Simulação numérica da transferência simultânea de energia e umidade através do solo em um sistema trocador-armazenador de calor

O presente trabalho pesquisa o fenômeno da transferência simultânea de calor e umidade em solos insaturados que envolvem dutos enterrados. Estes dutos e o solo envolvente compõem o chamado sistema trocador-armazenador de calor no solo, que é muitas vezes utilizado como fonte complementar de aquecimento em estufas solares agrícolas. O funcionamento do sistema trocador-armazenador de calor é baseado na energia armazenada no solo durante os horários de máxima insolação, sendo que durante a noite parte desta energia é recuperada. Durante o dia o ar quente do meio interno da estufa solar é bombeado para dentro do feixe de tubos enterrados, que devolvem o ar mais frio na outra extremidade. Por outro lado, durante a noite o ar mais frio do meio interno da estufa é bombeado para dentro dos dutos, os quais efetuam troca térmica com o solo envolvente, que neste horário possui a temperatura mais elevada do sistema. O objetivo geral deste trabalho é resolver o problema transiente periódico e tridimensional da transferência simultânea de calor e umidade em solos não-saturados, que compõem o sistema trocador-armazenador de calor, utilizando a simulação numérica. Como objetivos secundários têm-se: o melhoramento do sistema de troca térmica, a quantificação da parcela de calor transportado pela difusão da umidade no solo e a análise dos campos de temperatura e de conteúdo de umidade, sendo que a análise dos campos de umidade permite verificar se existe formação de frentes de secagem significativas na vizinhança dos dutos durante os sucessivos períodos de aquecimento e resfriamento a que o sistema é submetido. Na resolução do problema em questão é empregado o modelo clássico de Philip e De Vries para a transferência simultânea de calor e massa em meios porosos insaturados Neste modelo, as equações de conservação de energia e massa obtidas trazem explicitamente as influências combinadas dos gradientes de temperatura e de conteúdo de umidade nos processos de transporte de calor e umidade. O sistema de equações diferenciais governantes do problema em questão é resolvido numericamente utilizando o Método dos Volumes Finitos e na discretização destas equações é usada uma integração temporal totalmente implícita. Todas as propriedades difusivas e termofísicas empregadas são consideradas variáveis com a temperatura e o conteúdo de umidade. Os dutos de seção transversal circular do sistema trocadorarmazenador de calor no solo, são modelados como dutos de seção transversal quadrada de área equivalente para que coordenadas cartesianas possam ser utilizadas nos modelos analisados. Neste trabalho são simulados quatro modelos computacionais associados ao sistema trocador-armazenador de calor no solo. Estes modelos são compostos por: um duto isolado, um duto com convecção, dois dutos isolados e dois dutos com convecção. A variação da temperatura do ar na entrada do(s) escoamento(s), assim como a temperatura do meio ambiente, para os modelos com convecção, é dada por uma senóide com uma amplitude de 14 ºC. No modelo de um duto isolado, são realizadas simulações utilizando várias combinações dos parâmetros do modelo em questão e os resultados, assim obtidos, são comparados com aqueles encontrados na literatura Visando melhorar o sistema de troca térmica dos modelos computacionais investigados, são selecionados valores e intervalos de valores recomendados para os parâmetros do modelo de um duto isolado. Para este modelo, com um diâmetro de 0,1 m, são escolhidos valores (ou intervalos de valores) recomendados: de 4 m/s para a velocidade do escoamento interno dentro do duto, de 0,25 para o conteúdo de umidade do solo, de 5 até 20 metros para o comprimento do duto e de 0,20 até 0,30 m para a distância entre centros do dutos. As simulações dos quatro modelos computacionais realizadas utilizando as várias combinações dos valores recomendados para os parâmetros destes modelos, mostrou que não há diferença significativa entre os valores de calor volumétrico armazenado no solo empregando a resolução acoplada das equações de energia e de massa e a resolução da equação da temperatura. Mesmo para os modelos de um e de dois dutos com convecção a diferença percentual encontrada foi insignificante. Finalmente, são apresentados e analisados os campos de temperatura e de conteúdo de umidade para os quatro modelos computacionais avaliados. Os perfis de temperatura e de conteúdo de umidade em diferentes horários mostraram que, durante o dia, o solo absorve calor dos escoamentos internos de ar e, uma vez que, junto à superfície dos dutos tem-se regiões de maior temperatura, há, conseqüentemente, uma migração da umidade nestas regiões. Durante a noite, ocorre o contrário, o solo fornece calor aos escoamentos dentro dos dutos, e, desta forma, as regiões próximas aos dutos apresentam níveis de conteúdo de umidade superiores ao inicial. Ainda, os perfis de conteúdo de umidade para todas as situações analisadas mostraram que, não há formação de frentes de secagem significativas nas proximidades dos dutos que compõem os quatro modelos computacionais avaliados.

