento)

b = 10m (espessura do aquífero)

A carga hidráulica no aquífero foi determinada para um tempo total de 5 dias de

bombeamento, sendo o intervalo de simulação de ∆t=0,01dia. O resultado obtido via

simulação numérica foi comparado com a solução analítica dada pela equação de Theis

(Driscoll, 1986).

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68

0 4000

Coordenada x(m)

0

4000

Coo

rden

ada

y(m

)

h = 10m

h = 10m

h =

10m

h = 10mBombeamento

Figura 5.1 – Descrição física do problema com suas condições de contorno

5.1.1.2 Bombeamento e recarga simultâneos em um aquífero

Neste exemplo, um aquífero confinado, homogêneo e isotrópico foi submetido a taxas

constantes de bombeamento e recarga, simultaneamente. As dimensões do aquífero adotadas

foram de 4000m x 4000m e considerou-se a presença de uma barreira impermeável. A fonte

de bombeamento foi localizada nas coordenadas (500m, 2000m), e a de recarga, nas

coordenadas (1000m, 2000m). A descrição física do problema é apresentada na figura 5.2.

Inicialmente, o aquífero apresenta uma carga hidráulica de 10m e esse mesmo valor é mantido

nos contornos h(x,0) = 10m, h(x,4000) = 10m e h(4000,y) = 10m, onde devido a distância às

fontes de recarga e bombeamento não ocorrem alterações no valor da carga hidráulica durante

a simulação. No contorno correspondente à barreira impermeável o fluxo é nulo. Os

parâmetros utilizados para o aquífero correspondem aos mesmos do caso anterior, entretanto

as vazões de bombeamento e recarga foram adotadas de 1500 m3/dia. A solução analítica foi

obtida por meio de uma composição da solução de Theis, para cada poço separadamente,

utilizando-se o artifício de poços virtuais para simular o fluxo nulo no contorno impermeável.

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69

0 4000

Coordenada x (m)

0

4000

Coo

rden

ada

y (m

)Bombeamento

Recarga

q =

0

h = 10m

h = 10m

h = 10m

Figura 5.2 – Descrição física do problema de aquífero submetido a recarga e bombeamento

5.1.2 Problema de fluxo em solo parcialmente saturado

5.1.2.1 Experimento de Elmaloglou (1980)

O experimento foi realizado em uma caixa com uma amostra de solo de 80cm de altura com

dois tipos diferentes de solo. A camada superior de 44,5cm continha areia grossa posicionada

sobre uma camada inferior de solo fino. A amostra foi submetida a uma taxa de infiltração

constante de 0,78cm/h sobre a superfície de areia, sendo o valor da umidade medido ao longo

do perfil de solo.

Os parâmetros dos solos e suas curvas características foram determinados por Elmaloglou

(1980):

resressat ||)()( θ+

Ψ+αα

θ−θ=Ψθβ

(5.1)

Bsat ||AAK)(KΨ+

=Ψ (5.2 )

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70

Os parâmetros para os dois tipos de solo são apresentados na Tabela 5.1:

Tabela 5.1 – Parâmetros das curvas características no Experimento de Elmaloglou (1980)

Parâmetro Areia Grossa Areia Fina

θsat (cm3/cm3) 0,270 0,312

θres (cm3/cm3) 0,060 0,208

Ksat (cm/h) 18,0 0,72

α 5,6241x104 6,0359x106

β 3,163 3,922

A 3,098x107 769,4

B 6,355 2,349

Embora o caso seja tipicamente unidimensional, tem-se a oportunidade de testar o modelo em

solos estratificados já que a interface de diferentes solos é uma das principais fontes de erro

em simulações numéricas. Os valores experimentais obtidos por Elmaloglou (1980), no tempo

inicial e após 3, 5, 7, 9, e 11h são apresentados na Figura 5.3.

0

20

40

60

80

Prof

undi

dade

(cm

)

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40Umidade do Solo

Interface

0h

Dados Experimentais

3h5h7h9h11h

Figura 5.3 – Perfil de umidade obtido experimentalmente por Elmaloglou (1980)

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71

5.1.2.2 Caso teórico de Rathfelder e Abriola (1994)

Esse exemplo trata de um caso teórico que envolve infiltração sob carga vertical constante na

superfície superior, aplicado a um tipo de solo real.

O caso é unidimensional e apresenta condições iniciais muito secas. A carga de pressão inicial

é -1000cm, apresentando uma variação brusca durante o processo de umedecimento, o que

torna o caso difícil de ser resolvido numericamente.

As curvas das propriedades do solo de uma amostra do Novo México, foram apresentadas em

Celia et al. (1990):

( )( )[ ] rmn

rs

1θ+

Ψα+

θ−θ=Ψθ (5.3 )

( )( ) ( )[ ]

( )[ ] 2/mn

2mn1n

s1

11KK

Ψα+

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧ Ψα+Ψα−

−−

(5.4)

onde: α = 0,035

θs = 0,368

θr = 0,102

n = 2

m = 0,5

Ks = 0,00922 cm/h

O caso foi simulado para condições iniciais de Ψ(x,z)=-1000cm e condições de contorno de

Dirichlet, constantes, com valores de Ψ = -75cm no topo e Ψ = -1000cm no fundo,

correspondendo à profundidade de 30cm. As simulações realizadas foram comparadas com a

solução exata semi-analítica desenvolvida por Philip (1969), apud Rathfelder e Abriola

(1994), mostrada na Figura 5.4.

