Evolução de camada limite planetária para dispersão de poluentes pelo método da GILTT

O objetivo deste trabalho é obter os parâmetros turbulentos para o crescimento da camada limite planetária (CLP), durante a realizaçãoo do experimento Olad (Overland along wind dispersion experiment), conduzido na transição da noite para o dia. Nesta hora a CLP exibe uma altura, geralmente, pequena, disponibilizando pouco volume para a dispersão dos poluentes. Assim, concentrações superficiais elevadas podem ocorrer, atacando materiais, plantas e a saúde da população. Logo, conhecer os parâmetros do crescimneto é de fundamental importância para o correto modelamento da dispersão atmosférica ao amanhecer. A validação dos parâmetros é realizada a partir da solução da equação da difusão-advecção bidimensional, pelo método da GILTT (Generalized Integral Laplace Transform Technique). São empregados coeficientes de difusão turbulenta (problema de fechamento) dependentes da estabilidade atmosférica. As concentrações superficiais tridimensionais são obtidas através do espalhamento lateral da pluma com distribuição gaussiana. Apresentam-se os resultados numéricos e estatísticos, comparando os resultados obtidos com os dados experimentais. O modelo proposto mostrou-se aceitável em relação aos dados do experimento.

Estudo comparativo da estrutura da turbulência atmosférica na camada limite superficial acima da floresta primária e região desmatada da Amazônia: análise de ondeletas aplicadas à detecção de estruturas correntes

Foram analisados dados turbulentos de resposta rápida, coletados em torres micrometeorológicas de 54 metros de altura em Caxiuanã-Pa, de 60 metros de altura na Rebio-Jarú-Ro e em torre de 4,04 metros de altura na Fazenda Nossa Senhora-Ro. Foi desenvolvido estudo comparativo de detecção de estruturas coerentes em dados obtidos acima de florestas e pastagem, portanto sob diferentes condições de rugosidade superficial. Aplicou-se a Transformada em Ondeletas de Morlet para identificar a escala de ocorrência das estruturas coerentes nos sinais de temperatura. Comparou-se a duração média e o comprimento médio das estruturas coerentes para duas.superfícies com rugosidades superficiais diferentes: Caxiuanã e Fazenda Nossa Senhora. Parâmetros de estabilidade atmosférica foram calculados para propiciar um estudo da variabilidade das estruturas coerentes em função das condições de estabilidade atmosférica. Foi calculado sobre a Rebio-Jarú a altura do ponto de inflexão do perfil vertical da velocidade do vento médio e a partir do valor do mesmo observou-se uma nítida correlação deste com a escala de ocorrência das estruturas coerentes. Finalmente, foram calculados os coeficientes de correlação para os sinais brutos e na escala de ocorrência das estruturas coerentes com a finalidade de melhor compreender os resultados de um ponto de vista da ação das estruturas coerentes na mistura turbulenta. Os resultados mostram um comportamento marcadamente diferente, no que diz respeito à floresta e à pastagem. Observou-se que em superfícies rugosas, tais com florestas, em condições próximas da neutralidade, predominam padrões de oscilações associados as escalas temporais da ordem de 80 s, as quais provavelmente, são manifestações de estruturas do tipo "rolos". No entanto, à medida que a altura do ponto de inflexão se aproximou do topo do dossel ocorreu uma diminuição na duração das estruturas coerentes. Além disso, foi observado que o coeficiente de correlação calculado na escala de ocorrência das estruturas coerentes foi consideravelmente maior que o mesmo calculado para o sinal bruto. Tais resultados sugerem mudanças significativas na estrutura da turbulência em regiões desmatadas comparativamente àquelas em que foram mantidas as florestas primárias da Amazônia.

