In the event of a hypothetical nuclear reactor accident, the combination of plant design, operator training, and safety procedures result in low level risks to the general public; however, an additional offsite consequence mitigation system has the poten- tial to substantially decrease the amount of radioactive material that could reach a population zone in a postulated accident scenario. An experimental and numerical investigation of airborne particulate scavenging by water sprays was conducted as part of a consequence mitigation study. Previous researchers have experimentally studied the removal of aerosols by sprays, but only in a confined region. The ex- periment conducted in this research used an expansive region where sprays could significantly affect the flow fields in the spray region. Experimentation showed an expected trend of higher particle collection efficien- cies with increased residency time within the spray region, with the highest average overall collection efficiency found to be 70.6+/-3.2% at an air flow rate of 0.53 m/s and a water flow rate of 0.84 gpm. This general trend is expected because a longer resi- dency time leads to an increased probability of particle-drop interaction. Collection efficiencies were also found to increase with increased particle number density. The numerical investigation was done using a deterministic method and a Monte Carlo method. Each model shows promise based on theoretical limitations of drop size for the experimental conditions. The theory demonstrates that particle-drop relative velocity as well as the sizes significantly affect collection efficiency. An alternative study was conducted to determine the collection efficiency of non-wettable particles since the dust used in the experiment is hydrophobic. Computational Fluid Dynam- ics (CFD) models were also performed to determine the flow fields that developed within the experiment spray region and substantiate differences in the experimental and numerical models.

Os processos de remoção de espécies químicas da atmosfera têm sido estudados atualmente utilizando modelos numéricos, na tentativa de compreender melhor, os processos de transferências de gases e material particulado (sejam elas naturais ou antropogênicas) intra-reservatórios na atmosfera e seus efeitos na dinâmica do tempo e clima. Neste estudo, foi utilizado o modelo RAMS para simular a estrutura vertical das nuvens que se desenvolvem na região amazônica, em conjunto ao modelo de remoção B. V. 2, para os processos de remoção úmida que ocorrem tanto dentro quanto abaixo da nuvem, além das condições atmosféricas locais da região da Bacia Amazônica para, assim, simular a transferência das espécies químicas da atmosfera para a hidrosfera dentro do escopo do projeto LBA. Dentro deste projeto, foram realizadas campanhas intensivas de medições, como a LBA/DRY-TO-WET e LBA/SMOCC (setembro a novembro de 2002) na região de Rondônia. No período das campanhas, foram realizadas medições das concentrações dos gases amônia, ácido nítrico e dióxido de enxofre, além das espécies inorgânicas solúveis em água, como amônio, nitrato e sulfato, entre outros. Estas concentrações de gases e partículas, bem como os parâmetros meteorológicos obtidos durante as campanhas, realizadas durante o período de transição entre as estações seca e chuvosa na região, foram utilizados como dados de entrada para ambos os modelos, onde foram escolhidos alguns eventos específicos. Com intuito de melhor representar o espectro de gotículas de nuvens no modelo de remoção, foram utilizadas a função de distribuição de Levine & Schwartz, 1982 e funções gama ajustadas aos dados observados em distribuição de gotículas de nuvem obtidas em vôos efetuados durante o experimento. Conseqüentemente, este trabalho visou à simulação da concentração na água de chuva de três espécies químicas (SO42-, NO3- e NH4+) removidas da atmosfera pelo evento de precipitação, comparando-as às composições químicas da água de chuva observadas experimentalmente, em dois eventos selecionados (9 e 10 de outubro de 2002). Simulações atmosféricas com o RAMS apresentaram resultados bastante satisfatórios conseguindo representar aspectos microfísicos das nuvens que se desenvolvem na região amazônica com bastante fidelidade. Os resultados da modelagem dos processos de remoção mostraram uma boa concordância com os observados, principalmente para o sulfato (que em alguns casos a quantidade encontrada na água de chuva pela simulação foi 97% da observada) em ambos os eventos, quando a altura da nuvem foi considerada mais realista para região (16 km). Além disso, observou-se que o espectro de gotículas de nuvem utilizado foi um parâmetro importante nos resultados. Os resultados mostraram ainda, uma predominância dos processos que ocorrem dentro da nuvem, sendo estes responsáveis por cerca de 80% a 97% da concentração da espécie química encontrada na água de chuva, corroborando a literatura. Com isso, ficou evidente a complexidade das interações e transferências entre os reservatórios atmosfera / hidrosfera através dos processos de remoção de poluentes, ressaltando assim, a importância dos estudos sobre este assunto. / The scavenging processes of chemical species have been studied using numerical modeling in order to understand the gases and particulate matter intra-reservoir transferences (natural or anthropogenic) which affect weather and climate. In this study RAMS model was used in turn to simulate cloud vertical structure formed over Amazonian area working together to B.V.2 scavenging model. The last model was used to simulate the in- and below-cloud scavenging processes, besides the local atmospheric conditions within the LBA Project. In this Project, there were evaluated many measurements of LBA/DRY-TO-WET and LBA/SMOCC (September to November) Campaigns at Rondonia State. During the Campaigns, ammonia, nitric acid and sulfur dioxide gases were evaluated and their respective particulate matter, ammonium, nitrate and sulfate, among others, as well as rainwater chemistry. These concentrations and meteorological parameters were also obtained, during the transition from dry to wet season, and used as input data to the both modeling, where some events were chosen. With the intention of modeling improvement, cloud droplet spectra were used from Levine & Schwartz, 1982 and gamma functions, according to each case and based on the droplet distribution obtained from flight collected data during the field Campaign. Consequently, this work simulated the rainwater concentrations of three chemical species (SO42-, NO3- e NH4+) scavenged from atmosphere by the precipitation event and compared to the observed data of two selected events (9 and 10 October 2002). RAMS atmospheric simulations presented satisfactory results which showed detailed cloud microphysics processes of Amazonian region. The modeling results show good agreement of observed data, mainly to sulfate, reaching 97% of the observed sulfate for both events, when the cloud height was considered more realistic for the region (16 km). Besides, the cloud droplet spectra were an important parameter to the modeling. The results also showed that the in-cloud process is responsible by 80% to 97% of the chemical species found in rainwater. Additionally, it was clear that the complexity of the interaction and intra-reservoir transferences through the scavenging processes and their importance.

