Development of the kinetic model of platinum catalyzed ammonia oxidation in a microreactor

The ammonia oxidation reaction on supported polycrystalline platinum catalyst was investigated in an aluminum-based microreactor. An extensive set of reactions was included in the chemical reactor modeling to facilitate the construction of a kinetic model capable of satisfactory predictions for a wide range of conditions (NH3 partial pressure, 0.01-0.12 atm; O-2 partial pressure, 0.10-0.88 atm; temperature, 523-673 K; contact time, 0.3-0.7 ms). The elementary surface reactions used in developing the mechanism were chosen based on the literature data concerning ammonia oxidation on a Pt catalyst. Parameter estimates for the kinetic model were obtained using multi-response least squares regression analysis using the isothermal plug-flow reactor approximation. To evaluate the model, the behavior of a microstructured reactor was simulated by means of a complete Navier-Stokes model accounting for the reactions on the catalyst surface and the effect of temperature on the physico-chemical properties of the reacting mixture. In this way, the effect of the catalytic wall temperature non-uniformity and the effect of a boundary layer on the ammonia conversion and selectivity were examined. After further optimization of appropriate kinetic parameters, the calculated selectivities and product yields agree very well with the values actually measured in the microreactor. (C) 2002 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Implementation of Menter's Transition Model on an Isolated Natural Laminar Flow Nacelle

This study evaluates the implementation of Menter's gamma-Re-theta Transition Model within the CFX12 solver for turbulent transition prediction on a natural laminar flow nacelle. Some challenges associated with this type of modeling have been identified. The computational fluid dynamics transitional flow simulation results are presented for a series of cruise cases with freestream Mach numbers ranging from 0.8 to 0.88, angles of attack from 2 to 0 degrees, and mass flow ratios from 0.60 to 0.75. These were validated with a series of wind-tunnel tests on the nacelle by comparing the predicted and experimental surface pressure distributions and transition locations. A selection of the validation cases are presented in this paper. In all cases, computational fluid dynamics simulations agreed reasonably well with the experiments. The results indicate that Menter's gamma-Re-theta Transition Model is capable of predicting laminar boundary-layer transition to turbulence on a nacelle. Nonetheless, some limitations exist in both the Menter's gamma-Re-theta Transition Model and in the implementation of the computational fluid dynamics model. The implementation of a more comprehensive experimental correlation in Menter's gamma-Re-theta Transition Model, preferably the ones from nacelle experiments, including the effects of compressibility and streamline curvature, is necessary for an accurate transitional flow simulation on a nacelle. In addition, improvements to the computational fluid dynamics model are also suggested, including the consideration of varying distributed surface roughness and an appropriate empirical correction derived from nacelle experimental transition location data.

Modelling Transition Due to Backward Facing Steps Using the Laminar Kinetic Energy Concept

Boundary layer transition estimation and modelling is essential for the design of many engineering products across many industries. In this paper, the Reynolds-averaged Navier–Stokes are solved in conjunction with three additional transport equations to model and predict boundary layer transition. The transition model (referred to as the kTkT–kLkL–ωω model) is based on the kk–ωω framework with an additional transport equation to incorporate the effects low-frequency flow oscillations in the form of a laminar kinetic energy (kLkL). Firstly, a number of rectifications are made to the original kTkT–kLkL–ωω framework in order to ensure an appropriate response to the free-stream turbulence level and to improve near wall predictions. Additionally, the model is extended to incorporate the capability to model transition due to surface irregularities in the form of backward-facing steps with maximum non-dimensional step sizes of approximately 1.5 times the local displacement thickness of the boundary layer where the irregularity is located (i.e k/δ∗⪅1.5k/δ∗⪅1.5) at upstream turbulence intensities in the range 0.01<Tu(%)<0.80.01<Tu(%)<0.8. A novel function is proposed to incorporate transition sensitivity due to aft-facing steps. This paper details the rationale behind the development of this new function and demonstrates its suitability for transition onset estimation on a flat plate at zero pressure gradient.

