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Tipo: Tese
Título: Proposta de metodologia para aplicação generalizada do método das soluções fundamentais
Título em inglês: Proposal for a methodology for the generalized application of the fundamental solutions method
Autor(es): Rodrigues Neto, Guilherme Costa
Orientador: Castro, Marco Aurélio Holanda de
Palavras-chave em português: Método das soluções fundamentais;Águas subterrâneas;Condicionamento numérico;Fronteira fictícia;Método livre de malha
Palavras-chave em inglês: Method of fundamental solutions;Groundwater;Numerical conditioning;Fictitious boundary;Meshless modeling
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA SANITARIA::RECURSOS HIDRICOS
Data do documento: 2026
Citação: RODRIGUES NETO, Guilherme Costa. Proposta de metodologia para aplicação generalizada do método das soluções fundamentais. 2026. 196 f. Tese (Doutorado em Engenharia Civil-Recursos Hídricos) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2026.
Resumo: A modelagem numérica de fenômenos físicos governados pela equação de Laplace constitui um tema central em diversas áreas da engenharia, incluindo aplicações hidrogeológicas, nas quais a disponibilidade limitada de dados e a complexidade geométrica dos domínios impõem desafios adicionais. Métodos tradicionais baseados em discretização de malha, como Diferenças Finitas e Elementos Finitos, apresentam elevada robustez, porém dependem de um conjunto extenso de parâmetros físicos e de escolhas associadas à malha, o que pode restringir sua aplicabilidade em estudos exploratórios e diagnósticos preliminares. Nesse contexto, esta tese propôs e avaliou uma metodologia generalizada para a aplicação do Método das Soluções Fundamentais (MSF) a problemas bidimensionais regidos pelo operador de Laplace, com posterior aplicação para a simulação do fluxo de água subterrânea. A metodologia baseou-se na adoção de uma fronteira fictícia circular com pontos igualmente espaçados e na varredura sistemática de seu raio (dvalue), associada a critérios objetivos de estabilidade, convergência e acurácia. O desempenho numérico foi avaliado de forma integrada por meio do erro quadrático médio (RMSE), do inverso do número de condicionamento da matriz principal (rcond) e de leituras pontuais no interior do domínio, complementadas por um teste de convergência por erros sucessivos. Essa abordagem permitiu transformar a escolha dos parâmetros operacionais do MSF em um procedimento reprodutível, evitando decisões empíricas e instabilidades numéricas. A metodologia foi aplicada inicialmente a exemplos teóricos com solução analítica conhecida, envolvendo domínios de geometria retangular e circular, o que possibilitou a validação do método em cenários controlados. Os resultados evidenciaram a existência de faixas operacionais bem definidas de dvalue, dependentes do número de pontos de contorno (N) e da geometria do domínio. Para o contorno circular unitário, identificaram-se limites práticos aproximados de dvalue da ordem de 1211,5 para N = 8, 25,1 para N = 16 e 3,58 para N = 32, sendo a aplicação inviável para N = 64 sem tratamento numérico adicional, em função do severo comprometimento do condicionamento da matriz. Observou-se que o aumento de N melhorou a precisão das soluções, porém estreitou significativamente a janela operacional do método, especialmente em domínios circulares. Em seguida, a metodologia foi aplicada a um estudo de caso de fluxo de água subterrânea em aquífero, utilizando dados observados de piezometria. Nessa aplicação, o procedimento mostrou-se capaz de diagnosticar limites operacionais do MSF e de orientar a interpretação de desvios entre valores calculados e observados, sugerindo a influência de incertezas associadas às condições de contorno e/ou à presença de heterogeneidades e anisotropias não explicitamente representadas. A comparação com o procedimento de aplicação de métodos tradicionais indicou que, sob hipóteses de domínio homogêneo e regime estacionário, o MSF foi capaz de produzir resultados numericamente consistentes e estatisticamente comparáveis, com menor dependência de dados hidrogeológicos adicionais. Concluiu-se que a metodologia proposta ampliou a reprodutibilidade e a aplicabilidade do Método das Soluções Fundamentais, posicionando-o como uma ferramenta robusta de triagem, diagnóstico e apoio à modelagem em problemas laplacianos genéricos e, em particular, em simulações do fluxo de água subterrânea com disponibilidade limitada de dados. Ao estabelecer faixas operacionais objetivas e quantificáveis para os parâmetros do método, esta tese contribuiu para o preenchimento de uma lacuna identificada na literatura e reforçou o potencial do MSF como alternativa ou complemento aos modelos tradicionais em contextos específicos.
