Dissertação (mestrado) - Pontifícia Universidade Católica do Paraná, Curitiba, 2007 / Bibliografia: f. 105-108 / O presente trabalho investiga numericamente o escoamento tridimensional turbulento em uma sala ventilada por um jato horizontal de parede. Para este fim, foi empregada a geometria do experimento de Nielsen (Nielsen et al., 1978), para a qual dados experim / The present work investigates the three-dimensional turbulent airflow in a room ventilated by a horizontal wall jet. The geometry of Nielsen's experiment (Nielsen et al., 1978), for which experimental and numerical results for some turbulence models are a

Neste trabalho, é apresentado, de acordo com o conhecimento atual da estrutura e características da Camada Limite Planetária, um novo conjunto de parametrizações da turbulência para ser usado em modelos de transferência atmosférica. Isto é, são propostas expressões para o perfil vertical do desvio padrão de velocidade, para a escala de comprimento Lagrangiana, para a escala de tempo Lagrangiana e para o coeficiente de difusão, usando a teoria clássica de difusão estatística, as propriedades espectrais observadas e as características observadas de energia contida nos turbilhões. Estas parametrizações fornecem valores contínuos com a altura na CLP para todas as condições de estabilidade, desde um estado dinâmico instável até um estável. / This work presents, according to the current knowledge of the PBL structure and characteristics, a new set ofturbulence parametrizations to be used in dispersion models. It means, expressions for the vertical profiles of the velocity standard deviation, Lagrangian length and time scales, and diffusion coefficient, are proposed. The classical statistical diffusion theory, the observed spectral properties and observed characteristics of energy containing eddies are used to estimate these parameters. These parametrizations give continuous values for the PBL at ali elevations and ali stability conditions from unstable to stable.