Unsteady heat transfer analysis of a film cooling flow

Unsteady heat transfer in a turbine blade film cooling flow is studied using detached eddy simulation (DES). Detailed computation of a single row of 35 degree round holes on a flat plate has been obtained for a blowing ratio of 1.0 and a density ratio of 2.0. The instantaneous flow fields and heat transfer distributions are found to be highly unsteady and oscillatory in nature. The fluctuation of the adiabatic effectiveness and heat transfer coefficient, for example, can be as high as 15 and 50 percent of the time-averaged value, respectively. The correlation between the coherent vortical structures and the unsteady heat transfer is carefully examined. It is shown that the fluctuations in the adiabatic effectiveness and heat transfer coefficient are mainly caused by the spanwise fluctuation of the coolant jet and the thermal turbulent boundary layer accompanying the unsteady flow structures.

Efficiency improvement study for small wind turbines through flow control

In this study, a constant suction technique for controlling boundary layer separation at low Reynolds numbers was designed and tested. This was later implemented on small wind turbines. Small wind turbines need to operate in low wind speeds, that is, in low Reynolds number regimes – typically in the range 104–105. Airfoils are prone to boundary layer separation in these conditions, leading to a substantial drop in aerodynamic performance of the blades. Under these conditions turbines will have reduced energy output. This paper presents experimental results of applying surface-suction over the suction-surface of airfoils for controlling boundary layer separation. The Reynolds numbers for the experiments are kept in the range 8×104–5×105. The air over the surface of the airfoil is drawn into the airfoil through a slit. It is found that the lift coefficient of the airfoils increases and the drag reduces. Based on the improved airfoil characteristics, an analysis of increase in Coefficient of Power (CP), versus input power for a small wind turbine blade with constant suction is presented.

Seasonal differences in the effects of oscillatory and uni-directional flow on the growth and nitrate-uptake rates of juvenile Laminaria digitata (Phaeophyceae)

The influence of oscillatory versus unidirectional flow on the growth and nitrate-uptake rates of juvenile kelp, Laminaria digitata, was determined seasonally in experimental treatments that simulated as closely as possible natural environmental conditions. In winter, regardless of flow condition (oscillatory and unidirectional) or water velocity, no influence of water motion was observed on the growth rate of L. digitata. In summer, when ambient nitrate concentrations were low, increased water motion enhanced macroalgal growth, which is assumed to be related to an increase in the rate of supply of nutrients to the blade surface. Nitrate-uptake rates were significantly influenced by water motion and season. Lowest nitrate-uptake rates were observed for velocities <5 cm · s−1 and nitrate-uptake rates increased by 20%–50% under oscillatory motion compared to unidirectional flow at the same average speed. These data further suggested that the diffusion boundary layer played a significant role in influencing nitrate-uptake rates. However, while increased nitrate-uptake in oscillatory flow was clear, this was not reflected in growth rates and further work is required to understand the disconnection of nitrate-uptake and growth by L. digitata in oscillatory flow. The data obtained support those from related field-based studies, which suggest that in summer, when insufficient nitrogen is available in the water to saturate metabolic demand, the growth rate of kelps will be influenced by water motion restricting mass transfer of nitrogen.

Constrained Multi-Objective Aerofoil Design Using a Multi-Level Optimisation Strategy

A novel approach for the multi-objective design optimisation of aerofoil profiles is presented. The proposed method aims to exploit the relative strengths of global and local optimisation algorithms, whilst using surrogate models to limit the number of computationally expensive CFD simulations required. The local search stage utilises a re-parameterisation scheme that increases the flexibility of the geometry description by iteratively increasing the number of design variables, enabling superior designs to be generated with minimal user intervention. Capability of the algorithm is demonstrated via the conceptual design of aerofoil sections for use on a lightweight laminar flow business jet. The design case is formulated to account for take-off performance while reducing sensitivity to leading edge contamination. The algorithm successfully manipulates boundary layer transition location to provide a potential set of aerofoils that represent the trade-offs between drag at cruise and climb conditions in the presence of a challenging constraint set. Variations in the underlying flow physics between Pareto-optimal aerofoils are examined to aid understanding of the mechanisms that drive the trade-offs in objective functions.

