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Title: Aplicação das equações diferenciais fracionárias em problemas de geociências: soluções analíticas usando o método da decomposição
Other Titles: Application of fractional differential equations in geoscience problems: analytical solutions using the decomposition method
Authors: Prates, José Humberto de Souza
metadata.dc.contributor.advisor: Moreira, Davidson Martins
metadata.dc.contributor.referees: Sampaio, Renelson Ribeiro
Cardoso, Hugo Saba Pereira
Santos, Vania Gonçalves de brito dos
Moraes, Marcelo Romero de
Keywords: Equações diferenciais;Geociências;Equações diferenciais fracionárias;Método da decomposição por Laplace;Derivadas conformáveis
Issue Date: 18-Feb-2022
Publisher: Centro Universitário SENAI CIMATEC
Citation: PRATES, José Humberto de Souza. Aplicação das equações diferenciais fracionárias em problemas de geociências: soluções analíticas usando o método da decomposição. Orientador: Davidson Martins Moreira. 2022. 116 f. Tese (Doutorado em Modelagem Computacional e Tecnologia Industrial) – Centro Universitário SENAI CIMATEC, Salvador, 2022.
metadata.dc.description.resumo: Neste trabalho, soluções analíticas de equações diferenciais fracionárias são obtidas para três problemas tradicionais da geofísica: (i) o caso de uma fonte pontual localizada na superfície injetando corrente elétrica no subsolo; (ii) o caso de uma onda eletromagnética plana, e iii) o caso de uma fonte pontual liberando poluentes atmosféricos. Na obtenção das soluções analíticas dos problemas propostos foi utilizado o método da decomposição por Laplace (MDL), o qual fornece uma solução em séries de rápida convergência. Em particular, para o problema de dispersão de poluentes na camada limite planetária, foi obtida uma solução da equação de difusão-advecção tridimensional usando o método MDL em duas variáveis, considerando a derivada de Caputo (não-local) e a derivada conformável (local). A modelagem matemática proposta representa um avanço importante na área tendo em vista que o cálculo fracionário é a generalização do cálculo tradicional de ordem inteira. Também foi resolvida semi-analiticamente a equação de difusão-advecção transiente 2D. Para esta solução foi utilizada a transformada dupla de Laplace e a inversa numérica Fixed-Talbot.
Abstract: In this work, analytical solutions of fractional differential equations are obtained for three traditional problems in geophysics: (i) the case of a point source located on the surface injecting electric current into the ground; (ii) the case of a plane electromagnetic wave, and iii) the case of a point source releasing atmospheric pollutants. To obtain the analytical solutions of the proposed problems, the method of decomposition by Laplace (MDL) was used, which provides a solution in fast convergence series. In particular, for the problem of dispersion of pollutants in the planetary boundary layer, a solution of the three-dimensional diffusion-advection equation was obtained using the CDM method in two variables, considering the Caputo derivative (non-local) and the conformable derivative (local ). The proposed mathematical modeling represents an important advance in the area, considering that the fractional calculus is the generalization of the traditional whole order calculus. The 2D transient difusion-advection equation was also semi-analytically solved. For this solution, the double Laplace transform and the numerical inverse Fixed-Talbot were used.
URI: http://repositoriosenaiba.fieb.org.br/handle/fieb/1806
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