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 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.

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.

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)

Solução da equação de difusão-advecção para uma CLP não-homogênea e não-estacionária pelo método GILTT

Neste trabalho é apresentada a solução da equação de difusão-advecção transiente para simular a dispersão de poluentes na Camada Limite Planetária. A solução é obtida através do método analítico GILTT (Generalized Integral Laplace Transform Technique) e da técnica de inversão numérica da quadratura de Gauss. A validação da solução é comprovada utilizando as concentraçãos obtidas a partir do modelo com as obtidas experimentalmente pelo Experimento de Copenhagen. Nesta comparação foram utilizados os perfis de vento potencial e logaritmo e os parâmetros de turbulência propostos por Degrazia et al (1997) [19] e (2002) [17]. Os melhores resultados foram obtidos utilizando o perfil de vento potencial e o coeficiente de difusão propostos por Degrazia et al (1997). A influência da velocidade vertical é mostrada através do comportamento das concentrações de poluentes na pluma. Além disso, as velocidades verticais e longitudinais geradas pelo Large Eddy Simulation (LES) foram colocadas no modelo para poder simular uma camada limite turbulenta mais realística, a qual apresentou resultados satisfatórios quando comparados com os disponíveis na literatura.

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.

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.

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.

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.

Estudo experimental do escoamento sobre placas planas munidas de protuberâncias quadradas e onduladas

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEIS

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.

Variabilidade da concentração média de CO2 acima da floresta Amazônica durante a noite associada a distintos regimes turbulentos.

Estudou-se a Camada Limite Noturna ? CLN sobre área de floresta tropical primária a nordeste do Estado do Amazonas, no Observatório Amazônico da Torre Alta ? OATA ou Amazon Tall Tower Observatory ? ATTO. Foi aplicada a metodologia disponível na literatura que permitiu a caracterização da CLN em três regimes turbulentos: 1º) de turbulência fraca, com velocidade média do vento baixa; 2º) de turbulência forte, com velocidade do vento alta e, 3º) turbulência intermitente e condições de não estacionariedade. Existem variações sazonais nos valores de ?c? e ao passar de um regime para outro. Foram investigadas algumas das principais características estatísticas das concentrações de CO2 ? ?c? de cada um dos regimes turbulentos. ?c? aumenta levemente com a elevação do valor de uma escala característica de velocidade turbulenta, VTKE, até um valor limiar, VL, a partir do qual tem-se um aumento súbito nos valores de ?c?. Esses resultados têm importantes consequências para a parametrização de grandezas meteorológicas na CLN e modelagem do escoamento atmosférico na interface floresta-atmosfera.