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72

-1200 -1000 -800 -600 -400 -200 0-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

Prof

undi

dade

(cm

)

-1200 -1000 -800 -600 -400 -200 0Potencial de Sucção (cm)

Solução Analítica

Figura 5.4 – Solução de Philip (1969) para o caso teórico de Rathfelder e Abriola (1994)

5.1.2.3 Experimento de Vauclin et al. (1979)

O experimento de Vauclin et al. (1979) foi desenvolvido com o objetivo de estudar a análise

de recarga de aquíferos. O experimento foi montado em um tanque de laboratório com 3m de

largura, 2m de altura e 5cm de espessura, preenchido com areia fina de distribuição

granulométrica uniforme e o nível freático mantido constante a 135cm do topo pela rede de

drenagem. Na parte inferior do tanque a superfície era impermeável. Na parte superior

esquerda foi instalada uma bomba volumétrica na extensão de x=0 a x=50cm. O restante da

superfície superior do tanque foi coberto para evitar evaporação. Após estabilizado o nível

freático, aplicou-se uma taxa de recarga constante de 14,8 cm/h, através de bomba. A Figura

5.5 mostra o diagrama esquemático do experimento. Como na seção de simetria não há fluxo,

foi montado apenas uma das seções do esquema no experimento como mostrado na Figura

5.6.

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73

Figura 5.5 – Diagrama esquemático do experimento (modificado – Vauclin et al., 1979)

Figura 5.6 – Detalhe do experimento (modificado – Vauclin et al., 1979)

A umidade volumétrica foi obtida com atenuação de raios gama, emitidos por uma fonte

Am24 e a carga de pressão foi obtida via 20 tensiômetros. Pelo método dos mínimos

quadrados determinou-se a seguinte curva de retenção do solo:

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74

*

||)( sat βΨ+α

αθ=Ψθ Ψ ≤ 0 (5.5)

onde: θsat = 0,30

α = 4000

β = 2,9

A curva K(ψ) foi determinada por meio da análise do fluxo bidimensional em vários

experimentos de infiltração:

*B*

*

sat||A

AK)(KΨ+

=Ψ (5.6)

onde: Ksat = 35cm/h

A* = 2,99x106

B* = 5,0

A análise de Vauclin et al. (1979) baseou-se em vários resultados, dos quais utilizou-se, neste

estudo, o gráfico da Figura 5.7, que indica a mudança de posição do nível freático com o

tempo.

Figura 5.7 – Posição do nível freático em diferentes tempos (modificado–Vauclin et al., 1979)

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75

5.2 RESULTADOS E ANÁLISES

5.2.1 Fluxo em solo saturado

5.2.1.1 Bombeamento em aquífero

Os testes realizados para este exemplo são divididos em três fases, de acordo com a malha de

discretização utilizada. Na primeira etapa considera-se uma malha de discretização regular

quadrada com os pontos espaçados de uma distância de 250m, totalizando 294 nós, conforme

mostrado na Figura 5.8.

Para essa configuração inicial, foram testados dois tipos de moléculas: moléculas de seis

pontos e moléculas de nove pontos. Os resultados apresentados nas Figuras 5.9 e 5.10

correspondem aos valores de carga hidráulica obtidos numericamente em pontos de

coordenadas (x,2000) localizados à direita da fonte de bombeamento e comparados com a

solução analítica dada pela equação de Theis (Driscoll, 1986). Como o problema é

radialmente simétrico, não há necessidade de apresentar o corte pelos dois lados do poço.

Os resultados obtidos para moléculas de seis pontos, praticamente coincidiram com a solução

analítica em toda a extensão do domínio. A utilização desse tipo de molécula em malha

regular quadrada resgata as aproximações convencionais de diferenças finitas centradas e,

portanto, a boa performance da técnica pode ser atribuída a tal fato uma vez que, nesse caso,

os coeficientes atribuídos aos pontos das moléculas são bem balanceados .

A utilização de moléculas de nove pontos, entretanto, introduziu um erro visível na solução

numérica em uma determinada região do domínio nas proximidades do bombeamento onde é

dado início a uma variação mais acentuada no gradiente da função. Ocorreu uma mudança na

forma da curva, afastando-a da solução analítica e, nesse caso, os fatores de ponderação

obtidos no processo de minimização não parecem suficientes para representar o problema de

forma tão precisa quanto a molécula de seis pontos.

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76

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Coordenada x (m)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

Coo

rden

ada

y(m

)

Figura 5.8 – Discretização do domínio em malha regular quadrada de 250m x 250m.