Simulação numérica de um sistema de armazenamento de calor em estufas de plasticultura

Apresentar um modelo para simular um sistema de armazenamento de calor no solo em estufas para plasticultura é o objetivo do presente trabalho. O sistema consiste num feixe de tubos enterrados no solo. A convecção forçada de ar no seu interior realiza a troca térmica necessária para manter as estufas sob faixas desejadas de temperatura. O objetivo do modelo é investigar os efeitos no calor armazenado e a influência das variáveis, tais como diâmetro, comprimento, espaçamento entre os tubos e a velocidade de ar no canal provocam no sistema. O solo é tratado como um meio difusivo e avalia-se a contribuição do termo de condensação e evaporação da água contida no ar em escoamento nos tubos. A equação da energia é resolvida para o solo e para o ar. Os tubos de seção transversal circular são modelados como tubos de seção transversal quadrada com o objetivo de que as simulações possam ser processadas em coordenadas cartesianas. O programa resolve situações tridimensionais, transientes e emprega o Método dos Volumes Finitos para integrar as equações diferenciais governantes. O modelo original é baseado no modelo de Gauthier et al., 1997, tendo sido os resultados do mesmo foram usados para a validação do presente estudo. Um circuito de água quente é também projetado e apresentado para o aquecimento das estufas. A água circula através de mangueiras sobre o solo e é aquecida por um sistema de queimadores a gás liqüefeito de petróleo ou óleo combustível, transferindo assim calor para o interior da mesma. O projeto de aquecimento foi realizado através de um programa de parceria entre a Ufrgs, Sebrae, Fapergs e a Agropecuária Clarice.

Estudo micrometeorológico de um cultivo de cana-de-açúcar em Alagoas

Este estudo foi desenvolvido dentro do projeto de pesquisa “Micrometeorologia da Mata Atlântica alagoana (MICROMA)” do Departamento de Meteorologia da Universidade Federal de Alagoas, que busca avaliar modificações no sistema solo-planta-atmosfera provocadas pela substituição da Mata Atlântica pela cultura da cana-de-açúcar, na Zona da Mata alagoana. O objetivo principal do presente estudo foi o ajuste do modelo de Penman-Monteith para o cálculo da evapotranspiração da cultura da cana-de-açúcar, na zona canavieira de Alagoas, a partir de determinações micrometeorológicas pelo método do balanço de energia, em diferentes estádios de desenvolvimento da cultura e em diferentes condições de demanda evaporativa atmosférica. A evapotranspiração foi estimada pelo método de Penman-Monteith e comparada com valores calculados através do balanço de energia, pela razão de Bowen, considerando este como método padrão. Medições micrometeorológicas foram feitas nos anos agrícolas de 1997/98 e 1998/99, em um área de 12,5ha de cultivo contínuo de cana-deaçúcar, cultivar SP 70-1143, sob condições de lavoura comercial, na Fazenda Vila Nova, município de Pilar, Alagoas (9o36´S, 35o53´W, 107m de altitude). Durante o período experimental, foram tomadas amostras quinzenais para determinar altura do dossel, comprimento de colmo, índice de área foliar e acúmulo de matéria seca (este apenas em 1998/99). Os parâmetros aerodinâmicos da cultura zo (comprimento de rugosidade) e d (deslocamento do plano zero) foram determinados a partir de perfis de vento, em condições de atmosfera neutra, e relacionados com a altura do dossel. Foram ajustados modelos para estimar o índice de área foliar e a altura do dossel da cultura em função do comprimento do colmo. O fracionamento do saldo de radiação no chamado “período potencial”, sem deficiência hídrica e com a cultura cobrindo completamente o solo, foi de 78% para o fluxo de calor latente de evaporação, 21% para o fluxo de calor sensível na atmosfera e aproximadamente 0,1% para o luxo de calor no solo. A estimativas pelo método de Penman-Monteith se ajustaram ao valores calculados pelo método do balanço de energia, tanto para médias qüinqüidiais (r = 0,93) como para valores diários (r = 0,91). Assim, dados confiáveis de evapotranspiração da cultura de cana-de-açúcar podem ser obtidos pelo método de Penman-Monteith ajustado neste trabalho, para a zona canavieira de Alagoas, em períodos sem deficiência hídrica e com cobertura completa do solo. O uso deste método apresenta a vantagem prática de requerer apenas dados meteorológicos, medidos em apenas um nível, em estações meteorológicas convencionais.