A techno-economic feasibility study of high altitude wind power in Northern Ireland

Globally the amount of installed terrestrial wind power both onshore and offshore has grown rapidly over the last twenty years. Most large onshore and offshore wind turbines are designed to harvest winds within the atmospheric boundary layer, which can be vary variable due to terrain and weather effects. The height of the neutral atmospheric boundary layer is estimated at above 1300m. A relatively new concept is to harvest more consistent wind conditions above the atmospheric boundary layer using high altitude wind harvesting devices such as tethered kites, air foils and dirigible rotors. This paper presents a techno-economic feasibility study of high altitude wind power in Northern Ireland. First this research involved a state of the art review of the resource and the technologies proposed for high altitude wind power. Next the techno-economic analysis involving four steps is presented. In step one, the potential of high altitude wind power in Northern Ireland using online datasets (e.g. Earth System Research Laboratory) is estimated. In step two a map for easier visualisation of geographical limitations (e.g. airports, areas of scenic beauty, flight paths, military training areas, settlements etc.) that could impact on high altitude wind power is developed. In step three the actual feasible resource available is recalculated using the visualisation map to determine the ‘optimal’ high altitude wind power locations in Northern Ireland. In the last step four the list of equipment, resources and budget needed to build a demonstrator is provided in the form of a concise techno-economic appraisal using the findings of the previous three steps.