0 400 800 1200 1600 2000Distância ao poço (m)

7.00

7.50

8.00

8.50

9.00

9.50

10.00

Car

ga h

idr

ulic

a (m

) Solução Analítica

MDFMA (6 Pontos)

Figura 5.9 – Resultado obtido na utilização de moléculas de seis pontos em malha regular

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77

0 400 800 1200 1600 2000Distância ao poço (m)

7.00

7.50

8.00

8.50

9.00

9.50

10.00

Car

ga h

idr

ulic

a (m

) Solução Analítica

MDFMA (9 Pontos)

Figura 5.10– Resultado obtido utilizando-se moléculas de nove pontos em malha regular

Um segundo nível de discretização, para o mesmo problema, foi testado. Trata-se de uma

malha com uma estrutura irregular, onde procurou-se manter um afastamento maior dos

pontos na região mais distante da fonte de bombeamento e uma densidade de pontos maior na

região de variação acentuada do gradiente da função próximo à fonte. A malha utilizada está

representada na Figura 5.11 e totaliza 121 nós. Para a simulação, foram utilizadas moléculas

de seis pontos e novamente os resultados foram comparados com a solução analítica, como

mostrado na Figura 5.12.

O resultado obtido numericamente se apresentou tão bom quanto aquele conseguido para

malha regular, coincidindo com a solução analítica. É importante destacar que a malha

utilizada nesse caso não permite a aplicação do método convencional de diferenças finitas.

Para tanto, seria necessário a continuação do refinamento da malha para toda a linha e toda

coluna adensada próxima a região de bombeamento.

A possibilidade de adensamento apenas em uma determinada área resulta em uma economia

do número de pontos sem que haja perda de precisão na solução. Essa redução do número de

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78

pontos, levada para uma esfera de problemas de grande porte, pode ser traduzida por um

ganho significativo de tempo de processamento computacional.

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Coordenada x(m)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

Coo

rden

ada

y(m

)

Figura 5.11 – Discretização do domínio em malha irregular adensada próximo ao

bombeamento

0 400 800 1200 1600 2000Distância ao poço (m)

7.00

7.50

8.00

8.50

9.00

9.50

10.00

Car

ga h

idr

ulic

a (m

) Solução Analítica

MDFMA (6 Pontos)

Figura 5.12 - Resultado obtido na utilização de moléculas de nove pontos em malha irregular

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79

Um terceiro tipo de discretização foi considerado na análise do mesmo problema. O domínio

foi representado por uma malha de elementos finitos triangulares, com 274 nós, gerada

automaticamente utilizando o programa EasyMesh (Niceno, 1999). Na Figura 5.13 a malha é

apresentada, ilustrando-se alguns tipos de moléculas utilizadas na simulação.

Três simulações iniciais foram realizadas, analisando o comportamento das soluções obtidas

para moléculas com um número fixo de seis, sete e nove pontos. As moléculas foram

montadas considerando os pontos envolventes como sendo os mais próximos ao ponto

central, por meio de um programa computacional desenvolvido neste trabalho.

Os resultados estão apresentados nas Figuras 5.14, 5.15 e 5.16 e são comparados com o

resultados obtidos por meio do método de elementos finitos e com a solução analítica dada

pela equação de Theis.

0 1000 2000 3000 4000

Coordenada x (m)

0

1000

2000

3000

4000

Coo

rden

ada

y (m

)

Figura 5.13 – Discretização do domínio em malha de elementos finitos triangulares

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80

0 400 800 1200 1600 2000Distância ao poço (m)

7.00

7.50

8.00

8.50

9.00

9.50

10.00

Car

ga h

idr

ulic

a (m

) Solução Analítica

MDFMA (6 Pontos)

MEF

Figura 5.14 – Resultados para molécula de seis pontos em malha de elementos finitos

0 400 800 1200 1600 2000Distância ao poço (m)

7.00

7.50

8.00

8.50

9.00

9.50

10.00

Car

ga h

idr

ulic

a (m

) Solução Analítica

MDFMA (7 Pontos)

MEF

Figura 5.15 – Resultados para molécula de sete pontos em malha de elementos finitos

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81

0 400 800 1200 1600 2000Distância ao poço (m)

7.00

7.50

8.00

8.50

9.00

9.50

10.00

Car

ga h

idr

ulic

a (m

) Solução Analítica

MDFMA (9 Pontos)

MEF

Figura 5.16 - Resultados para molécula de seis pontos em malha de elementos finitos

triangulares

Os resultados obtidos na utilização de moléculas de seis pontos, apresentados na Figura 5.14,

apresentaram um erro visível, afastando a solução pelo MDFMA da solução analítica e da

solução por elementos finitos, sendo que esta última praticamente se confunde com a solução

analítica. Os valores obtidos numericamente pelo MDFMA resultam em uma curva mais

suave, não representando tão bem as regiões com variações mais acentuadas do gradiente da

função.

A alteração na solução parece ser devida ao desbalanceamento na estrutura das moléculas,

uma vez que a malha de elementos finitos utilizada apresenta uma estrtutura,

preponderantemente, hexagonal com um ponto central e seis pontos vizinhos mais próximos e

não um ponto central e cinco pontos envolventes como adotado para as moléculas de seis

pontos utilizadas. Nesse caso, os fatores de ponderação encontrados nas aproximações dos

operadores diferenciais, tendem a uma distribuição mal balanceada tornando a solução pouco

acurada.

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82

O aumento de um ponto na composição das moléculas, formando-se moléculas de sete

pontos, aproxima a estrutura das moléculas da estrutura natural preponderante da malha,

resultando numa melhora considerável da solução, como pode ser visto na Figura 5.15.

Certamente, as aproximações obtidas distribuem de forma mais uniforme os coeficientes de

ponderação em volta de toda a molécula.