Uso da função de transferência em problemas de condução do calor com a lei de Fourier modificada

Este trabalho visa o uso da função de transferência, a qual relaciona distribuição de temperatura e fluxo de calor, na comparação no domínio freqüência, entre o modelo de difusão usual (parabólico) e um modelo ondulatório (hiperbólico) que inclue o efeito de propagação do calor não instantâneo, sendo avaliados os casos de meio semi-infinito e finito. Para o caso de meio semi-infinito, são determinadas as expressões para as características de amplitude e de fase, considerando tanto a abordagem parabólica quanto hiperbólica. É observada a relação entre estas duas abordagens, mostrando que a abordagem parabólica é uma caso particular da abordagem hiperbólica, podendo ser obtida através de um processo de limite envolvendo o tempo de relaxação r . Para o caso de meio finito, são determinadas as expressões para as caracteríısticas de amplitude de ambas as faces da placa unidimensional, considerando tanto a abordagem parabólica quanto hiperbólica. Estas expressões são transformadas para a forma adimensional quando então são deduzidas as expressões correspondentes das características de amplitude. Mais uma vez, todos os resultados para o caso parabólico podem ser determinados a partir dos resultados do caso hiperbólico, através de um processo de limite envolvendo o tempo de relaxação r São apresentados resultados numéricos referentes às características de amplitude, onde é apontada a existência de uma freqüência limite, acima da qual a diferença entre os dois modelos, do tipo parabólico ou hiperbólico, aumenta rapidamente. Também é apresentada uma forma alternativa de cálculo da distribuição de temperatura transiente que faz uso da função de transferência do sistema.

Modelos cinéticos da equação linearizada de Boltzmann e um problema de transferência de calor em microescala

Neste trabalho, um problema de transferência de calor da dinâmica de gases rarefeitos, causado pela diferença de temperaturas nas superfícies de um canal, é abordado. O problema é formulado através dos modelos cinéticos BGK, S e Gross-Jackson da equação linearizada de Boltzmann e resolvido, de forma unificada, pelo método analítico de ordenadas discretas (método ADO). Resultados numéricos para as perturbações de densidade e temperatura e também para o fluxo de calor são apresentados e comparados, mostrando que não se pode dizer que algum dos três modelos seja uma melhor aproximação da solução aos resultados da equação linearizada de Boltzmann.

Modelo matemático de um agitador eletromagnético

O objetivo deste trabalho é estudar os efeitos eletromagnéticos e fluido-dinâmicos induzidos no aço, decorrentes do uso de um agitador eletromagnético. Para tal, foi proposta a construção de um modelo numérico que resolva, de forma acoplada, os problemas de eletromagnetismo e fluido-dinâmica. O modelo numérico do problema eletromagnético, em elementos finitos, foi construído utilizando-se o software Opera-3d/Elektra da Vector Fields. O mesmo foi validado com medidas experimentais de densidade de fluxo magnético feitas na usina. O escoamento decorrente da agitação eletromagnética foi resolvido fazendo-se o acoplamento das forças de Lorentz com as equações de Navier-Stokes. Essas últimas foram resolvidas pelo método de volumes finitos, usando-se o software CFX-4 da AEA Technology. O modelo eletromagnético mostrou que existe um torque máximo dependente da freqüência do campo magnético. Também foi observado que a força magnética aumenta em quatro vezes seu valor, quando a corrente é duplicada. O perfil de escoamento produzido no molde, sob agitação eletromagnética, indica, que as situações de lingotamento testadas, não propiciam o arraste da escória. A velocidade crítica de arraste, determinada via modelo físico, não foi atingida para nenhum caso testado. O modelo fluido-dinâmico e térmico apresentou um aumento do fluxo de calor cedido pelo fluido para a casca solidificada com o uso do agitador eletromagnético. Como conseqüência, observou-se uma queda na temperatura do banho. Também foi observado, que o uso do agitador propicia a remoção de inclusões das camadas mais externas do tarugo. Ao mesmo tempo, notou-se que o uso do agitador aumenta o índice de remoção de inclusões para as duas seções de molde analisadas.

Situações atmosféricas que propiciam as marés meteorológicas

O objetivo central deste trabalho consiste, a partir de um caso de ciclogênese ocorrido na costa leste do América do Sul, caracterizar as condições sinóticas favoráveis ao desenvolvimento de ciclones marítimos que possam gerar ressacas. Uma ciclogênese desenvolveu-se a leste da Argentina dia 03 de maio de 2001. Neste mesmo dia sobre o continente, existia um centro de alta pressão, que em conjunto com este ciclone marítimo formava um pista de vento de quadrante sul, paralelo ao continente, deixando o mar revolto, aumentando nível no extremo sul do Brasil, como registrado pela tábua de maré da cidade de Rio Grande, no estado do Rio Grande de Sul. No dia 04 de maio, à leste do estado de São Paulo, outro ciclone começa a se formar, intensificando a pista de vento pré existente. A metodologia utilizada afim de atingir os objetivos propostos, foi a da modelagem numérica. Utilizou-se modelo Regional Atmospheric Modeling System (RAMS). Foram utilizados como entrada dados de outros dois modelos, modelo Global e Modelo ETA. Para ambos os experimentos usando o RAMS, observou-se que o ciclone do dia 04 teve sua gênese em torno de 25ºS e 45ºW, se deslocando para sudeste. Na análise de mesoescala, foi observado que durante o período estudado os ventos sempre tiveram uma componente de sul e que os mais intensos ventos ocorreram em 28ºS e 48ºW, pois nesta região haviam maiores valores de gradiente de pressão, fluxo de calor sensível e fluxo de calor latente, já que é também nesta região onde se verifica a maior temperatura da superfície do mar.