No trabalho proposto é apresentado um método analítico para a obtenção da solução da equação advectivo-difusiva que rege a propagação de poluentes em corpos hídricos. Este método utiliza transformações conformes para efetuar o mapeamento de um corpo hídrico com geometria arbitrária em um semi-plano, fornecendo uma solução em forma fechada expressa em termos da função corrente e do potencial velocidade.

Vários métodos analíticos, numéricos e híbridos podem ser utilizados na solução de problemas de difusão e difusão-advecção. O objetivo deste trabalho é apresentar dois métodos analíticos para obtenção de soluções em forma fechada da equação advectivo-difusiva em coordenadas cartesianas que descreve problemas de dispersão de poluentes na água e na atmosfera. Um deles é baseado em regras de manipulação de exponenciais de operadores diferenciais, e o outro consiste na aplicação de simetrias de Lie admitidas por uma equação diferencial parcial linear. Desenvolvem-se regras para manipulação de exponenciais de operadores diferenciais de segunda ordem com coeficientes constantes e para operadores advectivo-difusivos. Nos casos em que essas regras não podem ser aplicadas utiliza-se uma formulação para a obtenção de simetrias de Lie, admitidas por uma equação diferencial, via mapeamento. Define-se um operador diferencial com a propriedade de transformar soluções analíticas de uma dada equação diferencial em novas soluções analíticas da mesma equação. Nas aplicações referentes à dispersão de poluentes na água, resolve-se a equação advectivo-difusiva bidimensional com coeficientes variáveis, realizando uma mudança de variáveis de modo a reescrevê-la em termos do potencial velocidade e da função corrente correspondentes ao respectivo escoamento potencial, estendendo a solução para domínios de contornos arbitrários Na aplicação referente ao problema de dispersão de poluentes na atmosfera, realiza-se uma mudança de variáveis de modo a obter uma equação diferencial parcial com coeficientes constantes na qual se possam aplicar as regras de manipulação de exponenciais de operadores diferenciais. Os resultados numéricos obtidos são comparados com dados disponíveis na literatura. Diversas vantagens da aplicação das formulações apresentadas podem ser citadas, a saber, o aumento da velocidade de processamento, permitindo a obtenção de solução em tempo real; a redução da quantidade de memória requerida na realização de operações necessárias para a obtenção da solução analítica; a possibilidade de dispensar a discretização do domínio em algumas situações.