O uso de moléculas de nove pontos volta a introduzir erros na solução numérica que passa a

diferir da solução pelo MEF, embora em menor escala que quando utilizadas moléculas de

seis pontos. Tal fato parece estar relacionado à adoção de um número excessivo de pontos

para comporem as moléculas, ultrapassando a estrutura natural dos elementos da malha e

desbalanceando a estrutura das moléculas.

Diante das análises feitas, realizou-se uma quarta simulação utilizando estruturas variáveis

para as moléculas na malha. Nesse caso, o número de pontos para comporem as moléculas são

escolhidos de forma variável, conforme a estrutura da malha de elementos finitos presente em

torno de cada ponto do domínio. Os resultados estão apresentados na Figura 5.17.

0 400 800 1200 1600 2000Distância ao poço (m)

7.00

7.50

8.00

8.50

9.00

9.50

10.00

Car

ga h

idr

ulic

a (m

) Solução Analítica

MDFMA (variável)

MEF

Figura 5.17 – Utilização de moléculas com estrutura variável em malha de elementos finitos

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83

A simulação obtida por essa nova abordagem apresentou resultados que praticamente se

confundem com a solução por elementos finitos e com a solução analítica. Nesse caso todas

as moléculas apresentam uma estrutura bem balanceada em torno do seu ponto central, sendo,

portanto, os coeficientes obtidos para as aproximações, bem distribuídos em termos de

distância e de direção.

5.2.1.2 Bombeamento e recarga em aquífero

Os testes realizados para este exemplo são divididos em duas fases, de acordo com a malha de

discretização utilizada. Na primeira etapa considera-se a mesma malha de discretização

regular quadrada, utilizada no exemplo de bombeamento, com os pontos espaçados de uma

distância de 250m, totalizando 294 nós. A Figura 5.18, mostra a estrutura da malha ilustrando

os tipo de moléculas internas e no contorno de fluxo conhecido.

Para essa configuração inicial, foram testados dois tipos de moléculas: moléculas de seis

pontos e moléculas de nove pontos. Em ambos os casos, as moléculas no contorno foram

consideradas como sendo de cinco pontos. Os resultados, apresentados nas Figuras 5.19 e

5.20, foram comparados com a solução analítica dada por uma superposição da equação de

Theis utilizando poços virtuais externos para simular fluxo nulo no contorno.

Os resultados obtidos utilizando moléculas de seis pontos, Figura 5.19, mostraram-se bastante

acurados quando comparados com a solução analítica, representando bem o problema mesmo

nas regiões de variação acentuada do gradiente da função, como próximo ao contorno e

próximo aos pontos de bombeamento e recarga.

Quando utilizadas moléculas de nove pontos, Figura 5.20, os pontos obtidos na solução

numérica, em algumas regiões como próxima ao contorno e próximo a fonte de recarga,

apresentam erros que tendem a alterar a forma da curva obtida. O mesmo fato ocorreu no

exemplo de bombeamento considerando-se moléculas de nove pontos em malha regular. O

uso de nove pontos tende a suavizar a solução e afastá-la da solução analítica em pontos onde

a curvatura é mais acentuada.

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84

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Coordenada x (m)

0

4000

Coo

rden

ada

y(m

)

Figura 5.18 – Discretização do domínio em malha regular quadrada e tipos de moléculas

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000Coordenada x (m)

7.00

8.00

9.00

10.00

11.00

12.00

Car

ga h

idr

ulic

a (m

)

MDFMA (6 pontos)

Solução Analítica

Figura 5.19 – Utilização de moléculas de seis pontos em malha regular quadrada

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85

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000Coordenada x (m)

7.00

8.00

9.00

10.00

11.00

12.00

Car

ga h

idr

ulic

a (m

)

MDFMA (9 pontos)Solução Analítica

Figura 5.20 - Utilização de moléculas de seis pontos em malha regular quadrada

O mesmo exemplo também foi simulado para a malha irregular de elementos finitos

triangulares do exemplo 5.5.1.1. A Figura 5.21 destaca os tipos de moléculas utilizadas.

0 4000

Coordenada x (m)

0

4000

Coo

rden

ada

y (m

)

Figura 5.21 – Malha de elementos finitos triangulares com os tipos de moléculas utilizados

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86

A simulação foi feita, nesse caso, utilizando moléculas com estruturas variáveis, de acordo

com a disposição dos pontos em torno de cada nó, sendo, no contorno, as moléculas

consideradas, de cinco pontos. Os resultados estão apresentados na Figura 5.22, juntamente

com a solução por elementos finitos e a solução analítica.

Como é possível observar, a solução obtida pelo método de diferenças finitas para malhas

arbitrárias se comportou próxima da solução por elementos finitos e da solução analítica.

Próximo ao contorno de fluxo conhecido, entretanto, a solução por diferenças finitas se

aproxima melhor da solução analítica do que a solução por elementos finitos.

0 1000 2000 3000 4000Coordenada x (m)

7.00

8.00

9.00

10.00

11.00

12.00

Car

ga h

idr

ulic

a (m

)

MDFMA (variável)Solução Analítica

MEF

Figura 5.22 – Simulação utilizando moléculas variáveis em malha de elementos finitos

5.2.2 Problemas de fluxo em solo não saturado

Nesta etapa, os modelos desenvolvidos foram testados e comparados com soluções já

conhecidas a saber: resultados experimentais, solução pelo método dos elementos finitos

obtida com o programa desenvolvido por Campos (1998), solução pelo método de diferenças

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87

finitas convencional obtida com o programa desenvolvido neste trabalho, além da solução

analítica.