Solução da equação de difusão unidimensional transiente para o estudo da dispersão de poluentes na camada limite planetária

Neste trabalho apresenta-se uma solução analítica para a dispersão vertical turbulenta em uma Camada Limite Convectiva e em uma Camada Limite Estável. A equação analisada considera a difusão com velocidades finitas, o que representa o transporte turbulento fisicamente correto. Considerando o caráter não-local, adicionam-se na equação que representa uma fonte área instantânea, termos como: o tempo de relaxação, a assimetria, a escala de tempo Lagrangeana e a velocidade turbulenta vertical. A solução é obtida utilizando-se a técnica da Transformada de Laplace. Os parâmetros que encerram a turbulência são derivados da teoria de difusão estatística de Taylor combinada com a teoria de similaridade. Foram utilizados coeficientes de difusão especáficos para cada uma das camadas. A transformada inversa é obtida através do esquema numérico de quadratura Gaussiana. São apresentadas várias simulações para diferentes alturas de fonte área e obtém-se o valor da concentração para alturas próximas ao solo e próximas ao topo da Camada Limite Planetária. A inserção do termo de contra-gradiente na equação resultou em uma pequena influência na concentração de poluentes, observada de forma mais expressiva na Camada Limite Convectiva.

Estudo micrometeorológico da camada limite planetária estável na região de Porto Alegre

A análise micrometeorológica da camada limite planetária implica na obtenção de parâmetros de escala. Estas escalas típicas dão a noção da estrutura espacial e temporal da Camada Planetária, que estão diretamente ligada aos forçantes na superfície. Para tanto, necessita-se dos dados de perfis que caracterizam estes fluxos, os dados utilizados foram obtidos em 1995 e 1996. Estas radiossondagens foram realizadas no Aeroporto Salgado Filho na cidade de Porto Alegre, RS. Os perfis da temperatura e do cisalhamento do vento foram obtidos com uma resolução na vertical em torno de 50 metros. Com estes dados estimou-se a altura da camada de inversão através do perfil de temperatura potencial. A camada de mistura turbulenta estimou-se pelo cálculo do perfil do Número de Richardson. Como também, analisa-se o comportamento do jato de nível baixo, sua altura e direção. Procura-se reconhecer o tipo de resfriamento que é significante, radiativo ou turbulento. Com estes parâmetros típicos procura-se caracterizar a dinâmica da dispersão de poluentes dentro da camada.

Análise quali-quantitativa do deslocamento da camada-limite em carrocerias veiculares

Dois dos principais objetivos no estudo da aerodinâmica de veículos é a segurança e o desempenho. Esses objetivos podem ser alcançados através do desenvolvimento de dispositivos que modifiquem o escoamento de ar ao redor do veículo e também através de alterações da forma das superfícies externas. O perfil mais baixo da frente do veículo, por exemplo, tem grande influência sobre o coeficiente de penetração aerodinâmica (Cx) e posteriormente sobre grande parte da distribuição de pressão ao longo da superfície do veículo. O objetivo deste trabalho foi de analisar o comportamento aerodinâmico que incide sobre 2 (dois) tipos de carrocerias de veículos, baseado em experimentação em túnel aerodinâmico, visando determinar a eficiência aerodinâmica de cada uma delas. Foram comparados dois modelos de veículos, sendo um deles com configuração familiar, muito comum nas grandes cidades e outro modelo com configuração esportiva mais voltado para o desempenho, ambos com escala 1:18. Para a realização do experimento foi construído um túnel aerodinâmico do tipo soprador com circuito aberto, onde foram analisadas as distribuições de pressão nas superfícies inferiores e superiores da carroceria dos modelos e o deslocamento da camada-limite. Tomando-se por base toda a teórica deste trabalho, com relação à aerodinâmica de carroceria, considerou-se nesta dissertação que essa filosofia de pesquisa é capaz de gerar reflexos positivos, que podem tornar os veículos cada vez mais eficientes e influenciar positivamente nos níveis de segurança e desempenho

Simulação numérica da camada limite planetária na região de Iperó, SP-Brasil

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Análise de um cilindro submetido à excitação acústica por camada limite turbulenta

A launching rocket and its payload are submitted to strong acoustic loads in some moments of its flight like lift off, during transonic flight and in the instant of maximum dynamic pressure. These loads could affect the payload and other rocket internal equipment. It must be taken into account that in the higher stages, where delicate control equipment and the payload are placed, the acoustic excitations are dominant. The knowledge of the acoustic loads is of great importance in order to provide estimated loads for the design phase, define intensity level to specify qualification and acceptation acoustic tests to which subsystems and elements of the launcher and its payload shall be submitted and to design an acoustic … (Complete abstract click electronic access below)

Solução analítica da equação de difusão-advenção pelo método GILTT aplicada à dispersão de poluentes atmosféricos

