La couche-limite atmosphérique turbulente stable, particulièrement en zone de relief, n'est pas totalement comprise. Elle est, donc, mal représentée par les modèles atmosphériques. En présence de pente et d'un refroidissement du sol, l'augmentation locale de masse volumique génère un écoulement catabatique. En région de montagne, le maximum de vent est généralement enregistré à une hauteur (z_j) de 1-10 m. Le jet de paroi engendre un changement de signe du flux de qdm ainsi qu'une variabilité du flux de chaleur sensible proche du sol. Ces variabilités de flux turbulents contredisent l'applicabilité de la théorie des similitudes de Monin-Obukhov (TSMO), pourtant utilisée de manière universelle dans les modèles atmosphériques. Si la TSMO est discutable pour les cas très stables, c'est en présence de pente qu'elle n'est naturellement plus valide puisqu'elle néglige le couplage entre les équations de vitesse et de température. Il est donc impossible de représenter correctement un écoulement catabatique (z_j O(1m)) par un modèle utilisant la TSMO et avec une résolution verticale de l'ordre de la hauteur du maximum de vent. L'objectif du travail de thèse est d'apporter une contribution dans la compréhension et la modélisation de ces écoulements.Afin de compléter les observations peu nombreuses, une campagne de mesure a été réalisée sur une pente raide (20-40 deg) : la pente ouest du Grand Colon (chaîne de Belledonne, Alpes). Les analyses spectrales témoignent de la sensibilité de l'écoulement local aux perturbations externes, même faibles. Les caractéristiques turbulentes classiques sont observées à haute-fréquence alors que des comportements moins standards sont observés aux fréquences intermédiaires ou basses et expliqués par la présence de perturbations turbulentes d'énergie du même ordre de grandeur que l'injection locale. Les cospectres montrent un comportement propre aux écoulements catabatiques: recouvrement progressif selon z des corrélations croisées <0 et >0. La TSMO est mise en défaut pour l'écoulement observé et une solution alternative est utilisée pour estimer les flux en surface, permettant une bonne description de la vitesse de frottement.Le modèle 1D de surface de ISBA (Météo-France) est modifié pour répondre à la modélisation des écoulements catabatiques. Dans un premier temps, le modèle est validé sur un cas standard: en comparaison avec un modèle de Prandtl adapté. Dans un second temps, les données in-situ sont modélisées, d'abord en fournissant des profils de diffusivités effectives puis en utilisant un modèle modifié de turbulence d'ordre 1.5. Les modélisations 1D représentent correctement les champs moyens de vitesse et température mais montrent cependant des comportements trop diffusifs. Le modèle de longueur de mélange est principalement remis en cause, y compris en utilisant des paramétrisations adaptées.Des simulations LES 3D réalistes (Meso-NH, Météo-France) sont effectuées à haute résolution pour représenter le cas d'étude. Ces modélisations représentent finement les variabilités spatiales de l'écoulement catabatique. Cependant, des biais sont engendrés principalement par l'utilisation de la TSMO en condition aux limites de surface. Malgré la forte résolution spatiale, l'utilisation de la TSMO repousse à seulement z=2 m la perception des termes sources de l'écoulement catabatique par le modèle, alors que la source de l'écoulement atteint son maximum précisément en surface. Les modèles analytiques d'écoulement catabatique (de type Prandtl, qui pourraient aisément être intégrés en conditions aux limites) nécessitent de connaître "a priori" les profils de diffusivité. Ceci implique l'utilisation d'un modèle de turbulence. Le couplage du modèle 1D de surface (précédemment modifié et validé "off-line") est donc proposé pour répondre au manque de description de la physique par les CaL classiques de surface. Le travail préliminaire du couplage est présenté et des solutions sont proposées en perspective. / The stable atmospheric boundary layer, particularly in complex terrain, is not yet fully understood and it is thus still inadequately modelled. A surface cooling of a sloping terrain generates katabatic wind due to local density increase. This flow behaves as a wall-bounded turbulent jet, often simply modelled by a local balance between the buoyancy force and the turbulent friction. In mountainous regions, the wind maximum is typically observed at a height (z_j) of 1-10 m above the ground. The wall-bounded jet is responsible for a momentum-flux sign change and a heat-flux variability close to the ground. Those turbulent-flux variabilities are fully conflicting with the aplicability of the Monin-Obukhov similarity theory (MOST), which is nevertheless universally used in the atmospheric models to provide the surface boundary condition. If the MOST is already questionable for the very stable cases, it is obviously not valide over sloping surfaces because it neglectes the coupling of the wind and temperature equations, which constitutes the katabatic source. Hence, it is not possible to adequatly model a katabatic flow (z_j O(1m)) using the MOST, especially with a vertical resolution of the order of magnitude of z_j. The aim of the this PhD work is thus to improve the current understanding and modelling capacity of the katabatic winds.Since data sets of turbulent-katabatic-flow measurements are still scarce, a new field campain was carried out on a steep slope (20-40 deg): the west face of the Grand-Colon mountain (Belledonne ridge, French Alps). The experimental setup was mainly composed of a 6m mast with four sonic-anemometer levels (1, 2, 4 and 6m) to measure the turbulence on both sides of the katabatic jet. The spectral analysis shows the hight sensitivity of the local flow to external perturbations, even when these are weak. The hight-frequency subrange shows a classical behaviour (energy-injection frequency, inertial subrange), but the spectra of the intermediate and low-frequency subranges are less typical: turbulent perturbations