Numerical methods for regularization models of geophysical flows

• Main Author: Monteiro, Igor Oliveira
• Other Authors: Manica, Carolina Cardoso
• Format: Others
• Language: Portuguese
• Published: 2015
• Subjects: Elementos finitos; Métodos matemáticos
• Online Access: http://hdl.handle.net/10183/128048

Escoamentos geofísicos são aqueles escoamentos que são afetados pela rotação da Terra. Simulações computacionais envolvendo este tipo de escoamento tem diversas aplicações como, por exemplo, em estudos sobre mudanças climáticas e em previsões de tempo e do escoamento oceânico, imprescindíveis para o bemestar da sociedade moderna. Em especial no caso do Brasil, a importância destas simulações é ainda maior devido à sua ampla aplicação na indústria do petróleo. Porém, devido ao imenso número de Reynolds conferido a estes escoamentos, os recursos computacionais disponíveis atualmente (e decerto no futuro próximo) não são suficientes para simulá-los integralmente. Modelos regularizados são modelos simplificados concebidos para lidar com este problema, pois permitem a redução dos graus de liberdade em virtude de alterações nas equações originais que encurtam a cascata de energia e propiciam o uso de malhas menos refinadas. Nesta tese, foram estudados dois modelos com extenso uso em escoamentos geofísicos: o Modelo da Vorticidade Barotrópica (modelo BV) e o Modelo de Boussinesq. Para o modelo BV três tipos de regularizações foram consideradas: a regularização alfa com deconvolução modificada de Tikhonov-Lavrentiev, a regularização Bardina e a regularização alfa com deconvolução aproximada de van Cittert. Algoritmos com discretização temporal de Crank-Nicolson e espacial em elementos finitos foram propostos para estas regularizações e demonstrados incondicionalmente estáveis e otimamente convergentes. Também, simulações computacionais foram feitas, tanto para validar a teoria desenvolvida, como para avaliar o desempenho destes modelos em malhas com pouco refinamento, em situações mais próximas aquelas que ocorrem em aplicações reais. No caso do modelo de Boussinesq foram estudadas quatro tipo de regularizações: alfa, ômega, Leray e Leray modificada, todas com deconvolução aproximada de van Cittert. Para estas regularizações, algoritmos do tipo Crank- Nicolson/elementos finitos, junto com algumas técnicas bem sucedidas quando aplicadas as equações de Navier-Stokes, foram propostos e analisados numericamente. É mostrado que os algoritmos conservam energia e são incondicionalmente estáveis e otimamente convergentes. Em complemento, simulações computacionais são apresentadas, tanto para validar a teoria de convergência, como também para avaliar o desempenho de cada regularização em situações mais realistas. Nestas simulações, é mostrado que a regularização de Leray, além de ter grandes vantagens do ponto de vista computacional, pois permite controlar a ordem do erro de consistência do modelo sem alterar significativamente o tempo computacional, produziu, em malhas com pouco refinamento, as melhores soluções em comparação as soluções esperadas para os experimentos. === Geophysical ows are the ows in uenced by the Earth's rotation. Computational simulations involving this kind of ow have several applications, such as climate changes studies and weather and ocean forecasts which are essential for the welfare in modern society. In particular for Brazil, the importance of geophysical simulations is even greater due to applications in the oil industry. However, due to the extremely large Reynolds numbers associated with geophysical ows, the current available computational resources (and certainly in the near future) are not enough to simulate it entirely. Regularized models are simpli ed models designed to deal with this kind of problem, because they reduce the degrees of freedom in simulations by virtue of small changing the original equations, which shorten the energy cascade and enable to the the use of less re ned meshes. In this work, two models with extensive application in geophysical ow are studied: the Barotropic Vorticity model (BV model) and the Boussinesq model. First, in the case of the BV model, three di erent regularization techniques are studied, namely, the alpha regularization with modi ed Tikhonov-Lavrentiev deconvolution, the Bardina regularization and the alpha regularization with van Cittert approximate deconvolution. Crank-Nicolson in time, nite element in space algorithms for these models are proposed and rigorously proven to be unconditionally stable and optimally convergent. Also, computational simulations are performed that validate the developed theory for the proposed regularized models, and shows their e ectiveness on coarse meshes in situations similar to real applications. In the Boussinesq model case, four regularizations are studied, namely, alpha, omega, Leray and modi ed Leray, all of them with van Cittert approximate deconvolution and some techniques which have enjoyed success when applied to the Navier-Stokes equations. Crank-Nicolson/ nite element algorithms, are developed and numerically analysed. They are proven to be unconditionally stable and optimally convergent. Moreover, computational simulations are performed to validate the convergence theory and to evaluate the performance of each regularization in more realistic situations. In these simulations, the Leray regularization, in addition of presenting substantial computational advantages because it enables controlling the model consistency error order with no signi cant increase in computations, produced the best solutions in coarse meshes when compared to the expected solutions.