Hydraulics of stepped chutes: experimental-numerical-theoretical study

O estudo de escoamentos turbulentos em descarregadores em degraus tem sido um desafio para os investigadores. A macro-rugosidade do leito, a ondulação da superfície livre, a intermitência da localização da secção inicial de entrada de ar e o escoamento bi-fásico a jusante da secção inicial de entrada de ar fazem com que a caracterização do escoamento deslizante sobre turbilhões em descarregadores em degraus não seja simples. Actualmente, é possível combinar técnicas de medição fiáveis com simulações numéricas e análise teórica. Nesta dissertação, o estudo experimental baseia-se em resultados experimentais obtidos em duas instalações experimentais: a instalação A, do Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC), dotada de um descarregador em degraus com declive de 1V:0.75H e a instalação B, do Instituto Superior Técnico (IST), dotada de um descarregador em degraus com declive de 1V:2H. Uma sonda de ar, um tubo de Pitot modificado e vários hidrómetros permitiram o estudo do escoamento deslizante sobre turbilhões mono- e bifásico ao longo do descarregador em degraus da instalação A. Na bacia de dissipação de energia, a observação visual do escoamento foi auxiliada pelas leituras efectuadas em tomadas de pressão localizadas na soleira da bacia e pelas leituras da altura do escoamento efectuadas em réguas graduadas localizadas nas paredes da bacia. Na instalação B foram utilizados um tubo de Pitot e vários hidrómetros para estudar a região não arejada do escoamento deslizante sobre turbilhões no descarregador em degraus. O estudo numérico é baseado em simulações numéricas da região não arejada do escoamento deslizante sobre turbilhões sobre descarregadores em degraus com o código comercial de CFD FLOW-3D® de modo a reproduzir as condições ensaiadas experimentalmente. As simulações beneficiaram da técnica de blocos múltiplos (multi-block) num sistema de coordenadas cartesianas, da determinação da superfície livre pelo método TruVOF e da utilização de dois modelos de turbulência: os modelos k- e RNG k-. Por último, o estudo teórico consistiu em desenvolver um modelo simplificado 1D para determinar as características hidráulicas principais do trecho não arejado do escoamento deslizante sobre turbilhões em descarregadores em degraus. O modelo foi desenvolvido a partir das equações de Navier-Stokes, conjuntamente com resultados experimentais e numéricos. Os resultados apresentados nesta dissertação contribuem para o conhecimento do escoamento deslizante sobre turbilhões em descarregadores em degraus, nomeadamente na região não arejada, na secção inicial de entrada de ar e na região arejada. A hidráulica dos dissipadores de energia a jusante de descarregadores em degraus, em particular das bacias tipo III do USBR, é também objecto de estudo. Em relação à região não arejada do escoamento em descarregadores com declive acentuado, e com base em resultados experimentais e numéricos, são propostas expressões para estimar o desenvolvimento da altura equivalente de água, da espessura da camada limite, da concentração média de ar, do coeficiente de energia cinética, da dissipação de energia, do factor de resistência e do coeficiente n da fórmula de Manning. São ainda propostas expressões adimensionais para a energia cinética turbulenta e sua dissipação. Para declives moderados, são propostas expressões para estimar o desenvolvimento da altura equivalente de água, do coeficiente de energia cinética e da energia específica residual. São ainda apresentados valores do expoente 1/N da expressão adimensional da distribuição de velocidades, quer para descarregadores com declive acentuado quer com declive moderado. Em conformidade com outros estudos centrados em escoamentos de parede e com derivações teóricas, para a região não arejada do escoamento em descarregadores em degraus de acentuado declive, observa-se que o factor de resistência depende da macro-rugosidade criada pelos degraus e da geometria da secção transversal e que o coeficiente n da fórmula de Manning aumenta com a rugosidade. A descrição estatística da turbulência do escoamento é igualmente explorada, contribuindo para o conhecimento da estrutura do escoamento. Observou-se que para números de Reynolds rugoso não superiores a 6.8x104 a energia cinética turbulência e a sua dissipação cumprem leis de semelhança. Estas expressões adimensionais estão de acordo com os resultados obtidos por outros autores para escoamentos completamente desenvolvidos em canais abertos e no escoamento em rios com leito de gravilha. Em acréscimo, a taxa de dissipação de energia, quer para descarregadores de declive acentuado quer de moderado declive, é baixa. Por último, observa-se que os valores da média temporal da concentração de ar entre 0 e 1 medidos na região não arejada do escoamento dizem respeito não só ao ar capturado entre ondas de água, na zona de ondulação da superfície livre, mas também ao ar emulsionado no escoamento, i.e., sob a forma de bolhas de ar, quando perto da secção média inicial de entrada de ar, devido à diferença entre localizações instantânea e média temporal. Foram revistas metodologias e fórmulas para estimar a localização da secção inicial de entrada de ar e apresentadas expressões para estimar a concentração média de ar e a altura equivalente de água nessa secção. Relativamente à região de escoamento arejado em descarregadores em degraus com declive acentuado, os resultados experimentais apresentados nesta dissertação permitiram estimar a influência da definição da superfície livre nos parâmetros hidráulicos da região do escoamento arejado e estimar a máxima elevação do escoamento nesta região do escoamento. Com base nos resultados experimentais obtidos na bacia de dissipação de energia do tipo III do USBR localizada a jusante do descarregador em degraus da instalação A, observou-se que os perfis da altura piezométrica e da altura do escoamento tendem a seguir o perfil recomendado pelo USBR para bacias tipo III. A excepção ocorre à entrada da bacia, onde as alturas piezométricas apresentadas nesta dissertação excedem largamente as apresentadas pelo USBR. É ainda observado que, tal como entre as bacias tipo I e tipo III do USBR, o ressalto hidráulico estabiliza muito mais rapidamente numa bacia tipo III a jusante de um descarregador em degraus do que uma bacia tipo I a jusante do mesmo descarregador em degraus. Finalmente, observa-se que os blocos de amortecimento a colocar no descarregador não têm influência visível nos resultados da altura piezométrica nem da altura do escoamento ao longo da bacia. Relativamente às simulações numéricas do escoamento não arejado, a proximidade entre resultados experimentais e numéricos permite validar o modelo teórico e a integração numérica usados no FLOW-3D®. As simulações desenvolvidas também mostraram que o modelo de turbulência k- permite representar as características do escoamento não arejado em descarregadores em degraus, uma vez que não foram observadas diferenças significativas entre as simulações com este modelo e com o modelo RNG k-. Finalmente, observou-se que o modelo de entrada de ar usado no FLOW-3D® é válido para estimar a localização da secção inicial de entrada de ar. Por último, a proximidade entre os resultados obtidos da aplicação do modelo teórico desenvolvido no âmbito desta dissertação e os resultados experimentais indica que as hipóteses e simplificações consideradas no desenvolvimento do modelo são adequadas.