with an energy of the order of magnitude of the local injection are present. A specific cospectra behaviour of the katabatic flows is shown: negative and positive cross-correlations overlap gradually, increasing z. The MOST fails in representing the observed flow and a surface-flux alternative estimation is succesfully used to describe the friction vellocity.The 1D surface model of ISBA (Météo-France) is modified to model katabatic flows. The model is firstly validated with a standard calibrated Prandtl model (with variable eddy difusivity). Secondly, the field data are modelled both with a prescribed effective diffusivity (from data) and using the 1.5-order turbulence scheme. The mean velocity and temperature fields are well reproduced, but it appears that the model is over-diffusive (which generates excessive fluxes), even when an adapted mixing-length is used.Realistic 3D LES simulations (Meso-NH, Météo-France) are computed with high resolution to model the field data. Spatial flow variabilities over sloping terrain are finely represented, but are biased, mainly due to the using of MOST for the surface boundary counditions. The using of MOST shifts the start of the katabatic source detection by the atmospheric model to a height of 2 m, while the katabatic source reaches its maximum at the surface. Analytical katabatic models (of the Prandtl type, which could be easily used to feed surface boundary counditions) need an "apriori" definition of the eddy and heat diffusivities. Currently, the general definition of these diffusivities is only possible by the use of turbulent models that include closures. The coupling of the previously-presented 1D surface model (validated off-line) is suggested to overcome the lack of physics description in the classic surface boundary counditions. Preliminary work on this coupling is developed and perspective solutions are proposed.

Submitted by Lucienne Costa (lucienneferreira@ufcg.edu.br) on 2018-08-13T19:59:41Z No. of bitstreams: 1 FELLIPE PEREIRA DA SILVA – DISSERTAÇÃO (PPGMET) 2017.pdf: 3244729 bytes, checksum: 2fe00804be2bc30792fa334bc1456e9f (MD5) / Made available in DSpace on 2018-08-13T19:59:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 FELLIPE PEREIRA DA SILVA – DISSERTAÇÃO (PPGMET) 2017.pdf: 3244729 bytes, checksum: 2fe00804be2bc30792fa334bc1456e9f (MD5) Previous issue date: 2017-02-16 / Capes / O principal foco desta pesquisa é a definição das características, distintas ou não, da Camada Limite Atmosférica (CLA) formada em duas diferentes situações, sob a influência de sistemas de meso e grande escalas, associados a dias chuvosos, e em dias de céu claro, na região de Fortaleza – CE, para o período pré-definido no mês de abril de 2011. Para isso, foram utilizados dados obtidos através de radiossondagem, com o cálculo da temperatura potencial, temperatura potencial virtual, perfil vertical do vento e cálculo das alturas dos níveis de pressão equivalentes aos topos das camadas identificadas. Para a confirmação dos resultados, dividiu-se o período do estudo em dois períodos menores, configurando-se duas situações, em que na primeira tem-se dias chuvosos e na segunda situação tem-se dias de céu claro. A escolha foi feita a partir da obtenção do acumulado de chuva na área de estudo e possível existência da influência de sistemas atmosféricos de escala maior. Além disso, imagens de satélite para comprovação da presença ou ausência de nebulosidade típicas dessas formações e dados de um micro radar de apontamento vertical afim de obter-se informações de refletividade também foram utilizados. Os resultados encontrados apontam para a possível influência de sistemas atmosféricos de escala maior no desenvolvimento da CLA na área costeira de Fortaleza, onde, na primeira situação a CLA se desenvolveu menos, alcançando uma profundidade menor que a CLA que se desenvolveu no dia em que não haviam sistemas atmosféricos atuantes naquela área. A partir destes resultados ainda é possível supor a influência da localização geográfica da área de estudo no desenvolvimento desta camada. Apesar de ainda serem necessários estudos mais aprofundados neste sentido, este pode ser um indicador do motivo pelo qual os resultados encontrados nesta pesquisa não estarem em concordância com os resultados clássicos presentes na literatura. / The main focus of this research is a definition of Atmospheric Boundary Layer (ABL) characteristics, distinct or otherwise, formed in two different situations, under the influence of meso and large scale systems, associated with rainy days, and on a clear sky day, in Fortaleza - CE, for a defined period in April 2011 is the main focus of this research. For that, data obtained through radiosounding were used, with the calculation of potential temperature, virtual potential temperature, vertical wind profile and calculation of pressure levels heights equivalent to the identified layers tops. To confirm the results, the study period was divided into two smaller periods, with two scenarios, in which the first one has rainy days and in the second situation there are clear sky days. The choice was made from the accumulation of rain in the study area and possible existence of larger scale atmospheric systems influence. Besides, satellite images to prove the presence or absence of cloudiness typical of these formations and vertical pointing micro radar data to obtain reflectivity information were also used. The results show a possible influence of larger scale atmospheric systems on the ABL development in coastal area of Fortaleza, where, in the first situation, the ABL developed less, reaching a lower depth than the ABL that developed in day when there were no atmospheric systems operating in that area. From these results is possible to assume the geographic location influence of study area on the development of this layer. Although further studies are still needed in this way, this may be an indicator of why the results found in this research are not in agreement with the classic results present in literature.