In questo lavoro vengono presentati dei modelli di dispersione analitici, per la qualità dell'aria, basati sulle equazioni di diffusione ed avvezione multidimensionali, in geometria Cartesiana. Questi modelli sono validi per un contaminante passivo e per condizioni di turbolenza omogenea e uniforme e velocità dei vento uniforme, che equivale ad emissioni a quote elevate che si verificano in condizioni di stabilità intermedia e in assenza di di una forte forza di "buoyancy". Le soluzioni sono ottenute con l'uso dei metodo della Trasformata Integralle Generalizzata e sono analitiche nel senso che nessuna approssimazione e fatta nella derivazione. L'idea di base dei metodo si sviluppa nelle fasi seguenti: costruzione di un paio di trasformate attraverso la soluzione di un problema di Sturm-Liouville; applica.zione della trasformata e della soluzione dei sistema di equazioni differenziali ordinarie risultanti; applicazione della trasformata inversa. Sono presentati le simulazioni numeriche e i confronti con risultati disponibili in letteratura. In queste simulazioni i coefficienti di dispersione sono stati considerati dipendenti sia dali a distanza dali a sorgente (caso bidimensionale e tridimensionale) sia dai loro valore asintotico (caso tridimensionale). / Neste trabalho são apresentados modelos de dispersão analíticos de qualidade do ar, baseados nas equações de difusão e advecção estacionárias bidimensional e tridimensional, na geometria cartesiana. Estes modelos são válidos para um contaminante passivo, sujeito a situações de turbulência homogênea e com velocidades do vento médio uniformes, ou seja, para abandonos elevados que ocorrem em condições de estabilidade intermediária e na ausência de fortes empuxos. As soluções são alcançadas com o uso do método da Transformada Integral Generalizada e são analíticas no sentido de que nenhuma aproximação é feita ao longo de sua derivação. A idéia básica do método consiste: elaboração de um par de transformadas pela solução do problema de Sturm-Liouville; aplicação da transformada integral e solução do sistema de equações diferenciais ordinárias resultantes e aplicação da transformada inversa. Simulações numéricas e comparações com resultados disponíveis na literatura são apresentadas. Nestas simulações foram considerados coeficientes de dispersão dependentes da distância da fonte (caso bidimensional e tridimensional) e o valor assintótico do coeficiente de dispersão (caso bidimensional). / In this work, analytical dispersion models for air quality are reportedo The models are based upon the multidimensional steady-state diffusion-advection equation, in the cartesian geometryo They are valid for a passive contaminant and for physical conditions of homogeneous turbulence and uniform mean wind speed, that means, for elevated contaminant releases that occur in intermediate stability conditions without strong buoyancyo The solutions are obtained using the Generalized Integral Transform Technique; they are analytical in the sense that no approximation is made along their derivationo The main idea consists of the steps: construction of a pair of transformation through the solution of a Sturm-Liouville problem, application of the integral transform and solution of result system of ordinary differential equations followed by the application of the inverse transformo Numerical simulations and comparisons with available results in the literature are presentedo In these simulations the dispersion coefficients were assumed to be dependent on the distance o f the source (two and three dimensional cases) as well its asymptotic bebaviour (two dimensional case).

O Objetivo deste trabalho é estudar a dispersão do poluente material particulado (PTS), na região da Usina Termelétrica de Charqueadas, localizada no município de Charqueadas, utilizando a modelagem numérica ( mais especificamente o modelo ISCST- Industrial Source Complex Term – Short Term ) Esse modelo de dispersão utilizado é recomendado pela EPA ( Environmental Protection Agency ) para tratamento da dispersão de poluentes emitidos por fontes industriais como refinarias,termelétricas, industrias siderúrgicas, etc. Neste estudo, os resultados foram simulados pelo modelo para o ano de 2005 com a Usina equipada com precipitadores eletrostáticos e os dados obtidos foram comparados com os dados das concentrações de Material Particulado (MP) medidos através dos pontos receptores em duas estações de monitoramento da qualidade do ar operadas na região de influência da Usina Termelétrica. Posteriormente os resultados foram simulados pelo modelo para o ano de 2005 com a emissão da Usina equipada com filtro de mangas e os dados obtidos foram comparados com os dados de concentração de Material Particulado (MP) medidos nas estações de monitoramento no primeiro trimestre de 2010, quando a usina estava efetivamente operando com esse controle ambiental. O estudo e os valores medidos mostram que os padrões primários e secundários não foram ultrapassados, no entanto, os resultados modelados demonstram que o modelo ISCST subestima as concentrações de Material Particulado (MP) observadas nas estações de qualidade do ar, o que provavelmente ocorre, devidos a presença de outras fontes de emissão na região que se consideradas no estudo poderiam trazer uma aproximação do valor real com o modelado. / The goal is to study the dispersion of pollutant particulate matter (TSP), in the region of Charqueadas Thermal Power Plant, located in Charqueadas, using the numerical modeling ( specifically model Industrial Source Complex ISCST - Term - Short Term) This dispersion model used is recommended by EPA ( Environmental Protection Agency) for the treatment of the dispersion of pollutants emitted by industrial sources such as refineries, power plants, steel industries, etc. In this study the results were simulated by model for the year 2005 with the plant equipped with electrostatic precipitators and the data were compared with data of concentrations of particulate matter (PM) measured by the receiving points in two season of monitoring the quality air operated in the region of influence of UTE. The data were simulated by the model for the year 2005 with issueance of the plant equipped with bag filters and the data were compared with data for the concentration of particulate matter (PM) measured at the monitoring stations in the first quarter of 2010, when the plant was actually operating with the environmental control. The study and the measured values show that the primary and secondary standards were not exceeded, however the modeled results show that the ISCST model underestimates the concentrations of Particulate Matter (PM) observed at stations of air quality, which probably occurs due to the presence of other emission sources in the region that if is considered in the study could yield an approximation of the actual value with the modeling.