5.2.2.1 Experimento de Elmaloglou (1980)

Nesse exemplo, os resultados obtidos pelo método de diferenças finitas para malhas

arbitrárias são comparados com os resultados de Campos (1998), por elementos finitos, e com

o método de diferenças finitas convencional, além dos resultados obtidos experimentalmente.

Para se testar o caso unidimensional no modelo bidimensional desenvolvido, considerou-se

uma pequena porção de solo com 4cm de largura e utilizaram-se dois tipos de malha.

Inicialmente, uma malha retangular regular simétrica com elementos de 2,5 cm de altura e

1,5cm próximo a interface, a mesma utilizada por Campos (1998) na análise considerando

elementos finitos triangulares montados sobre essa malha. Posteriormente, foi utilizada uma

malha irregular, de elementos finitos triangulares. As duas malhas utilizadas estão

apresentadas nas Figura 5.23.

A simulações foram realizadas utilizando os seguintes parâmetros:

-Tempo total de simulação (tmax) = 11,0 h

- Incremento de tempo padrão (DT) = 1 h

- Incremento de tempo mínimo (DTMIN) = 10-7h

- Tolerância no erro de Ψ (TOL) = 10-4

- Número máximo de iterações em cada DT (itmax) = 10

- Número máximo de iterações totais (maxit) = 100000

- Número máximo de divisões de DT por 3 (MAXDIV) = 20

Na primeira fase de simulações testou-se o MDFMA utilizando moléculas internas de seis

pontos e de cinco pontos no contorno para a variável Ψ e moléculas de seis pontos para a

variável K, montadas sobre a malha regular apresentada na Figura 5.23a, e comparou-se os

resultados com os obtidos por Campos (1998) e com o MDF convencional. Os resultados

estão mostrados na Figura 5.24.

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88

(a) (b)

Figura 5.23 – (a) malha regular simétrica totalizando 105 nós, e (b) malha de elementos

finitos triangulares com 314 nós.

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89

0

20

40

60

80

Prof

undi

dade

(cm

)

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40Umidade do Solo

Interface

0h

Dados Experimentais

3h5h7h9h11h

MEF (Campos,1998)

MDFMDFMA

(6 Pontos)

Figura 5.24 – Resultados numéricos obtidos para o experimento do Elmaloglou (1980),

utilizando MDFMA com moléculas de 6 pontos em malha regular, MEF e MDF.

O resultado pelo método de diferenças finitas para malhas arbitrárias, para moléculas de seis

pontos, apresentou um adiantamento na frente de umidade. Como é possível observar na

Figura 5.24, a curva correspondente ao tempo de simulação de 5h encontra-se próximo aos

pontos experimentais para 7h de experimento e daí em diante a frente chega sempre adiantada

cerca de 2h, exceto para os resultados correspondentes a 11h de simulação, quando a frente

atinje o fundo (com Ψ considerado conhecido).

Os resultados obtidos por diferenças finitas convencional e por elementos finitos se

comportam de forma semelhante. Ocorre sempre um retardo na chegada da frente de umidade

em relação aos resultados experimentais, sendo um pouco mais acentuado para o MEF. Tal

fato deve estar relacionado com a linearização das propriedade do solo considerada na

formulação de Neuman (1973), utilizada por Campos (1998), e na formulação de Freeze

(1971) utilizada neste trabalho.

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90

Uma distinção entre as formulações utilizadas pelos três métodos está relacionada a

consideração explícita do termo ∂K/∂z na formulação pelo MDFMA, o que não acontece nas

formulações pelos MDF e MEF. Simulações realizadas com o método de diferenças finitas

convencional, considerando a forma explícita da equação de Richards, como a equação (4.14),

para outros problemas com condições iniciais muito secas, não apresentadas neste trabalho,

também mostraram problemas de adiantamento da frente.

Ao contrário dos casos lineares, a utilização de um número distinto de pontos para comporem

as moléculas não resultou em respostas muito diferentes. As simulações feitas com moléculas

de sete e nove pontos mostraram diferenças imperceptíveis com relação ao uso de moléculas

de seis pontos e, por isso, não estão apresentadas. Acredita-se que, devido à forte não

linearidade presente na equação, o desbalanceamento na estrutura das moléculas em qualquer

direção tem influência pouco significativa frente à não linearidade.

Na Figura 5.24 é possível observar também a ocorrência de uma instabilidade próxima à

interface dos dois solos no MDFMA. Os resultados obtidos não registram um aumento na

umidade próxima a interface, o que aconteceu no experimento e foi reproduzido pelos outros

dois métodos numéricos utilizados. Observou-se, durante a simulação, que os nós localizados

próximos à interface transformaram-se em “sumidouros” de água não permitindo o

molhamento na interface.

Tal fato parece estar ligado à discontinuidade das propriedades do solo na interface, uma vez

que a aplicação do MDFMA exige que as funções envolvidas no problema sejam contínuas e

deriváveis em todos os pontos domínio. Na interface, entretanto, as moléculas passam a ser

compostas por pontos com diferentes propriedades (K e C), formando, então, uma fonte de

erro na avaliação das derivadas.