Microstructure design of Titanate-based electroceramics

Electrocerâmicos são uma classe de materiais avançados com propriedades eléctricas valiosas para aplicações. Estas propriedades são geralmente muito dependentes da microestrutura dos materiais. Portanto, o objectivo geral deste trabalho é investigar o desenho da resposta dieléctrica de filmes espessos obtidos por Deposição Electroforética (EPD) e cerâmicos monolíticos, através do controlo da evolução da microestrutura durante a sinterização de electrocerâmicos à base de titanatos. Aplicações sem fios na indústria microelectrónica e de comunicações, em rápido crescimento, tornaram-se um importante mercado para os fabricantes de semicondutores. Devido à constante necessidade de miniaturização, redução de custos e maior funcionalidade e integração, a tecnologia de filmes espessos está a tornar-se uma abordagem de processamento de materiais funcionais cada vez mais importante. Uma técnica adequada neste contexto é EPD. Os filmes espessos resultantes necessitam de um passo subsequente de sinterização que é afectada pelo substrato subjacente, tendo este um forte efeito sobre a evolução da microestrutura. Relacionado com a miniaturização e a discriminação do sinal, materiais dieléctricos usados como componentes operando a frequências das microondas em aplicações na industria microelectrónica de comunicações devem apresentar baixas perdas dieléctricas e elevadas permitividade dieléctrica e estabilidade com a temperatura. Materiais do sistema BaO-Ln2O3- TiO2 (BLnT: Ln = La ou Nd), como BaLa4Ti4O15 (BLT) e Ba4.5Nd9Ti18O54 (BNT), cumprem esses requisitos e são interessantes para aplicações, por exemplo, em estações de base para comunicações móveis ou em ressonadores para telefones móveis, onde a miniaturização dos dispositivos é muito importante. Por sua vez, o titanato de estrôncio (SrTiO3, STO) é um ferroeléctrico incipiente com constante dieléctrica elevada e baixas perdas, que encontra aplicação em, por exemplo, condensadores de camada interna, tirando partido de fronteiras de grão altamente resistivas. A dependência da permitividade dieléctrica do campo eléctrico aplicado torna este material muito interessante para aplicações em dispositivos de microondas sintonizáveis. Materiais à base de STO são também interessantes para aplicações termoeléctricas, que podem contribuir para a redução da actual dependência de combustíveis fósseis por meio da geração de energia a partir de calor desaproveitado. No entanto, as mesmas fronteiras de grão resistivas são um obstáculo relativamente à eficiência do STO para aplicações termoeléctricas. Para além do efeito do substrato durante a sinterização constrangida, outros factores, como a presença de fase líquida, a não-estequiometria ou a temperatura de sinterização, afectam significativamente não apenas a microestrutura dos materiais funcionais, mas também a sua resposta dieléctrica. Se adequadamente compreendidos, estes factores podem ser intencionalmente usados para desenhar a microestrutura dos electrocerâmicos e, desta forma, as suas propriedades dieléctricas. O efeito da não-estequiometria (razão Sr/Ti 0.995-1.02) no crescimento de grão e resposta dieléctrica de cerâmicos de STO foi investigado neste trabalho. A mobilidade das fronteiras de grão aumenta com a diminuição da razão Sr/Ti. A resistividade do interior dos grãos e das fronteiras de grão é sistematicamente diminuída em amostras não-estequiométricas de STO, em comparação com o material estequiométrico. O efeito é muito mais forte para as fronteiras de grão do que para o seu interior. Dependências sistemáticas da não-estequiometria foram também observadas relativamente à dependência da condutividade da temperatura (muito mais afectada no caso da contribuição das fronteiras de grão), à capacitância do interior e fronteiras de grão e à espessura das fronteiras de grão. Uma anomalia no crescimento de grão em cerâmicos de STO ricos em Ti foi também observada e sistematicamente analisada. Foram detectadas três descontinuidades na dependência do tipo Arrhenius do crescimento de grão relativamente à temperatura com diminuições no tamanho de grão a temperaturas em torno de 1500, 1550 e 1605 °C. Além disso, descontinuidades semelhantes foram também observadas na dependência da energia de activação relativamente à condutividade das fronteiras de grão e na espessura das fronteiras de grão, avaliadas por Espectroscopia de Impedância. Estas notáveis coincidências suportam fortemente a formação de diferentes complexos de fronteira