O objetivo deste trabalho é obter uma nova solução analítica para a equação de advecção-difusão. Para tanto, considera-se um problema bidimensional difusivo-advectivo estacionário com coeficiente de difusão turbulenta vertical variável que modela a dispersão de poluentes na atmosfera. São utilizados três coeficientes difusivos válidos na camada limite convectiva e que dependem da altura, da distância da fonte e do perfil de velocidade. A abordagem utilizada para a resolução do problema é a técnica da Transformada Integral Generalizada, na qual a equação transformada do problema difusivo-advectivo é resolvida pela técnica da Transformada de Laplace com inversão analítica. Nenhuma aproximação é feita durante a derivação da solução, sendo assim, esta é exata exceto pelo erro de truncamento. O modelo ´e avaliado em condições moderadamente instáveis usando o experimento de Copenhagen. Apresentam-se os resultados numéricos e estatísticos, comparando os resultados obtidos com dados experimentais e com os resultados da literatura. O modelo proposto mostrou-se satisfatório em relação aos dados dos experimentos difusivos considerados.

Poluentes atmosféricos: monóxido e dióxido de carbono no nordeste do Brasil

The interference of man in the middle atmosphere can be evidenced by the presence of carbon monoxide, gas associated with burning fossil fuels and carbon dioxide content, essential for respiration of plants and thermal balance of the Earth. In this thesis we initially evaluated the intensity of the spatial distribution of carbon monoxide in the Northeast of Brazil, and subsequently the behavior of temporal variations of the pollutants carbon monoxide and carbon dioxide in the atmospheric boundary layer Maxaranguape / RN. Research has shown that, driven by speculation and promoting the occupation of land for agriculture, cattle ranching and tourism in the Northeast of Brazil, the changes established by the man in the middle geomorphological affect the lower troposphere on a large scale, with a predominance of concentrations in central Pernambuco, Paraiba's south-central and central-west of Alagoas. However, the study of Maxaranguape / RN results showed little variation in carbon monoxide and carbon dioxide, with the speed of the wind persisting with values greater than 7.8 m / s, showing dispersion and diffusion of pollutants which resulted in faster renewal of local atmospheric air

Avaliação de características dos regimes de umidade na flona de Caxiuanã-PA durante o experimento COBRA-PARÁ

Procura-se investigar a validade de um método de classificação de regimes de umidade, baseado na caracterização de diferentes "estados" da Camada Limite Atmosférica Tropical (CLAT), acima de uma área de floresta, de acordo com a metodologia proposta por Mahrt (1991). Para essas análises foram utilizados dados de radiossondagens e de uma torre micrometeorológica, coletados durante o período menos chuvoso da região, obtidos durante o experimento "COBRA-PARÁ" (realizado no período de 30/10 a 15/11 de 2006). A análise dos regimes de umidade consiste na representação em espaço de fase dos dados disponíveis da razão de Bowen (β), em função do parâmetro -h/L (onde h é a altura da camada de mistura turbulenta e L é o comprimento de Obukhov). Dependendo da localização dos dados nesse espaço foi possível caracterizar as seguintes classes: classe I - ar seco e instável; classe II - vento seco predominante; classe III - vento úmido; classe IV - condição úmida e instável; classe V - condensação de vapor d'água na superfície; classe VI - condição estável dominante; e classe VII -formação de orvalho induzido por radiação noturna resfriando a superfície. Das classes mencionadas, aquelas mais freqüentemente observadas em Caxiuanã, foram as III, IV e VI.

Caracterização de regimes de umidade em regiões tropicais: comparação entre floresta e savana