Os processos de remoção de espécies químicas da atmosfera têm sido estudados atualmente utilizando modelos numéricos, na tentativa de compreender melhor, os processos de transferências de gases e material particulado (sejam elas naturais ou antropogênicas) intra-reservatórios na atmosfera e seus efeitos na dinâmica do tempo e clima. Neste estudo, foi utilizado o modelo RAMS para simular a estrutura vertical das nuvens que se desenvolvem na região amazônica, em conjunto ao modelo de remoção B. V. 2, para os processos de remoção úmida que ocorrem tanto dentro quanto abaixo da nuvem, além das condições atmosféricas locais da região da Bacia Amazônica para, assim, simular a transferência das espécies químicas da atmosfera para a hidrosfera dentro do escopo do projeto LBA. Dentro deste projeto, foram realizadas campanhas intensivas de medições, como a LBA/DRY-TO-WET e LBA/SMOCC (setembro a novembro de 2002) na região de Rondônia. No período das campanhas, foram realizadas medições das concentrações dos gases amônia, ácido nítrico e dióxido de enxofre, além das espécies inorgânicas solúveis em água, como amônio, nitrato e sulfato, entre outros. Estas concentrações de gases e partículas, bem como os parâmetros meteorológicos obtidos durante as campanhas, realizadas durante o período de transição entre as estações seca e chuvosa na região, foram utilizados como dados de entrada para ambos os modelos, onde foram escolhidos alguns eventos específicos. Com intuito de melhor representar o espectro de gotículas de nuvens no modelo de remoção, foram utilizadas a função de distribuição de Levine & Schwartz, 1982 e funções gama ajustadas aos dados observados em distribuição de gotículas de nuvem obtidas em vôos efetuados durante o experimento. Conseqüentemente, este trabalho visou à simulação da concentração na água de chuva de três espécies químicas (SO42-, NO3- e NH4+) removidas da atmosfera pelo evento de precipitação, comparando-as às composições químicas da água de chuva observadas experimentalmente, em dois eventos selecionados (9 e 10 de outubro de 2002). Simulações atmosféricas com o RAMS apresentaram resultados bastante satisfatórios conseguindo representar aspectos microfísicos das nuvens que se desenvolvem na região amazônica com bastante fidelidade. Os resultados da modelagem dos processos de remoção mostraram uma boa concordância com os observados, principalmente para o sulfato (que em alguns casos a quantidade encontrada na água de chuva pela simulação foi 97% da observada) em ambos os eventos, quando a altura da nuvem foi considerada mais realista para região (16 km). Além disso, observou-se que o espectro de gotículas de nuvem utilizado foi um parâmetro importante nos resultados. Os resultados mostraram ainda, uma predominância dos processos que ocorrem dentro da nuvem, sendo estes responsáveis por cerca de 80% a 97% da concentração da espécie química encontrada na água de chuva, corroborando a literatura. Com isso, ficou evidente a complexidade das interações e transferências entre os reservatórios atmosfera / hidrosfera através dos processos de remoção de poluentes, ressaltando assim, a importância dos estudos sobre este assunto. / The scavenging processes of chemical species have been studied using numerical modeling in order to understand the gases and particulate matter intra-reservoir transferences (natural or anthropogenic) which affect weather and climate. In this study RAMS model was used in turn to simulate cloud vertical structure formed over Amazonian area working together to B.V.2 scavenging model. The last model was used to simulate the in- and below-cloud scavenging processes, besides the local atmospheric conditions within the LBA Project. In this Project, there were evaluated many measurements of LBA/DRY-TO-WET and LBA/SMOCC (September to November) Campaigns at Rondonia State. During the Campaigns, ammonia, nitric acid and sulfur dioxide gases were evaluated and their respective particulate matter, ammonium, nitrate and sulfate, among others, as well as rainwater chemistry. These concentrations and meteorological parameters were also obtained, during the transition from dry to wet season, and used as input data to the both modeling, where some events were chosen. With the intention of modeling improvement, cloud droplet spectra were used from Levine & Schwartz, 1982 and gamma functions, according to each case and based on the droplet distribution obtained from flight collected data during the field Campaign. Consequently, this work simulated the rainwater concentrations of three chemical species (SO42-, NO3- e NH4+) scavenged from atmosphere by the precipitation event and compared to the observed data of two selected events (9 and 10 October 2002). RAMS atmospheric simulations presented satisfactory results which showed detailed cloud microphysics processes of Amazonian region. The modeling results show good agreement of observed data, mainly to sulfate, reaching 97% of the observed sulfate for both events, when the cloud height was considered more realistic for the region (16 km). Besides, the cloud droplet spectra were an important parameter to the modeling. The results also showed that the in-cloud process is responsible by 80% to 97% of the chemical species found in rainwater. Additionally, it was clear that the complexity of the interaction and intra-reservoir transferences through the scavenging processes and their importance.