Foram testadas duas formas para a estimativa do valor de K na interface: tomando-se o valor

médio dos K’s calculados para os dois solos e utilizando o valor mínimo de K calculado para

os dois solos, como utilizado por Elmaloglou (1980). Entretanto, para nenhuma dessas formas

as derivadas calculadas na interface permitiram a convergência do sistema.

A solução encontrada foi atribuir diferentes valores para K de acordo com a localização das

moléculas no solo. Assim, o valor de K para pontos localizados na interface e pertencentes a

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91

uma determinada molécula com ponto central fora da interface, seria calculado considerando

o tipo de solo correspondente ao nó central da molécula. Dessa forma, as moléculas passavam

a ser homogêneas, compostas por um único tipo de solo, não comprometendo o cálculo da

derivada.

Moléculas centradas na interface, entretanto, poderiam ter pontos pertencentes a um e a outro

tipo de solo diferentes. Neste caso, o valor de K atribuído ao ponto central no cálculo da

derivada, dependeria do tipo de solo a que o nó estivesse ligado. Por exemplo, se o nó 1 da

molécula estivesse em um tipo de solo e o nó 2 em outro tipo de solo, o valor de K no ponto

central localizado na interface (K0), para o cálculo da parcela (K1-K0) necessária na

determinação da derivada, seria atribuído considerando o nó 0 pertencente ao solo do nó 1 e

no cálculo da parcela (K2-K0) considerando o nó 0 pertencente ao solo do nó 2. Dessa forma,

consegue-se separar as propriedades do solo e eliminar, em parte, problemas de convergência

causados pela grande diferença entre propriedades de tipos de solos distintos.

A não ocorrência de problemas de convergência no método de diferenças finitas

convencional pode estar ligada à utilização da malha de bloco centrado, onde pontos não são

localizados na interface. Nesse caso, as propriedades do solo são avaliadas em pontos dentro

de blocos com mesmo tipo de solo e, portanto, garante-se a continuidade da função em todos

os pontos.

O método dos elementos finitos, por ser um método de integração, a discontinuidade nas

propriedades do solo não representa problema adicional. Como as propriedades são avaliadas

nos elementos e não nos nós, basta então garantir que os elementos sejam distribuídos de

modo que não cortem a linha de interface, garantindo assim a homogeneidade de suas

propriedades.

Para a simulação utilizando uma malha irregular de elementos finitos triangulares apresentada

na Figura 5.23b, considerou-se as moléculas com estrutura variável, de acordo com a

disposição natural da malha em torno dos pontos nodais, tanto para a variável Ψ como para a

variável K, como forma de se obter aproximações o mais balanceadas possíveis. Entretanto,

para a variável Ψ as moléculas no contorno são de cinco pontos. Os resultados estão

apresentados na Figura 5.25 e comparados com os resultados obtidos com malha regular para

moléculas de seis pontos.

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92

É possível perceber que com o uso de uma malha mais refinada, houve uma melhora visível

da frente de umidade para todos os tempos observados, aproximando mais a solução numérica

dos pontos experimentais, quando comparada com a solução obtida para a malha regular.

Entretanto problemas de instabilidade na interface continuaram a ocorrer, uma vez que essa

simulação também não conseguiu reproduzir o aumento de umidade na região de fronteira

entre os dois solos.

0

20

40

60

80

Prof

undi

dade

(cm

)

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40Umidade do Solo

Interface

0h

Dados Experimentais

3h5h7h9h11h

MDFMA (regular)

MDFMA(irregular)

Figura 5.25 – Simulação utilizando a malha de elementos finitos com moléculas variáveis e

comparação com a simulação em malha regular para moléculas de seis pontos

5.2.2.2 Caso teórico de Rathfelder e Abriola (1994)

Para simular o caso unidimensional apresentado por Rathfelder e Abriola (1994), considerou-

se uma pequena porção de solo com 4cm de largura e utilizou-se, da mesma forma que o

exemplo de Elmaloglou (1980) dois tipos de malha. Uma malha retangular regular simétrica

com elementos de 1cm de altura, a mesma utilizada por Campos (1998) na análise utilizando

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elementos finitos triangulares montados sobre essa malha, e uma malha irregular de elementos

finitos triangulares. As duas malhas utilizadas estão apresentadas na Figura 5.26.

(b)(a) Figura 5.26 – (a) malha retangular regular com 93 nós, e (b) malha de elementos finitos

triangulares com 243 nós.

As simulações foram realizadas utilizando os seguintes parâmetros:

-Tempo total de simulação (tmax) = 6,0 h

- Incremento de tempo padrão (DT) = 1,0 h

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- Incremento de tempo mínimo (DTMIN) = 10-7h

- Tolerância no erro de Ψ (TOL) = 10-4

- Número máximo de iterações em cada DT (itmax) = 10

- Número máximo de iterações totais (maxit) = 100000

- Número máximo de divisões de DT por 3 (MAXDIV) = 20

Na primeira fase de simulações utilizou-se a malha regular com moléculas de seis pontos,

tanto para a variável Ψ como para a variável K, sendo as moléculas no contorno de cinco

pontos para a variável Ψ. Os resultados (Figura 5.27) são comparados com os obtidos por

Campos (1998), por elementos finitos, e com os resultados por diferenças finitas convencional

obtidos neste trabalho.