We report on three campaigns to measure the structure of the nocturnal boundary layer in cleared and forested areas near Santarém, PA, in 2001 and 2003. The aim was to describe the temporal evolution of wind and thermodynamic profiles in the stable surface layer and to use the accumulation of scalars, such as CO2 in the layer as a way to infer surface fluxes. This was deemed necessary because the frequent very calm conditions limited the validity of eddy covariance flux CO2 measurements at these sites at night. In 2001, tethered balloon observations were made at a pasture site. In 2003, this study was repeated, with a special balloon sonde deployed to measure CO2, temperature, humidity, and pressure. During the convective period just after sunrise, both the eddy covariance and accumulation flux estimation methods are valid and were compared. At night the key is to determine the thickness of the atmospheric layer to which nocturnal respiratory CO2 accumulates. In the forest at night the CO2 accumulation layer was basically constant and had a height of 32 m. The mean CO2 night flux (Fc) was estimated as 0.09(±0.02) mgCO2/m2s. The average CO2 accumulation rate was constant into de forest, decreased linearly with height form canopy height to 100-140 m high. These results are in agreement with the average profiles measured from forest flux towers. Over plowed field we found a larger CO2 accumulation layer at 60-80 m, reaching more then 100 m on some nights. The mean CO2 night flux was estimated Fc=0.20(±0.2) mgCO2/m2s. We found two shape of CO2 accumulation rate near the ground. Two nights the accumulation rate was basically constant with height, other four nights it decreased linearly with height, from the surface to 30-50 m high. The level what the accumulation rate is zero vary from 80 m to 135 m high. / Três campanhas de medidas da estrutura da camada limite noturna em área limpa e de floresta próximo de Santarém, PA, realizadas em 2001 e 2003 são apresentadas neste trabalho. O objetivo principal foi descrever a evolução temporal dos perfis de vento e termodinâmicos na camada limite estável para usar o método de acúmulo de escalares, como o CO2, nesta camada, como meio de estimar os fluxos superficiais. Isso se torna necessário porque freqüentemente condições de ventos calmos sobre estes sítios ocorrem durante o período noturno limitando a confiança das estimativas do fluxo de CO2 realizadas pelo método de covariância de vórtices turbulentos. Em 2001, usando balão cativo as observações foram realizadas no sítio de pastagem. Em 2003, estas observações foram repetidas com uma sonda especialmente desenvolvida para medir a concentração de CO2, temperatura, umidade e pressão do ar. Durante os primeiros estágios da convecção, logo após o nascer do sol, ambos métodos de covariância de vórtices e acumulação são validos e foram comparados. Durante a noite o principal é determinar a profundidade da camada atmosférica dentro da qual o CO2 acumula. Na floresta, à noite a camada de acumulação de CO2 basicamente foi constante e a altura foi de 32 m. O fluxo médio de CO2 à noite (Fc) foi estimado igual a 0.09(±0.03) mgCO2/m2s. Na média a taxa de acumulação de CO2 se manteve constante dentro da floresta, decrescendo até aproximadamente zero até níveis que variaram desde 100 m até 140 m. Estes resultados estão de acordo com as observações das torres de fluxo na região de estudo dos dados de longo termo do perfil do gás. Sobre o sítio com o solo arado a camada de acumulação de CO2 à noite em média varia entre 60-80 m, atingindo mais de 100 m em algumas noites. O fluxo noturno médio de CO2 foi estimado em Fc=0.20(±0.2) mgCO2/m2s. A variação vertical da taxa de acumulação apresentou dois padrões distintos próximo a superfície. Duas noites a variação vertical da taxa de acumulação foi aproximadamente constante, em outras quatro noites decresceu rapidamente com a altura, desde a superfície até 30-50 metros de altura. O nível a partir do qual a taxa de acumulação é nula variou desde 80 m a 135 m.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In this dissertation, it was estimated contaminants concentration in different stability conditions of the Planetary Boundary Layer. In order to do this, it was used the Lagrangian stochastic model. The experiments by Copenhagen and Prairie Grass were simulated, and to the last one it was used only experiments in which the wind speed was higher than 6m/s. In these simulations it was adopted the turbulence parameterization by Hanna (1982). The results were compared with the concentration field measured and simulated by Timm (2007), who used the turbulence parameterization achieved by Degrazia et al. (2000). The analysis of the results shows a better performance by the Lagrangian particles model when it is implemented the parameterization proposed by Degrazia et al. (2000). / Nesta dissertação, estimou-se a concentração de contaminantes em diferentes condições de estabilidade da Camada Limite Planetária. Para tanto, utilizou-se um modelo de partículas estocástico Lagrangeano. Os experimentos de Copenhagen e Prairie Grass foram simulados, de modo que para o último usou-se apenas experimentos em que a velocidade do vento foi maior que 6m/s. Nestas simulações foi utilizada a parametrização da turbulência proposta por Hanna (1982). Os resultados foram comparados com o campo de concentração medido e simulado por Timm (2007), a qual utilizou a parametrização da turbulência obtida por Degrazia et al. (2000). A análise dos resultados mostra um melhor desempenho do modelo de partículas Lagrangeano quando utilizada a parametrização proposta por Degrazia et al. (2000).