O estudo experimental dos processos de dispersão atmosférica de poluentes permite a análise de problemas específicos e a avaliação dos modelos teórico-numéricos. Os custos da experimentação de campo conduzem à realização de estudos de laboratório em modelos reduzidos. Este trabalho tem por objetivo principal a reprodução dos ventos atmosféricos e dos processos de dispersão em escala reduzida em túnel de vento. Foram estabelecidos os requerimentos gerais de modelagem para os diversos problemas relacionados com o estudo experimental da dispersão de poluentes atmosféricos, incluindo a simulação da camada limite atmosférica e da fonte de emissão. A partir desta análise, foram desenvolvidos e avaliados diversos modelos experimentais dos ventos turbulentos na camada limite atmosférica neutral utilizando velocidades médias muito baixas que permitam cumprir os requerimentos de semelhança do processo de dispersão. As simulações incluem ventos turbulentos sobre terrenos homogêneos a diferentes escalas. Na avaliação experimental foram utilizados dados da literatura e comparações diretas com resultados de campo para a condição de atmosfera em estabilidade neutra. Foram estudados escoamentos turbulentos mais complexos nas proximidades de um modelo simples de uma edificação e em um entorno urbano não homogêneo. Para os estudos da difusão atmosférica, foi estabelecida a prioridade da modelagem de problemas locais de dispersão. Foi modelada uma fonte de emissão pontual de baixa altura representativa de uma chaminé que permita a modificação das condições de empuxo da pluma. A análise do processo de dispersão e das concentrações foi realizada considerando diversas configurações que incluem a fonte de emissão isolada num escoamento homogêneo, a consideração dos efeitos da esteira próxima ao modelo de uma edificação, e finalmente de um terreno urbano não homogêneo. Foram determinadas as concentrações médias e as flutuações de concentração na pluma. Estes resultados permitiram obter os campos de concentração e, a partir das funções de densidade de probabilidade e funções de densidade espectral, analisar as zonas de intermitência no campo de concentração. Comparações com resultados da literatura e com modelos teóricos complementam o estudo realizado. É dada ênfase na análise das flutuações de concentração e na intermitência dos processos de dispersão, dada a importância do seu conhecimento para o desenvolvimento de modelos bem como à escassa informação experimental na bibliografia. Os resultados deste trabalho permitem estabelecer a viabilidade da simulação da camada atmosférica neutral e dos estudos de dispersão em túnel de vento, determinando vantagens e limitações dos modelos reduzidos. A influência das características do escoamento turbulento, das configurações próximas do terreno e das características da emissão no processo de dispersão foi estudada. Finalmente, são analisadas as condições de intermitência associadas aos escoamentos turbulentos e, em particular, aos campos de concentração próximos a uma fonte de emissão. / The experimental study of the pollutant dispersion processes allows the analysis of specific problems as well as the evaluation of theoretical models. The costs related to full scale measurements make the experimental studies over reduced scaled models a better research tool. This work has the aim of modeling some kinds of atmospheric winds and related dispersion processes in wind tunnels. The general modeling laws related to the experimental study of pollutants dispersion were followed, including the boundary layer simulation and the emission source. Several experimental models of the turbulent winds in neutral boundary layers were developed and evaluated by using very low wind velocities, allowing the fulfillment of the similitude laws of the dispersion process. The simulations include turbulent winds over homogeneous terrains at different scales. Literature data were used in the experimental evaluation as well as direct comparisons with field results for the atmosphere under neutral stability conditions. Also, more complex turbulent flows were studied in the close proximities of a simple building model in a non homogeneous surrounding. For the atmospheric diffusion studies, it was decided to model local dispersion situations. A single, punctual type of emission source was modeled, representing the conditions at a low height chimney and allowing the modification of the plume buoyancy conditions. The analysis of the dispersion process and concentrations was performed under several configurations including the isolated source emission in a homogeneous flow, the consideration of the wake effects close to a building model, and finally of a non homogeneous urban terrain. The mean and fluctuating components of the plume concentration were obtained. These results allowed the characterization of the concentration fields. From the probability and spectral density functions it was possible to analyze the intermittence of the concentration field. Comparisons with literature results and with theoretical models complement the study. Special care is taken in the analysis of the fluctuations of the concentration and in the intermittence of the dispersion processes, due to its importance to the development of theoretical models as well as the lack of experimental information in the open literature.