Tendo em vista o atual renascimento do Programa Nuclear Brasileiro, o presente objetivo ´e estudar a dispersão de poluentes em possíveis cenários de emissões acidentais. Para tanto, apresenta-se a solução analítica para a equação de advecção-difusão tridimensional transiente, com perfil de vento e coeficientes de difusão turbulenta variáveis com a altura, que modelam a dispersão de poluentes na atmosfera. A equação é resolvida pela combinação da transformada de Laplace e da técnica GILTT (Generalized Integral Laplace Transform Technique). S˜ao consideradas duas situações de liberação de poluente radioativo na atmosfera: controlada e acidental. Para o caso de uma libera,c˜ao controlada, o modelo é avaliado em condições moderadamente instáveis usando o experimento de Angra dos Reis. S˜ao apresentados os resultados numéricos e estatísticos, comparando os resultados obtidos com dados experimentais. Como um exemplo de liberação acidental foi simulado o acidente de Fukushima-Daiichi utilizando dados obtidos por um modelo de mesoescala. / Given the current revival of the Brazilian Nuclear Program, the present goal is study the dispersion of pollutants in possible scenarios of accidental releases. Therefore, we present an analytical solution for the three-dimensional transient advection-diffusion equation, with variable wind field and turbulent diffusion coefficients depending on height, that model the dispersion of pollutants in the atmosphere. The equation is solved combining the Laplace transform and GILTT technique (Generalized Integral Laplace Transform Technique). Two situations of radioactive pollutant release in the atmosphere are considered: controlled and accidental. For the case of a controlled release, the model is evaluated at moderately unstable conditions using the experiment of Angra dos Reis. Numerical results and statistical comparisons between the results obtained and experimental data are shown. As an example of accidental release was simulated the Fukushima-Daiichi accident using data obtained from a mesoscale model.

Neste trabalho é apresentada uma solução para a equação de difusão-advecção tridimensional transiente para simular a dispersão de poluentes na atmosfera. A novidade deste trabalho, baseia-se no caráter analítico da solução, não disponível anteriormente na literatura. Para atingir este objetivo a equação de difusão-advecção tridimensional é resolvida combinando o método ADMM (Advection Diffusion Multilayer Method) e a técnica GITT (Generalized Integral Transform Technique). O método GITT ´e um método híbrido que resolve uma ampla classe de problemas diretos e inversos principalmente na área de Transferência de Calor e Mecânica dos Fluídos. No presente trabalho, o problema transformado é resolvido pelo método ADMM, uma solução analítica da forma integral baseada na discretização da CLP em subcamadas onde a equação de difusão-advecção é resolvida pela técnica da transformada de Laplace. Esse novo método foi denominado GIADMT (Generalized Integral Advection Diffusion Multilayer Technique). / In this work, is presented a solution for the nonstationary three-dimensional advectiondiffusion equation in order to simulate pollutant dispersion in atmosphere. The novelty of this work relies on the analytical character of the solution, not available before in the literature. To accomplish this objective the three-dimensional advection-diffusion equation is solved combining the ADMM (Advection Diffusion Multilayer Method) method and GITT (Generalized Integral Transform Technique) technique. The GITT (Generalized Integral Transform Technique) is a hybrid method that solves a wide class of direct and inverse problems, mainly in the area of Heat Transfer and Fluid Mechanics. In this work, the transformed problem is solved by the ADMM (Advection-Diffusion Multilayer Model) method, an analytical integral solution based on a discretization of the PBL in sub-layers where the advection-diffusion equation is solved by the Laplace transform technique. That new method was denominated GIADMT (Generalized Integral Advection Diffusion Multilayer Technique).