Como pode ser observado, a solução obtida pelo método de diferenças finitas para malhas

arbitrárias, também apresenta um adiantamento na chegada da frente de umidade, com relação

a solução analítica ao final do tempo de simulação e não consegue reproduzir de forma

acurada a solução analítica.

Embora o solo seja homogêneo, a simulação é bastante dificultada pelas condições do solo

inicialmente muito seco e pela variação brusca na umidade do solo e, consequentemente, nas

propriedades do solo durante a simulação. Devido a essa variação brusca, uma boa estimativa

para a derivada de K fica comprometida e a consideração explícita dessa derivada, feita na

formulação por MDFMA, parece influenciar no resultado obtido.

Outras simulações para a mesma malha utilizando moléculas de sete e nove pontos foram

realizadas. Os resultados obtidos são os mesmos daqueles obtidos para moléculas de seis

pontos e por isso não são apresentados.

A solução por diferenças finitas convencional é a que mais se aproxima da solução analítica.

No método dos elementos finitos a frente de umidade chega atrasada, quando comparada com

a solução analítica, ao contrário do que ocorre na solução por diferenças finitas para malhas

arbitrárias. Esse atraso está ligado à consideração linear das propriedades do solo na

formulação de Neuman (1973) utilizada por Campos (1998).

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-1200 -1000 -800 -600 -400 -200 0-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

Prof

undi

dade

(cm

)

-1200 -1000 -800 -600 -400 -200 0Potencial de Sucção (cm)

Solução Analítica

MDFMA (6 pontos)

MDF

MEF (Campos, 1998)

Figura 5.27 – Resultados das simulações no caso teórico de Rathfelder e Abriola (1994), para

t=6h.

Uma segunda simulação foi realizada para o MDFMA, utilizando moléculas com estruturas

variáveis de acordo com a disposição da malha em torno do ponto central. Para moléculas no

contorno, com relação à variável Ψ, considerou-se moléculas de cinco pontos. Os resultados

estão apresentados na Figura 5.28 e comparados com os resultados por elementos finitos

(Campos,1998) e diferenças finitas convencional.

Mesmo refinando a malha o método de diferenças finitas para malhas arbitrárias não consegue

gerar soluções próximas à solução analítica. A frente de umidade prevista no final da

simulação continua bem abaixo da solução analítica e da solução por diferenças finitas

convencional.

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-1200 -1000 -800 -600 -400 -200 0-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

Prof

undi

dade

(cm

)

-1200 -1000 -800 -600 -400 -200 0Potencial de Sucção (cm)

Solução Analítica

MDFMA

MDF

MEF (Campos, 1998)

Figura 5.28 – Resultado obtido pelo MDFMA utilizando a malha de elementos finitos

triangulares para t=6h.

5.2.2.3 Experimento de Vauclin et al. (1979)

O experimento de Vauclin et al. (1979) foi simulado utilizando a malha apresentada na Figura

5.29. Inicialmente foi realizada uma simulação utilizando moléculas de seis pontos tanto para

a variável K como para a variável Ψ, sendo, para esta última, consideradas moléculas de cinco

pontos no contorno. Posteriormente, utilizou-se a mesma malha com moléculas internas de

nove pontos para ambas as variáveis, com moléculas, no contorno, de seis pontos para K e

cinco pontos para Ψ.

A utilização de uma malha bastante densa como a da Figura 5.29 foi necessária para que fosse

obtida convergência do sistema. Simulações com uma malha menos densa, como a utilizada

por Campos (1998), não obtiveram convergência.

Os testes realizados com o método de diferenças finitas para malhas arbitrárias foram

comparadas com os resultados obtidos por Campos (1998) pelo método de elementos finitos.

As posições obtidas para a superfície freática estão apresentadas nas Figuras 5.30 e 5.31.

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97

10

10

101515

20

30

25 251010 10 10 25

.

Figura 5.29 – Malha utilizada nas simulações do experimento de Vauclin et al. (1979),

medidas em cm.

0 100 200 300x(cm)

50

75

100

125

150

Z(cm

)

8h4h3h

2h

0h

Pontos ExperimentaisMDFMA (6 Pontos)

MEF (Campos,1998)

Figura 5.30 – Comparação dos resultados obtidos para o MDFMA com moléculas de seis

pontos e o MEF.

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0 100 200 300x(cm)

50

75

100

125

150

Z(cm

)

8h4h3h

2h

0h

Pontos ExperimentaisMDFMA (9 Pontos)

MEF (Campos,1998)

Figura 5.31 – Comparação dos resultados obtidos para o MDFMA com moléculas de nove

pontos e o MEF.

Para os dois testes realizados, com moléculas de seis e nove pontos, o método de diferenças

finitas para malhas arbitrárias se aproximou melhor dos pontos experimentais que os

resultados por elementos finitos obtidos por Campos (1998). Entretanto é importante ressaltar

que a malha utilizada por campos (1998) era menos densa.

Nesse exemplo o método não apresentou os mesmos problemas de adiantamento na chegada

da frente de umidade. Talvez as condições iniciais, com baixa variação da carga matricial por

todo o domínio, provocando uma variação mais branda das propriedades do solo, tenha

favorecido uma melhor estimativa das derivadas da condutividade hidráulica e, portanto, para

uma melhor performance da técnica.