A evolução do uso da energia eólica nas últimas décadas está diretamente relacionada ao de-senvolvimento da tecnologia empregada na conversão e projeto das instalações. Neste contex-to o presente trabalho apresenta um estudo sobre a influência de fatores atmosféricos, tais como a turbulência e a presença de um perfil de velocidades referentes à camada limite at-mosférica, no desenvolvimento da esteira aerodinâmica de uma turbina eólica dimensionada segundo a teoria de Betz. O estudo é realizado utilizando o método dos volumes finitos para a solução das equações de Navier-Stokes com Médias de Reynolds (RANS). O problema de fechamento é contornado com a modelagem da turbulência segundo o modelo SST. A análise é realizada empregando o programa ANSYS-CFX 12.0 com modelagem do escoamento em regime transiente e incompressível. O domínio, discretizado com volumes tetraédricos e pris-máticos, é dividido em uma região em que está inserido o rotor da turbina e outra equivalente ao túnel de vento utilizado no trabalho experimental de referência, com condição de interface conectando os volumes. A análise é focada no estudo da esteira distante do rotor com resulta-dos comparados aos experimentais existentes na literatura. O estudo é dividido em três casos com intensidades de turbulência na entrada do domínio equivalentes a 0,6%, 2% e 6 % res-pectivamente, utilizadas tanto nas simulações com perfil uniforme de velocidades quanto para aquela com perfil logarítmico de velocidades. Os resultados, apresentados de forma adimensi-onal para a velocidade em diferentes distâncias a jusante do rotor, são coerentes com resulta-dos experimentais de outros autores. As simulações realizadas demonstram a importância de considerarem-se os efeitos atmosféricos no dimensionamento de projetos de instalação de sistemas de conversão de energia eólica. / Advances in the study of numerical simulations of turbulent flows, coupled with the increase of computational power, has enabled computational solutions for more complex engineering problems. The evolution in the use of wind energy in recent decades is directly related to the development of technology involving the conversion and project of installations. In this con-text, this work shows a study on the influence of atmospheric factors like turbulence and the existence of a velocity profile related to the atmospheric boundary layer, in the development of the aerodynamic wake of a wind turbine projected following the Betz theory. The study is done using the method of finite volumes to solve the Reynolds Averaged Navier-Stokes equa-tions (RANS), the closure problem is outlined with the SST model. The analysis is done using ANSYS-CFX 12.0 software with modeling of transient and incompressible flow. The domain, discretized with tetrahedral and prismatic volumes, is divided into a region where the tur-bine’s rotor is placed and into another one equivalent to the wind tunnel used in experimental research, with an interface condition connecting both domains. The focus of the analysis is the study of the rotor’s downstream wake, comparing the results to experimental ones from exist-ing literature. The study is divided into three cases with different turbulence intensities in the domain inlet equivalent to 0.6%, 2% and 6% respectively, used both in the uniform velocity profile and in the logarithmic velocity profile simulations. Results, presented in non-dimensional form for the velocity at different downstream distances from the rotor, are con-sistent with the experimental results of other authors. Developed simulations show the impor-tance of considering atmospheric effects on sizing projects of wind energy conversion sys-tems.