de grão com transições entre os regimes de crescimento de grão observados, que podem ser correlacionados com diferentes mobilidades de fronteira de grão e propriedades dieléctricas. Um modelo é sugerido, que se baseia na diminuição da fase líquida localizada nas fronteiras de grão, como o aumento da temperatura de sinterização, um cenário compatível com um fenómeno de solubilidade retrógrada, observado anteriormente em metais e semicondutores, mas não em cerâmicos. A EPD de filmes espessos de STO em substratos de folha de Pt e a sinterização constrangida dos filmes fabricados foram também preliminarmente tratadas. Filmes espessos de STO foram depositados com êxito por EPD sobre substratos de Pt e, depois de sinterizados, atingiram densidades elevadas. Um aumento da densificação e do tamanho de grão assim como o alargamento da distribuição de tamanho do grão foram observados com a diminuição da razão Sr/Ti, tal como anteriormente observado em amostras cerâmicas. Grãos equiaxiados foram observados para todas as composições, mas um certo grau de anisotropia na orientação dos poros foi detectado: os poros revelaram uma orientação vertical preferencial. Este trabalho focou-se também na sinterização constrangida do sistema BLnT (Ln = La ou Nd), nomeadamente de filmes espessos de BLT e BNT sobre substratos de folha de platina, e na relação do desenvolvimento de anisotropia microestrutural com as propriedades dieléctricas. As observações durante a sinterização constrangida foram comparadas com cerâmicos monolíticos equivalentes sinterizados livremente. Filmes espessos de BLnT (Ln = La ou Nd) com elevada densidade foram obtidos por EPD e subsequente sinterização constrangida. A anisometria cristalográfica do material em conjunto com um passo de sinterização constrangida resultou em grãos alongados e microestruturas anisotrópicas. O efeito do stress do substrato durante a sinterização constrangida originou graus mais elevados de anisotropia (grãos e poros alongados e orientação preferencial, bem como textura cristalográfica) nos filmes sinterizados relativamente aos cerâmicos equivalentes sinterizados livremente, não obstante o estado equivalente das amostras em verde. A densificação dos filmes de BLnT (Ln = La ou Nd) é retardada em comparação com os cerâmicos, mas depois de longos tempos de sinterização densidades semelhantes são obtidas. No entanto, em oposição a observações na sinterização constrangida de outros sistemas, o crescimento do grão em filmes de BLnT (Ln = La ou Nd) é favorecido pelo constrangimento causado pelo substrato. Além disso, grãos e poros alongados orientados paralelamente ao substrato foram desenvolvidos durante a sinterização constrangida de filmes espessos. Verificou-se uma forte correlação entre a evolução de grãos e poros, que começou assim que o crescimento do grão se iniciou. Um efeito da tensão do substrato no aumento do crescimento de grão, bem como um forte “Zener pinning”, origina microestruturas altamente texturizadas, o que também é observado a nível cristalográfico. Efeitos marcantes da anisotropia microestrutural foram também detectados nas propriedades dieléctricas dos filmes de BLnT (Ln = La ou Nd). Juntamente com o aumento da razão de aspecto dos grãos, do factor de orientação e do grau de textura cristalográfica, a permitividade relativa é ligeiramente diminuída e o coeficiente de temperatura da permitividade evolui de negativo para positivo com o aumento do tempo isotérmico de sinterização. Este trabalho mostra que a não-estequiometria pode ser usada para controlar a mobilidade das fronteiras de grão e, portanto, desenhar a microestrutura e as propriedades dieléctricas de electrocerâmicos à base de STO, com ênfase nas propriedades das fronteiras de grão. O papel da não-estequiometria no STO e dos complexos de fronteira de grão no desenvolvimento microestrutural é discutido e novas oportunidades para desenhar as propriedades de materiais funcionais são abertas. As observações relativamente à sinterização constrangida apontam para o efeito de tensões mecânicas desenvolvidas devido ao substrato subjacente no desenvolvimento da microestrutura de materiais funcionais. É assim esperado que a escolha adequada de substrato permitia desenhar a microestrutura de filmes espessos funcionais com desempenho optimizado. “Stress Assisted Grain Growth” (SAGG) é então proposto como uma técnica potencial para desenhar a microestrutura de materiais funcionais, originando microestruturas anisotrópicas texturizadas com propriedades desejadas.