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.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:56:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DissLSA.pdf: 1961989 bytes, checksum: be54bb4cf75d5e9d209313c229f8c1c1 (MD5) Previous issue date: 2003-09-05 / Knowledge of the shape evolution and shrinkage of a spherical gel system during drying by forced convection significantly enhances the understanding of this process under the vision of the transport phenomena. This work consists in the development of a gel system, with spherical geometry, which allows analyzing the effect of the fluid flow, in the boundary layer, on the moisture transport, shrinkage and on the shape evolution of the sample, during drying in an air stream forced convection equipment. The shrinkage was observed through the capture of images, used for the calculation of shape factors. The process was evaluated under a laminar flow (based on particle diameter), with a agar concentration of 1.5 and 3% (wet basis), fluid velocities varying from 1.0 to 2.0 m/s and initial particle diameters of 1.61.10-2 and 2.66.10-2 m, being the temperature maintained at 50 0C. The results confirmed with good reproducibility, proved statistically, that the circularity and specific mass of the samples decrease according to the formation of accentuated two-dimensional moisture profiles, for moisture contents lower than the critical value. The difference between the maximum and minimum diameters of a sample, during the process, evidenced the variation of the mass transfer rates between the previous and subsequent areas. It was inferred that during the constant drying rate period, the analysis is pondered in relation to the moisture transport, with the circularity and specific mass of the samples staying approximately constant. The gel system used allowed to reach the proposed objective, in a selective way, representing materials intensely affected by the shrinkage. / O conhecimento da evolução de forma e encolhimento de um sistema gel esférico, durante a secagem por convecção forçada, significativamente aumenta a compreensão deste processo na visão dos fenômenos de transporte. Este trabalho consiste no desenvolvimento de um sistema gel, com geometria esférica, que permita analisar o efeito do escoamento na camada limite, entre o sólido e o fluido, no transporte de umidade, encolhimento e na evolução da forma da amostra, durante a secagem por convecção forçada. O encolhimento foi observado pela tomada de imagens, e os dados foram utilizados para o cálculo de fatores de forma. O processo foi avaliado sobre um escoamento de fluido laminar (baseado em diâmetro de partícula), com uma concentração de ágar de 1,5 e 3% (b.u.), velocidade do fluido variando de 1,0 a 2,0 m/s e diâmetros de partícula iniciais de 1,61.10-2 e 2,66.10-2 m, sendo a temperatura mantida em aproximadamente 50 0C. Os resultados confirmaram com boa reprodutibilidade, comprovada estatisticamente, que a circularidade e massa específica das amostras diminuem de acordo com a formação de perfis de umidade bidimensionais, para teores de umidade abaixo do valor crítico. A diferença entre os diâmetros máximo e mínimo de uma amostra, ao longo do processo, evidenciou a variação das taxas de transferência de massa entre as regiões anterior e posterior. Durante o período de taxa constante de secagem foi avaliado que a análise é concentrada, em relação ao transporte de umidade, com a circularidade e massa específica das amostras permanecendo aproximadamente constantes. O sistema gel desenvolvido permitiu alcançar o objetivo proposto de maneira seletiva, representando materiais intensamente afetados pelo fenômeno do encolhimento.

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:57:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ElmoTLCF.pdf: 2561379 bytes, checksum: ce46e30927b91ae6ea3131014547a094 (MD5) Previous issue date: 2008-03-14 / Dois dos principais objetivos no estudo da aerodin?mica de ve?culos ? a seguran?a e o desempenho. Esses objetivos podem ser alcan?ados atrav?s do desenvolvimento de dispositivos que modifiquem o escoamento de ar ao redor do ve?culo e tamb?m atrav?s de altera??es da forma das superf?cies externas. O perfil mais baixo da frente do ve?culo, por exemplo, tem grande influ?ncia sobre o coeficiente de penetra??o aerodin?mica (Cx) e posteriormente sobre grande parte da distribui??o de press?o ao longo da superf?cie do ve?culo. O objetivo deste trabalho foi de analisar o comportamento aerodin?mico que incide sobre 2 (dois) tipos de carrocerias de ve?culos, baseado em experimenta??o em t?nel aerodin?mico, visando determinar a efici?ncia aerodin?mica de cada uma delas. Foram comparados dois modelos de ve?culos, sendo um deles com configura??o familiar, muito comum nas grandes cidades e outro modelo com configura??o esportiva mais voltado para o desempenho, ambos com escala 1:18. Para a realiza??o do experimento foi constru?do um t?nel aerodin?mico do tipo soprador com circuito aberto, onde foram analisadas as distribui??es de press?o nas superf?cies inferiores e superiores da carroceria dos modelos e o deslocamento da camada-limite. Tomando-se por base toda a te?rica deste trabalho, com rela??o ? aerodin?mica de carroceria, considerou-se nesta disserta??o que essa filosofia de pesquisa ? capaz de gerar reflexos positivos, que podem tornar os ve?culos cada vez mais eficientes e influenciar positivamente nos n?veis de seguran?a e desempenho