A evolução do uso da energia eólica nas últimas décadas está diretamente relacionada ao de-senvolvimento da tecnologia empregada na conversão e projeto das instalações. Neste contex-to o presente trabalho apresenta um estudo sobre a influência de fatores atmosféricos, tais como a turbulência e a presença de um perfil de velocidades referentes à camada limite at-mosférica, no desenvolvimento da esteira aerodinâmica de uma turbina eólica dimensionada segundo a teoria de Betz. O estudo é realizado utilizando o método dos volumes finitos para a solução das equações de Navier-Stokes com Médias de Reynolds (RANS). O problema de fechamento é contornado com a modelagem da turbulência segundo o modelo SST. A análise é realizada empregando o programa ANSYS-CFX 12.0 com modelagem do escoamento em regime transiente e incompressível. O domínio, discretizado com volumes tetraédricos e pris-máticos, é dividido em uma região em que está inserido o rotor da turbina e outra equivalente ao túnel de vento utilizado no trabalho experimental de referência, com condição de interface conectando os volumes. A análise é focada no estudo da esteira distante do rotor com resulta-dos comparados aos experimentais existentes na literatura. O estudo é dividido em três casos com intensidades de turbulência na entrada do domínio equivalentes a 0,6%, 2% e 6 % res-pectivamente, utilizadas tanto nas simulações com perfil uniforme de velocidades quanto para aquela com perfil logarítmico de velocidades. Os resultados, apresentados de forma adimensi-onal para a velocidade em diferentes distâncias a jusante do rotor, são coerentes com resulta-dos experimentais de outros autores. As simulações realizadas demonstram a importância de considerarem-se os efeitos atmosféricos no dimensionamento de projetos de instalação de sistemas de conversão de energia eólica. / Advances in the study of numerical simulations of turbulent flows, coupled with the increase of computational power, has enabled computational solutions for more complex engineering problems. The evolution in the use of wind energy in recent decades is directly related to the development of technology involving the conversion and project of installations. In this con-text, this work shows a study on the influence of atmospheric factors like turbulence and the existence of a velocity profile related to the atmospheric boundary layer, in the development of the aerodynamic wake of a wind turbine projected following the Betz theory. The study is done using the method of finite volumes to solve the Reynolds Averaged Navier-Stokes equa-tions (RANS), the closure problem is outlined with the SST model. The analysis is done using ANSYS-CFX 12.0 software with modeling of transient and incompressible flow. The domain, discretized with tetrahedral and prismatic volumes, is divided into a region where the tur-bine’s rotor is placed and into another one equivalent to the wind tunnel used in experimental research, with an interface condition connecting both domains. The focus of the analysis is the study of the rotor’s downstream wake, comparing the results to experimental ones from exist-ing literature. The study is divided into three cases with different turbulence intensities in the domain inlet equivalent to 0.6%, 2% and 6% respectively, used both in the uniform velocity profile and in the logarithmic velocity profile simulations. Results, presented in non-dimensional form for the velocity at different downstream distances from the rotor, are con-sistent with the experimental results of other authors. Developed simulations show the impor-tance of considering atmospheric effects on sizing projects of wind energy conversion sys-tems.

O estudo experimental dos processos de dispersão atmosférica de poluentes permite a análise de problemas específicos e a avaliação dos modelos teórico-numéricos. Os custos da experimentação de campo conduzem à realização de estudos de laboratório em modelos reduzidos. Este trabalho tem por objetivo principal a reprodução dos ventos atmosféricos e dos processos de dispersão em escala reduzida em túnel de vento. Foram estabelecidos os requerimentos gerais de modelagem para os diversos problemas relacionados com o estudo experimental da dispersão de poluentes atmosféricos, incluindo a simulação da camada limite atmosférica e da fonte de emissão. A partir desta análise, foram desenvolvidos e avaliados diversos modelos experimentais dos ventos turbulentos na camada limite atmosférica neutral utilizando velocidades médias muito baixas que permitam cumprir os requerimentos de semelhança do processo de dispersão. As simulações incluem ventos turbulentos sobre terrenos homogêneos a diferentes escalas. Na avaliação experimental foram utilizados dados da literatura e comparações diretas com resultados de campo para a condição de atmosfera em estabilidade neutra. Foram estudados escoamentos turbulentos mais complexos nas proximidades de um modelo simples de uma edificação e em um entorno urbano não homogêneo. Para os estudos da difusão atmosférica, foi estabelecida a prioridade da modelagem de problemas locais de dispersão. Foi modelada uma fonte de emissão pontual de baixa altura representativa de uma chaminé que permita a modificação das condições de empuxo da pluma. A análise do processo de dispersão e das concentrações foi realizada considerando diversas configurações que incluem a fonte de emissão isolada num escoamento homogêneo, a consideração dos efeitos da esteira próxima ao modelo de uma edificação, e finalmente de um terreno urbano não homogêneo. Foram determinadas as concentrações médias e as flutuações de concentração na pluma. Estes resultados permitiram obter os campos de concentração e, a partir das funções de densidade de probabilidade e funções de densidade espectral, analisar as zonas de intermitência no campo de concentração. Comparações com resultados da literatura e com modelos teóricos complementam o estudo realizado. É dada ênfase na análise das flutuações de concentração e na intermitência dos processos de dispersão, dada a importância do seu conhecimento para o desenvolvimento de modelos bem como à escassa informação experimental na bibliografia. Os resultados deste trabalho permitem estabelecer a viabilidade da simulação da camada atmosférica neutral e dos estudos de dispersão em túnel de vento, determinando vantagens e limitações