Wind energy resource modelling in Portugal and its future large-scale alteration due to anthropogenic induced climate changes

The high dependence of Portugal from foreign energy sources (mainly fossil fuels), together with the international commitments assumed by Portugal and the national strategy in terms of energy policy, as well as resources sustainability and climate change issues, inevitably force Portugal to invest in its energetic self-sufficiency. The 20/20/20 Strategy defined by the European Union defines that in 2020 60% of the total electricity consumption must come from renewable energy sources. Wind energy is currently a major source of electricity generation in Portugal, producing about 23% of the national total electricity consumption in 2013. The National Energy Strategy 2020 (ENE2020), which aims to ensure the national compliance of the European Strategy 20/20/20, states that about half of this 60% target will be provided by wind energy. This work aims to implement and optimise a numerical weather prediction model in the simulation and modelling of the wind energy resource in Portugal, both in offshore and onshore areas. The numerical model optimisation consisted in the determination of which initial and boundary conditions and planetary boundary layer physical parameterizations options provide wind power flux (or energy density), wind speed and direction simulations closest to in situ measured wind data. Specifically for offshore areas, it is also intended to evaluate if the numerical model, once optimised, is able to produce power flux, wind speed and direction simulations more consistent with in situ measured data than wind measurements collected by satellites. This work also aims to study and analyse possible impacts that anthropogenic climate changes may have on the future wind energetic resource in Europe. The results show that the ECMWF reanalysis ERA-Interim are those that, among all the forcing databases currently available to drive numerical weather prediction models, allow wind power flux, wind speed and direction simulations more consistent with in situ wind measurements. It was also found that the Pleim-Xiu and ACM2 planetary boundary layer parameterizations are the ones that showed the best performance in terms of wind power flux, wind speed and direction simulations. This model optimisation allowed a significant reduction of the wind power flux, wind speed and direction simulations errors and, specifically for offshore areas, wind power flux, wind speed and direction simulations more consistent with in situ wind measurements than data obtained from satellites, which is a very valuable and interesting achievement. This work also revealed that future anthropogenic climate changes can negatively impact future European wind energy resource, due to tendencies towards a reduction in future wind speeds especially by the end of the current century and under stronger radiative forcing conditions.