Abstract: Numerical modeling of physical phenomena governed by the Laplace equation is a central topic in several engineering fields, including hydrogeological applications, in which limited data availability and geometric complexity of the domains impose additional challenges. Traditional mesh-based methods, such as Finite Difference and Finite Element methods, are highly robust but relieve an extensive set of physical parameters and mesh-related choices, which may restrict their applicability in exploratory studies and preliminary diagnostics. In this context, this thesis proposed and evaluated a generalized methodology for applying the Method of Fundamental Solutions (MFS) to two-dimensional problems governed by the Laplace operator, with subsequent application to groundwater flow simulation. The methodology is based on the adoption of a circular fictitious boundary with uniformly distributed points and on the systematic sweeping of its radius (dvalue), combined with objective criteria of stability, convergence, and accuracy. Numerical performance was assessed in an integrated manner using the root mean square error (RMSE), the inverse of the condition number of the main matrix (rcond), and pointwise evaluations inside the domain, complemented by a successiveerror convergence test. This approach transformed the selection of MFS operational parameters into a reproducible procedure, avoiding empirical decisions and numerical instabilities. The methodology was first applied to theoretical examples with known analytical solutions, involving rectangular and circular geometries, enabling validation under controlled conditions. The results evidenced the existence of well-defined operational ranges of dvalue, which depend on the number of boundary points (N) and the domain geometry. For the unit circular boundary, approximate practical limits of dvalue were identified as 1211.5 for N = 8, 25.1 for N = 16, and 3.58 for N = 32, while applications with N = 64 proved infeasible without additional numerical treatment due to severe degradation of matrix conditioning. Although increasing N improved solution accuracy, it significantly narrowed the operational window of the method, particularly for circular domains. Subsequently, the methodology was applied to a groundwater flow case study in an aquifer using observed piezometric data. In this application, the procedure proved capable of diagnosing operational limits of the MFS and guiding the interpretation of discrepancies between computed and observed values, suggesting the influence of uncertainties associated with boundary conditions and/or the presence of heterogeneities and anisotropies not explicitly represented. Comparison with traditional numerical procedures indicated that, under assumptions of homogeneous domains and steady-state conditions, the MFS produced numerically consistent and statistically comparable results, with reduced dependence on additional hydrogeological data. It was concluded that the proposed methodology enhances the reproducibility and applicability of the Method of Fundamental Solutions, positioning it as a robust tool for screening, diagnostics, and modeling support in generic Laplacian problems and in groundwater flow simulations under limited data availability. By establishing objective and quantifiable operational ranges for the method parameters, this thesis contributes to filling a gap identified in the literature and reinforces the potential of the MFS as an alternative or complementary approach to traditional numerical models in specific contexts.
Descrição: Este documento está disponível online com base na Portaria no 348, de 08 de dezembro de 2022, disponível em: https://biblioteca.ufc.br/wp-content/uploads/2022/12/portaria348-2022.pdf, que autoriza a digitalização e a disponibilização no Repositório Institucional (RI) da coleção retrospectiva de TCC, dissertações e teses da UFC, sem o termo de anuência prévia dos autores. Em caso de trabalhos com pedidos de patente e/ou de embargo, cabe, exclusivamente, ao autor(a) solicitar a restrição de acesso ou retirada de seu trabalho do RI, mediante apresentação de documento comprobatório à Direção do Sistema de Bibliotecas.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/85750
ORCID do(s) Autor(es): https://orcid.org/0000-0002-7083-8832
Currículo Lattes do(s) Autor(es): http://lattes.cnpq.br/7571555044666078
ORCID do Orientador: https://orcid.org/0000-0001-5134-7213
Currículo Lattes do Orientador: http://lattes.cnpq.br/9250831617884112
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
Aparece nas coleções:DEHA - Teses defendidas na UFC

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