dos modelos reduzidos. A influência das características do escoamento turbulento, das configurações próximas do terreno e das características da emissão no processo de dispersão foi estudada. Finalmente, são analisadas as condições de intermitência associadas aos escoamentos turbulentos e, em particular, aos campos de concentração próximos a uma fonte de emissão. / The experimental study of the pollutant dispersion processes allows the analysis of specific problems as well as the evaluation of theoretical models. The costs related to full scale measurements make the experimental studies over reduced scaled models a better research tool. This work has the aim of modeling some kinds of atmospheric winds and related dispersion processes in wind tunnels. The general modeling laws related to the experimental study of pollutants dispersion were followed, including the boundary layer simulation and the emission source. Several experimental models of the turbulent winds in neutral boundary layers were developed and evaluated by using very low wind velocities, allowing the fulfillment of the similitude laws of the dispersion process. The simulations include turbulent winds over homogeneous terrains at different scales. Literature data were used in the experimental evaluation as well as direct comparisons with field results for the atmosphere under neutral stability conditions. Also, more complex turbulent flows were studied in the close proximities of a simple building model in a non homogeneous surrounding. For the atmospheric diffusion studies, it was decided to model local dispersion situations. A single, punctual type of emission source was modeled, representing the conditions at a low height chimney and allowing the modification of the plume buoyancy conditions. The analysis of the dispersion process and concentrations was performed under several configurations including the isolated source emission in a homogeneous flow, the consideration of the wake effects close to a building model, and finally of a non homogeneous urban terrain. The mean and fluctuating components of the plume concentration were obtained. These results allowed the characterization of the concentration fields. From the probability and spectral density functions it was possible to analyze the intermittence of the concentration field. Comparisons with literature results and with theoretical models complement the study. Special care is taken in the analysis of the fluctuations of the concentration and in the intermittence of the dispersion processes, due to its importance to the development of theoretical models as well as the lack of experimental information in the open literature.

A evolução do uso da energia eólica nas últimas décadas está diretamente relacionada ao de-senvolvimento da tecnologia empregada na conversão e projeto das instalações. Neste contex-to o presente trabalho apresenta um estudo sobre a influência de fatores atmosféricos, tais como a turbulência e a presença de um perfil de velocidades referentes à camada limite at-mosférica, no desenvolvimento da esteira aerodinâmica de uma turbina eólica dimensionada segundo a teoria de Betz. O estudo é realizado utilizando o método dos volumes finitos para a solução das equações de Navier-Stokes com Médias de Reynolds (RANS). O problema de fechamento é contornado com a modelagem da turbulência segundo o modelo SST. A análise é realizada empregando o programa ANSYS-CFX 12.0 com modelagem do escoamento em regime transiente e incompressível. O domínio, discretizado com volumes tetraédricos e pris-máticos, é dividido em uma região em que está inserido o rotor da turbina e outra equivalente ao túnel de vento utilizado no trabalho experimental de referência, com condição de interface conectando os volumes. A análise é focada no estudo da esteira distante do rotor com resulta-dos comparados aos experimentais existentes na literatura. O estudo é dividido em três casos com intensidades de turbulência na entrada do domínio equivalentes a 0,6%, 2% e 6 % res-pectivamente, utilizadas tanto nas simulações com perfil uniforme de velocidades quanto para aquela com perfil logarítmico de velocidades. Os resultados, apresentados de forma adimensi-onal para a velocidade em diferentes distâncias a jusante do rotor, são coerentes com resulta-dos experimentais de outros autores. As simulações realizadas demonstram a importância de considerarem-se os efeitos atmosféricos no dimensionamento de projetos de instalação de sistemas de conversão de energia eólica. / Advances in the study of numerical simulations of turbulent flows, coupled with the increase of computational power, has enabled computational solutions for more complex engineering problems. The evolution in the use of wind energy in recent decades is directly related to the development of technology involving the conversion and project of installations. In this con-text, this work shows a study on the influence of atmospheric factors like turbulence and the existence of a velocity profile related to the atmospheric boundary layer, in the development of the aerodynamic wake of a wind turbine projected following the Betz theory. The study is done using the method of finite volumes to solve the Reynolds Averaged Navier-Stokes equa-tions (RANS), the closure problem is outlined with the SST model. The analysis is done using ANSYS-CFX 12.0 software with modeling of transient and incompressible flow. The domain, discretized with tetrahedral and prismatic volumes, is divided into a region where the tur-bine’s rotor is placed and into another one equivalent to the wind tunnel used in experimental research, with an interface condition connecting both domains. The focus of the analysis is the study of the rotor’s downstream wake, comparing the results to experimental ones from exist-ing literature. The study is divided into three cases with different turbulence intensities in the domain inlet equivalent to 0.6%, 2% and 6% respectively, used both in the uniform velocity profile and in the logarithmic velocity profile simulations. Results, presented in non-dimensional form for the velocity at different downstream distances from the rotor, are con-sistent with the experimental results of other authors. Developed simulations show the impor-tance of considering atmospheric effects on sizing projects of wind energy conversion sys-tems.