Este trabalho tem como objetivo investigar um método de classificação de regimes de umidade, baseado na caracterização de diferentes “estados” da Camada Limite Atmosférica Tropical (CLAT), tanto acima de uma área de floresta quanto acima de uma área de savana, de acordo com a metodologia proposta por Mahrt (1991). A partir dessa classificação é elaborado um aperfeiçoamento da mesma que incorpora tanto uma análise da estabilidade termodinâmica da CLAT para a área de floresta, quanto uma investigação sobre a contribuição da Energia Potencial Disponível para Convecção (CAPE) para a classificação dos regimes de umidade. Para essas análises foram utilizados dados de radiossondagens e de torres micrometeorológicas, coletados durante o período menos chuvoso de cada região. Esses dados foram obtidos durante experimentos de campo realizados nas áreas de estudo, sendo que para a área de floresta (Caxiuanã) se utilizaram os dados do experimento COBRA-PARÁ (realizado no período de 06 a 13/11 de 2006), enquanto que para a área de savana (Daly Waters) se utilizaram os dados do experimento “KOORIN” (realizado no período de 15/07 a 13/08 de 1974, na Austrália). A comparação entre os regimes de umidade de cada região sugere que, caso houvesse a savanização da Amazônia, a mesma apresentaria uma atmosfera seca, com a maior parte da energia utilizada para o aquecimento dessa atmosfera, com baixos índices de evapotranspiração, menores taxas de precipitação e inexistência de CAPE. Por outro lado, a análise da estabilidade da atmosfera para Caxiuanã mostrou que, contrariamente ao observado em experimentos na Amazônia Ocidental, na Amazônia Oriental, durante o experimento COBRA-PARÁ, os maiores valores de CAPE ocorreram às 18:00 HL, possivelmente, em decorrência da convergência de umidade que provém da baía de Caxiuanã através da circulação de brisa terrestre. Isso indica que nessa região os máximos de CAPE estiveram associados predominantemente aos campos de umidade e não aos de temperatura. Para essas condições de CLAT “perturbada” o espaço de fase proposto por Mahrt (1991) não caracteriza muito bem regimes de umidade associados a grandes valores da CAPE.

Energia eólica em alto mar: distribuição dos recursos e complementaridade hídrica

The stabilization of energy supply in Brazil has been a challenge for the operation of the National Interconnected System in face of hydrological and climatic variations. Thermoelectric plants have been used as an emergency source for periods of water scarcity. The utilization of fossil fuels, however, has elevated the cost of electricity. On the other hand, offshore wind energy has gained importance in the international context and is competitive enough to become a possibility for future generation in Brazil. In this scenario, the main goal of this thesis was to investigate the magnitude and distribution of offshore wind resources, and also verify the possibilities of complementing hydropower. A data series of precipitation from the Climatic Research Unit (CRU) Blended Sea Winds from the National Climatic Data Center (NCDC/NOAA) were used. According to statistical criteria, three types of complementarity were found in the Brazilian territory: hydro × hydro, wind × wind and hydro × wind. It was noted a significant complementarity between wind and hydro resources (r = -0.65), mainly for the hydrographical basins of the southeast and central regions with Northeastern Brazil winds. To refine the extrapolation of winds over the ocean, a method based on the Monin-Obukhov theory was used to model the stability of the atmospheric boundary layer. Objectively Analyzed Air-Sea Flux (OAFLUX) datasets for heat flux, temperature and humidity, and also sea level pressure data from NCEP/NCAR were used. The ETOPO1 from the National Geophysical Data Center (NGDC/NOAA) provided bathymetric data. It was found that shallow waters, between 0-20 meters, have a resource estimated at 559 GW. The contribution of wind resources to hydroelectric reservoir operation was investigated with a simplified hybrid wind-hydraulic model, and reservoir level, inflow, outflow and turbine production data. It was found that the hybrid system avoids drought periods, continuously saving water from reservoirs through wind production. Therefore, from the results obtained, it is possible to state that the good winds from the Brazilian coast can, besides diversifying the electric matrix, stabilize the hydrological fluctuations avoiding rationing and blackouts, reducing the use of thermal power plants, increasing the production cost and emission of greenhouse gases. Public policies targeted to offshore wind energy will be necessary for its full development.

Influência de efeitos não-locais na dispersão de poluentes na camada linite planetária

A equação de difusão-advecção é muito utilizada no campo de estudos da poluição atmosférica na determinação da concentração de poluentes. Uma maneira de solucionar o problema de fechamento desta equação está baseada na hipótese de transporte por gradiente que, em analogia com a difusão molecular, assume que o fluxo turbulento de concentração é proporcional à magnitude do gradiente de concentração média. Neste trabalho, diferentemente do modo tradicional, utiliza-se uma equação genérica para a difusão turbulenta considerando-se que o fluxo mais a sua derivada são proporcionais ao gradiente médio. Desta forma, obtém-se uma equação que leva em conta a assimetria no processo de dispersão de poluentes atmosféricos. Portanto, a proposta do presente trabalho é a obtenção da solução analítica desta nova equação utilizando-se a técnica da Transformada de Laplace, considerando-se a Camada Limite Planetária (CLP) como um sistema multicamadas. Os parâmetros que encerram a turbulência sâo derivados da teoria de difusão estatística de Taylor combinada com a teoria de similaridade convectiva válidos para grandes tempos de difusão. Finalmente, na avaliação da performance deste modelo que considera a assimetria no processo de dispersão de poluentes atmosféricos, utilizam-se os dados experimentais de Copenhagen e Prairie Grass.