Connectivity patterns and early life history of the black-faced blenny Tripterygion delaisi (Cadenat and Blache, 1970)

Tese de doutoramento, Ciências do Mar, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2015

Long-range Transport of Ambrosia Pollen to Poland

The long-range transport of Ambrosia pollen to Poland is intermittent and mainly related to the passage of air masses over the Carpathian and Sudetes mountains. These episodes are associated with hot dry weather, a deep Planetary Boundary Layer (PBL) in the source areas and winds from the south. Such episodes can transport significant amounts of Ambrosia pollen into Poland. The study investigates Ambrosia pollen episodes at eight sites in Poland during the period 7th to 10th September 2005, by examining temporal variations in Ambrosia pollen and back-trajectories. PBL depths in the likely source areas were calculated with the Eta meteorological model and evaluated against the mountain heights. Considerable amounts of Ambrosia pollen were recorded at several monitoring sites during the night or early in the morning of the investigated period. Trajectory analyses shows that the air masses arriving at the Polish sites predominantly came from the south, and were in the Czech Republic, Slovakia and Hungary the previous day indicating these countries as potential source areas. We have shown the progress of Ambrosia plumes into Poland from the south of the country, probably from Slovakia and Hungary, and demonstrated how Lagrangian back-trajectory models and meteorological models can be used to identify possible transport mechanisms of Ambrosia pollen from potential source regions.

Application of WRF-Chem to Forecasting PM10 Concentration over Poland

The meteorological and chemical transport model WRF-Chem was implemented to forecast PM10 concentrations over Poland. WRF-Chem version 3.5 was configured with three one way nested domains using the GFS meteorological data and the TNO MACC II emissions. Forecasts, with 48h lead time, were run for a winter and summer period 2014. WRF-Chem in general captures the variability in observed PM10 concentrations, but underestimates some peak concentrations during winter-time. The peaks coincide with either stable atmospheric condition during nighttime in the lower part of the planetary boundary layer or on days with very low surface temperatures. Such episodes lead to increased combustion in residential heating, where hard coal is the main fuel in Poland. This suggests that a key to improvement in the model performance for the peak concentrations is to focus on the simulation of PBL processes and the distribution of emissions with high resolution in WRF-Chem.

A sensitivity study of the WRF model in wind simulation for an area of high wind energy

The performance of the Weather Research and Forecast (WRF) model in wind simulation was evaluated under different numerical and physical options for an area of Portugal, located in complex terrain and characterized by its significant wind energy resource. The grid nudging and integration time of the simulations were the tested numerical options. Since the goal is to simulate the near-surface wind, the physical parameterization schemes regarding the boundary layer were the ones under evaluation. Also, the influences of the local terrain complexity and simulation domain resolution on the model results were also studied. Data from three wind measuring stations located within the chosen area were compared with the model results, in terms of Root Mean Square Error, Standard Deviation Error and Bias. Wind speed histograms, occurrences and energy wind roses were also used for model evaluation. Globally, the model accurately reproduced the local wind regime, despite a significant underestimation of the wind speed. The wind direction is reasonably simulated by the model especially in wind regimes where there is a clear dominant sector, but in the presence of low wind speeds the characterization of the wind direction (observed and simulated) is very subjective and led to higher deviations between simulations and observations. Within the tested options, results show that the use of grid nudging in simulations that should not exceed an integration time of 2 days is the best numerical configuration, and the parameterization set composed by the physical schemes MM5–Yonsei University–Noah are the most suitable for this site. Results were poorer in sites with higher terrain complexity, mainly due to limitations of the terrain data supplied to the model. The increase of the simulation domain resolution alone is not enough to significantly improve the model performance. Results suggest that error minimization in the wind simulation can be achieved by testing and choosing a suitable numerical and physical configuration for the region of interest together with the use of high resolution terrain data, if available.