O estudo experimental dos processos de dispersão atmosférica de poluentes permite a análise de problemas específicos e a avaliação dos modelos teórico-numéricos. Os custos da experimentação de campo conduzem à realização de estudos de laboratório em modelos reduzidos. Este trabalho tem por objetivo principal a reprodução dos ventos atmosféricos e dos processos de dispersão em escala reduzida em túnel de vento. Foram estabelecidos os requerimentos gerais de modelagem para os diversos problemas relacionados com o estudo experimental da dispersão de poluentes atmosféricos, incluindo a simulação da camada limite atmosférica e da fonte de emissão. A partir desta análise, foram desenvolvidos e avaliados diversos modelos experimentais dos ventos turbulentos na camada limite atmosférica neutral utilizando velocidades médias muito baixas que permitam cumprir os requerimentos de semelhança do processo de dispersão. As simulações incluem ventos turbulentos sobre terrenos homogêneos a diferentes escalas. Na avaliação experimental foram utilizados dados da literatura e comparações diretas com resultados de campo para a condição de atmosfera em estabilidade neutra. Foram estudados escoamentos turbulentos mais complexos nas proximidades de um modelo simples de uma edificação e em um entorno urbano não homogêneo. Para os estudos da difusão atmosférica, foi estabelecida a prioridade da modelagem de problemas locais de dispersão. Foi modelada uma fonte de emissão pontual de baixa altura representativa de uma chaminé que permita a modificação das condições de empuxo da pluma. A análise do processo de dispersão e das concentrações foi realizada considerando diversas configurações que incluem a fonte de emissão isolada num escoamento homogêneo, a consideração dos efeitos da esteira próxima ao modelo de uma edificação, e finalmente de um terreno urbano não homogêneo. Foram determinadas as concentrações médias e as flutuações de concentração na pluma. Estes resultados permitiram obter os campos de concentração e, a partir das funções de densidade de probabilidade e funções de densidade espectral, analisar as zonas de intermitência no campo de concentração. Comparações com resultados da literatura e com modelos teóricos complementam o estudo realizado. É dada ênfase na análise das flutuações de concentração e na intermitência dos processos de dispersão, dada a importância do seu conhecimento para o desenvolvimento de modelos bem como à escassa informação experimental na bibliografia. Os resultados deste trabalho permitem estabelecer a viabilidade da simulação da camada atmosférica neutral e dos estudos de dispersão em túnel de vento, determinando vantagens e limitações dos modelos reduzidos. A influência das características do escoamento turbulento, das configurações próximas do terreno e das características da emissão no processo de dispersão foi estudada. Finalmente, são analisadas as condições de intermitência associadas aos escoamentos turbulentos e, em particular, aos campos de concentração próximos a uma fonte de emissão. / The experimental study of the pollutant dispersion processes allows the analysis of specific problems as well as the evaluation of theoretical models. The costs related to full scale measurements make the experimental studies over reduced scaled models a better research tool. This work has the aim of modeling some kinds of atmospheric winds and related dispersion processes in wind tunnels. The general modeling laws related to the experimental study of pollutants dispersion were followed, including the boundary layer simulation and the emission source. Several experimental models of the turbulent winds in neutral boundary layers were developed and evaluated by using very low wind velocities, allowing the fulfillment of the similitude laws of the dispersion process. The simulations include turbulent winds over homogeneous terrains at different scales. Literature data were used in the experimental evaluation as well as direct comparisons with field results for the atmosphere under neutral stability conditions. Also, more complex turbulent flows were studied in the close proximities of a simple building model in a non homogeneous surrounding. For the atmospheric diffusion studies, it was decided to model local dispersion situations. A single, punctual type of emission source was modeled, representing the conditions at a low height chimney and allowing the modification of the plume buoyancy conditions. The analysis of the dispersion process and concentrations was performed under several configurations including the isolated source emission in a homogeneous flow, the consideration of the wake effects close to a building model, and finally of a non homogeneous urban terrain. The mean and fluctuating components of the plume concentration were obtained. These results allowed the characterization of the concentration fields. From the probability and spectral density functions it was possible to analyze the intermittence of the concentration field. Comparisons with literature results and with theoretical models complement the study. Special care is taken in the analysis of the fluctuations of the concentration and in the intermittence of the dispersion processes, due to its importance to the development of theoretical models as well as the lack of experimental information in the open literature.