Solução semi-analítica da equação de Langevin assintótica para o deslocamento aleatório pelo método Picard

Neste trabalho é desenvolvida uma solução semi-analítica para a Equação de Langevin assintótica (Equação de Deslocamento Aleatório) aplicada à dispersão de poluentes na Camada Limite Convectiva (CLC). A solução tem como ponto de partida uma equação diferencial de primeira ordem para o deslocamento aleatório, sobre a qual é aplicado o Método Iterativo de Picard. O novo modelo é parametrizado por um coeficiente de difusão obtido a partir da Teoria de Difusão Estatística de Taylor e de um modelo para o espectro de turbulência, assumindo a supersposição linear dos efeitos de turbulência térmica e mecânica. A avaliação do modelo é realizada através da comparação com dados de concentração medidos durante o experimento de dispersão de Copenhagen e com resultados obtidos por outros quatro modelos: modelo de partículas estocástico para velocidade aleatória (Modelo de Langevin), solução analítica da equação difusão-advecção, solução numérica da equação difusão-advecção e modelo Gaussiano. Uma análise estatística revela que o modelo proposto simula satisfatoriamente os valores de concentração observados e apresenta boa concordância com os resultados dos outros modelos de dispersão. Além disso, a solução através do Método Iterativo de Picard pode apresentar algumas vantagem em relação ao método clássico de solução.

Transição à turbulência na camada de mistura estavelmente estratificada utilizando simulação numérica direta e simulação de grandes escalas

A transição à turbulência em uma camada de mistura estavelmente estratificada é de grande interesse para uma variedade de problemas geofísicos e de engenharia. Esta transição é controlada pela competição entre o cisalhamento do escoamento de base e as forças de empuxo, devido à estratificação em densidade do ambiente. Os efeitos do empuxo atuam no escoamento reduzindo a taxa de crescimento das perturbações e retardando a transição à turbulência, enquanto o cisalhamento fornece energia cinética ao escoamento. O presente trabalho investiga a natureza da transição à turbulência em uma camada de mistura temporal estavelmente estratificada através de Simulação Numérica Direta (DNS) e Simulação de Grandes Escalas (LES). O propósito da investigação é analisar o efeito da estratificação estável no desenvolvimento da instabilidade de Kelvin-Helmholtz (K-H) e na formação dos vórtices longitudinais, que se formam após a saturação dos turbilhões primários de K-H. Além deste propósito, é examinado, utilizando de DNS e LES, o desenvolvimento das instabilidades secundárias de K-H na camada baroclínica. Os testes numéricos tridimensionais são realizados com diferentes tipos de condições iniciais para a flutuação de velocidade transversal, enquanto uma condição forçada é usada para as outras duas componentes de flutuação de velocidade. Em particular, o efeito do comprimento transversal do domínio de cálculo é testado empregando diferentes comprimentos, enquanto são usadas as mesmas dimensões para a direção longitudinal e vertical. As simulações bidimensionais mostram que o aumento da estratificação inibe o processo de emparelhamento, reduz a troca de energia entre os turbilhões de K-H e o escoamento, atenua a instabilidade de K-H e diminui o fluxo vertical de massa. A instabilidade secundária do tipo K-H é identtificada na camada baroclínica para Re ¸ 500 quando há o processo de emparelhamento dos vórtices simulados. Na simulação a Re = 500, a instabilidade secundária de K-H aparece tanto para Ri = 0.07 (fraca estratificação) como para Ri = 0.167 (forte estratificação). Os resultados tridimensionais demonstram que os vórtices longitudinais são claramente formados na camada a Ri = 0. Por outro lado, nos casos estratificados os vórtices são enfraquecidos, devido ao gradiente longitudinal de densidade, que diminui a vorticidade nos turbilhões de K-H enquanto aumenta na região entre eles.