Os resultados obtidos para moléculas de seis e nove pontos não diferiram significativamente.

Entretanto, a utilização de moléculas de seis pontos, apresentou resultados um pouco

melhores, ou seja, a solução mais próxima dos pontos experimentais, sobretudo para o tempo

de simulação de 2h como pode ser visto na Figura 5.32.

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0 100 200 300x(cm)

50

75

100

125

150

Z(cm

)

8h4h3h

2h

0h

Pontos Experimentais

MDFMA (9 Pontos)

MDFMA (6 pontos)

Figura 5.32 – Comparação entre os resultados obtidos para moléculas de seis e nove pontos

no experimento de Vauclin et al. (1979).

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100

6. CONCLUSÕES

Para problemas lineares como os de fluxo saturado abordados neste trabalho, o método de

diferenças finitas para malhas arbitrárias mostrou, de um modo geral, bons resultados.

O fato de não ser necessária uma malha de discretização com uma estrutura geométrica

definida torna a técnica tão competitiva quanto o método de elementos finitos, nesse aspecto.

A possibilidade de gerar uma malha de elementos finitos triangulares e utilizá-la no MDFMA

é um caminho para se suprir a ausência de um gerador automático no método.

O balanceamento na estrutura das moléculas é um fator fundamental para a obtenção de bons

resultados em problemas lineares. No caso de se utilizar uma malha de elementos finitos

triangulares, o uso de moléculas com estrutura variável, de acordo com a configuração da

malha, e não com um número fixo de pontos, é a melhor alternativa para se obter moléculas

balanceadas. Nos testes realizados, as soluções por MDFMA praticamente coincidem com a

solução por MEF e com a solução analítica.

Para malhas regulares, a utilização de moléculas de seis pontos apresentou-se como a melhor

configuração. Quando utilizadas moléculas de nove pontos, ocorreram desvios nas soluções

numéricas, principalmente em regiões onde a variação no gradiente da função é mais

acentuada.

O fato de se poder adensar a malha de discretização apenas em regiões isoladas do domínio,

permite um ganho de eficiência do MDFMA com relação ao método de diferenças finitas

convencional. A necessidade de um número menor de nós pode resultar numa grande

economia no tempo de processamento, principalmente em problemas de grande porte ou em

problemas tridimensionais (não testados neste trabalho).

Para os casos não lineares, o MDFMA apresentou sérios problemas de convergência. Em

situações de heterogeneidade do solo, como no experimento de Elmaloglou (1980), o método

não produziu bons resultados. Na região da inteface, a discontinuidade das funções de solo

levaram a instabilidade da solução numérica. Além disso, ocorreu, sempre, um adiantamento

na chegada da frente de umidade, o que também aconteceu no caso de se ter condições iniciais

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101

muito secas, mesmo após o refinamento da malha, como no caso do problema de Rathfelder e

Abriola (1994).

É possível que esse adiantamento seja causado pela consideração explícita das derivadas na

equação de Richards. A forte não linearidade das funções do solo impede uma boa estimativa

para as derivadas envolvidas. Em situações mais amenas com baixa variação na umidade do

solo, como no caso de Vauclin et al. (1979), o método conseguiu reproduzir melhor os

resultados, embora utilizando-se uma malha bastante densa.

Para o MDF e MEF o comportamento foi exatamente o contrário, ocorrendo um retardo na

chegada da frente de umidade, e os resultados obtidos se mostraram mais próximos das

soluções reais. Essas técnicas não apresentaram instabilidade em casos heterogêneos. O atraso

é causado principalmente pela consideração de linearidade das propriedades do solo. A

utilização de elementos finitos considerando as propriedades do solo não lineares no elemento

e utilizando integração por quadratura de Gauss no MEF (Campos, 1998) consegue eliminar

o retardo da frente. Entretanto, este trabalho se limita a comparar o MDFMA com a

formulação de Neuman (1973) em elementos finitos utilizando elementos lineares, para

verificar se haveria alguma melhora na solução

O fato de se utilizar moléculas com diferentes números de pontos, nos casos não lineares, não

altera significativamente os resultados. Nos casos de forte não linearidade das propriedades do

solo, o desbalanceamento da molécula não provocou mudanças nos resultados.

Pode-se concluir que, o MDFMA apresenta, para problemas de fluxo em meio saturado

ganhos representativos em relação ao MDF convencional, no que diz respeito a flexibilidade

da malha de discretização e no tratamento das condições de contorno, e, em relação ao

método dos elementos finitos, no que se refere à simplicidade na formulação. Para problemas

em solo não saturado o método apresenta problemas de convergência e estabilidade, mas

acredita-se que possam ser melhorados utilizando-se uma abordagem diferente na derivação

das funções do solo dentro da equação de Richards.

Para trabalhos futuros recomenda-se:

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102

- estender a formulação de fluxo saturado para três dimensões e avaliar o ganho de tempo

de processamento em relação ao método de diferenças finitas convencional, em

problemas que exijam malhas refinadas localmente;

- avaliar o MDFMA em problemas de contaminação e comparar o desempenho com o

MEF;

- utilizar uma formulação baseada na forma mista da equação de Richards para se verificar

se há melhora nos resultados.

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