Atmospheric Boundary Layer (ABL) characteristics can be highly complex; the links between spatial and temporal variability of ABL meteorological quantities and existing land use patterns are still poorly understood due to the non-linearity of air-land interaction processes. This study describes the results from Monin Obukhov similarity theory and statistical analysis of meteorological observations collected by a network of ten Automatic Weather Stations (AWSs). The stations were in operation in the Highveld Priority Area (HPA) of the Republic of South Africa during 2008 – 2010. The spatial distribution of stability regimes as presented by both bulk Richardson number (BRN) and Obukhov length (L) indicates that HPA is dominated by strong stability regime. The momentum and heat fluxes show no significant spatial variation between stations. Statistical analysis revealed localization, enhancement and homogenization in the inter-station variability of observed meteorological quantities (temperature, relative humidity and wind speed) over diurnal and seasonal cycles. Enhancement of the meteorological spatial variability was found on a broad range of scales from 20 to 50 km during morning hours and in the dry winter season. These spatial scales are comparable to scales of observed land use heterogeneity, which suggests links between atmospheric variability and land use patterns through excitation of horizontal meso-scale circulations. Convective motions homogenized and synchronized meteorological variability during afternoon hours in the winter seasons, and during large parts of the day during the moist summer season. The analysis also revealed that turbulent convection overwhelms horizontal meso-scale circulations in the study area during extensive parts of the annual cycle / Dissertation (MSc)--University of Pretoria, 2013. / Geography, Geoinformatics and Meteorology / Unrestricted

Ce travail de recherche concerne l’interaction entre une couche limite atmosphérique et une canopée (représentant un couvert forestier). J’ai étudié le problème complexe de production et d’évolution de grosses structures turbulentes au dessus de couverts homogènes et hétérogènes, moyennement denses. J’ai abordé ce problème en mettant en œuvre les outils de la simulation numérique des grosses structures (LES) et du calcul haute performance (HPC). Les résultats numériques obtenus, reproduisent correctement les principales caractéristiques de cet écoulement, telles qu’elles sont rapportées dans la littérature : la formation d’une première génération de structures cohérentes en rouleaux, orientées transversalement par rapport à la direction de l’écoulement principal, puis la réorganisation et la déformation de ces structures qui évoluent vers une forme en fer à cheval. Les résultats obtenus au dessus d’un couvert discontinu (représentant une clairière ou une coupure de combustible dans une forêt), ont été comparés avec des données expérimentales collectées dans une soufflerie. Ceux-ci confirment l’existence d’un niveau élevé de turbulence au sein même du couvert végétal à une distance égale à 8 fois la hauteur de canopée. Cette zone, (appelée « Enhance Gust Zone » dans la littérature), est par ailleurs caractérisée par l’existence d’un pic local du facteur de dissymétrie (« skewness factor »).Le transport d’un contaminant passif émis par le feuillage a été également étudié, dans deux configurations, en supposant que la concentration à la surface du feuillage pouvait être considérée comme constante (source infinie) ou variable (source finie) en fonction du temps. Les résultats montrent un impact significatif de cette hypothèse sur la dynamique et le niveau des concentrations relevées dans l’atmosphère. / The work is dedicated to the investigation of the interaction between an Atmospheric Boundary Layer and a canopy (representing a forest cover). We have focused our attention to the complex problem of the generation and transformation of turbulent vortices over homogeneous, heterogeneous and sparse canopy. This problem has been studied using Large Eddy Simulation (LES) approach and High Performance Computing (HPC) technique.The numerical results reproduced correctly all the main characteristics of this flow, as reported in the literature: the formation of a first generation of coherent structures aligned transversally with the wind flow direction, the reorganization and the deformation of these vortex tubes into horse-shoe structures. The results obtained with the introduction of a discontinuity in the canopy (reproducing a clearing or a fuel break in a forest) are compared with the experimental data collected in a wind tunnel. In this case, the results confirmed the existence of a strong turbulence activity inside the canopy at a distance equal to 8 times the height of the canopy, referenced in the literature as the Enhance Gust Zone (EGZ) characterized by a local peak of the skewness factor. Then, the process of passive scalar transport from a forest canopy into a clear atmosphere is studied for two cases, i.e., when the concentration held by the forest canopy is either constant or variable. While this difference has little influence on the concentration patterns, results show that it has an important influence on the concentration magnitude as well as on the dynamics of the total concentration in the atmosphere.