O objetivo principal deste trabalho é o desenvolvimento de um método numérico capaz de simular problemas tridimensionais de Interação Fluido-Partícula (IFP). Fenômenos como transporte de poluição atmosférica, dinâmica de corpos flutuantes e simulação de problemas de biomecânica envolvendo escoamento de fluidos biológicos carregados com partículas, tais como sangue, são apenas alguns exemplos aos quais se aplica a formulação proposta neste trabalho. Grande parte dos problemas de IFP são de natureza complexa com interfaces móveis e cinemática não-linear. Para que seja possível o cumprimento do objetivo supracitado, inicialmente utiliza-se uma formulação estabilizada do método dos elementos finitos (MEF) para solução de problemas de escoamento tridimensional governado pela equação de Navier- Stokes para fluidos incompressíveis. Após isso, emprega-se o Método dos Elementos Discretos para que o comportamento das partículas seja considerado neste contexto, onde os contatos entre partícula-partícula e entre partícula-superfície rígida (contorno fixo) são permitidos e equacionados. O problema de IFP é conseguido acoplando-se os dois problemas, fluido e partícula, utilizando o conceito de fronteiras imersas em conjunto com o método de Nitsche como alternativa a abordagens ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian) clássicas. Na solução do sistema acoplado, utiliza-se um método explicito e particionado que é desenvolvido para a obtenção da convergência dentro de cada passo do processo de solução. Uma metodologia inovadora para a obtenção das forças hidrodinâmicas é apresentada de forma a possibilitar a simulação de contatos complexos, incluindo a possibilidade de pequenas interpenetrações entre as partículas. Para todos os casos, foram implementados os correspondentes códigos computacionais, bem como efetuada a sua validação com resultados de referências. Por fim, alguns exemplos de IFP são apresentados para validar a consistência e a robustez do método proposto.

The aim of this work is the development of a numerical model capable of simulating tridimensional Fluid-Particle Interaction (FPI) problems. Phenomena such as transport of atmospheric pollution, dynamics of floating bodies and biomechanical simulation involving the flow of biological fluids laden with particles, such as blood, are examples, just to say a few, of problems to which the formulation proposed may be applied. Most FPI problems are complex in nature with moving interfaces and nonlinear kinematics. In order to achieve the aim of this work, initially a stabilized Finite Element Method formulation (FEM) is used to solve tridimensional fluid flow problems governed by the incompressible Navier-Stokes equation. After this, the Discrete Element Method (DEM) is employed to describe the particle behavior, wherein both particle-to-particle and particle-to-wall (fixed boundaries) contacts are fully permitted and resolved. The FPI problem is achieved by coupling both fluid and particle problems through an immersed boundary method in conjunction with the Nitsche method as an alternative to classical Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) approaches. To solve the coupled system of equations, an explicit, staggered scheme is adopted, which will be developed to achieve convergence within each time step of the solution process. An innovative methodology for obtaining hydrodynamic forces is presented in order to allow the simulation of complex contacts, including the possibility of small interpenetrations between particles. For all cases, the corresponding computational codes were implemented, and then validated against reference solutions. Finally, some IFP examples are presented to validate the consistency and robustness of the proposed algorithm.