Neste trabalho, é apresentado, de acordo com o conhecimento atual da estrutura e características da Camada Limite Planetária, um novo conjunto de parametrizações da turbulência para ser usado em modelos de transferência atmosférica. Isto é, são propostas expressões para o perfil vertical do desvio padrão de velocidade, para a escala de comprimento Lagrangiana, para a escala de tempo Lagrangiana e para o coeficiente de difusão, usando a teoria clássica de difusão estatística, as propriedades espectrais observadas e as características observadas de energia contida nos turbilhões. Estas parametrizações fornecem valores contínuos com a altura na CLP para todas as condições de estabilidade, desde um estado dinâmico instável até um estável. / This work presents, according to the current knowledge of the PBL structure and characteristics, a new set ofturbulence parametrizations to be used in dispersion models. It means, expressions for the vertical profiles of the velocity standard deviation, Lagrangian length and time scales, and diffusion coefficient, are proposed. The classical statistical diffusion theory, the observed spectral properties and observed characteristics of energy containing eddies are used to estimate these parameters. These parametrizations give continuous values for the PBL at ali elevations and ali stability conditions from unstable to stable.

Nestes últimos anos, tivemos um aumento no interesse na monitoração dos efeitos da atividade humana sobre a atmosfera e o clima no planeta. O uso de técnicas de sensoriamento remoto têm sido utilizados em diversos estudos, inclusive em estudos relacionados à mudanças globais. Um sistema LIDAR de espalhamento, primeiro deste tipo no Brasil, tem sido usado para fornecer o perfil vertical do coeficiente de retroespalhamento de aerossóis em 532 nm para altitudes de 4 a 6 km acima do nível do mar. Neste estudo, foram utilizados dados coletados no ano de 2005. Estes dados foram correlacionados com dados do fotômetro solar CIMEL e também com dados meteorológicos. Os principais resultados indicaram existir um padrão no comportamento destes dados meteorológicos e a distribuição vertical do coeficiente de extinção obtido através do LIDAR. Em períodos desfavoráveis de dispersão atmosférica, ou seja, elevação da temperatura do ar associado a queda de umidade relativa, aumento da pressão atmosférica e baixa taxa de ventilação, foi possível determinar com boa precisão a altura da Camada Limite Planetária, tanto através do perfil vertical do coeficiente de extinção quanto através da técnica da temperatura potencial. A técnica LIDAR mostrou ser um importante aliado na determinação da estrutura termodinâmica da atmosfera, auxiliando a caracterizar a evolução da CLP ao longo do dia, devido a sua boa resolução espacial e temporal. / In these last years, we had an increase in the interest in the monitoring of the effect of the human activity being on the atmosphere and the climate in the planet. The remote sensing techniques has been used in many studies, also related the global changes. A backscattering lidar system, the first of this kind in Brazil, has been used to provide the vertical profile of the aerosol backscatter coefficient at 532 nm up to an altitude of 4-6 km above sea level. In this study, data has was collected in the year of 2005. These data had been correlated with data of solar photometer CIMEL and also with meteorological data. The main results had indicated to exist a standard in the behavior of these meteorological data and the vertical distribution of the extinction coefficient gotten through LIDAR. In favorable periods of atmospheric dispersion, that is, rise of the temperature of associated air the fall of relative humidity, increase of the atmospheric pressure and low ventilation tax, was possible to determine with good precision the height of the Planetary Boundary Layer, as much through the vertical profile of the extinction coefficient how much through the technique of the vertical profile of the potential temperature. The technique LIDAR showed to be an important tool in the determination of the thermodynamic structure of the atmosphere, assisting to characterize the evolution of the CLP throughout the day, which had its good space and secular resolution.

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.