Neste trabalho é apresentada uma solução analítica para a dispersão vertical turbulenta em uma camada limite estável, para uma fonte área instantânea. Esta solução é obtida pela aplicação da transformada de Laplace na variável temporal da equação de difusão e também foi usado um coeficiente de dispersão derivado das teorias de similaridade local e da difusão estatística. A transformada inversa é ,obtida através do esquema numérico de quadratura Gaussiana. São apresentadas várias simulações para diversas alturas da fonte área e os resultados obtidos apresentaram boa comparação com os resultados disponíveis na literatura. / In this work is presented an analytical solution for vertical poluent dispersion of a instantaneous area source in an atmospheric stable boundary layer. This solution is obtained by the aplication ofLaplace Transform on the time-dependent, one dimensional diffusion equation and using the dispersion coefficient derived from local similarity and statistical diffusion theories. The In verse o f the Transform is achieved through numerical f scheme of Gausian quadrature. Numerical simulations and comparisions are reported for several heights o f the source and the results attained a good concordance with other results.

Neste trabalho é apresentada uma solução analítica para a dispersão vertical turbulenta em uma camada limite estável, para uma fonte área instantânea. Esta solução é obtida pela aplicação da transformada de Laplace na variável temporal da equação de difusão e também foi usado um coeficiente de dispersão derivado das teorias de similaridade local e da difusão estatística. A transformada inversa é ,obtida através do esquema numérico de quadratura Gaussiana. São apresentadas várias simulações para diversas alturas da fonte área e os resultados obtidos apresentaram boa comparação com os resultados disponíveis na literatura. / In this work is presented an analytical solution for vertical poluent dispersion of a instantaneous area source in an atmospheric stable boundary layer. This solution is obtained by the aplication ofLaplace Transform on the time-dependent, one dimensional diffusion equation and using the dispersion coefficient derived from local similarity and statistical diffusion theories. The In verse o f the Transform is achieved through numerical f scheme of Gausian quadrature. Numerical simulations and comparisions are reported for several heights o f the source and the results attained a good concordance with other results.

O Objetivo deste trabalho é estudar a dispersão do poluente material particulado (PTS), na região da Usina Termelétrica de Charqueadas, localizada no município de Charqueadas, utilizando a modelagem numérica ( mais especificamente o modelo ISCST- Industrial Source Complex Term – Short Term ) Esse modelo de dispersão utilizado é recomendado pela EPA ( Environmental Protection Agency ) para tratamento da dispersão de poluentes emitidos por fontes industriais como refinarias,termelétricas, industrias siderúrgicas, etc. Neste estudo, os resultados foram simulados pelo modelo para o ano de 2005 com a Usina equipada com precipitadores eletrostáticos e os dados obtidos foram comparados com os dados das concentrações de Material Particulado (MP) medidos através dos pontos receptores em duas estações de monitoramento da qualidade do ar operadas na região de influência da Usina Termelétrica. Posteriormente os resultados foram simulados pelo modelo para o ano de 2005 com a emissão da Usina equipada com filtro de mangas e os dados obtidos foram comparados com os dados de concentração de Material Particulado (MP) medidos nas estações de monitoramento no primeiro trimestre de 2010, quando a usina estava efetivamente operando com esse controle ambiental. O estudo e os valores medidos mostram que os padrões primários e secundários não foram ultrapassados, no entanto, os resultados modelados demonstram que o modelo ISCST subestima as concentrações de Material Particulado (MP) observadas nas estações de qualidade do ar, o que provavelmente ocorre, devidos a presença de outras fontes de emissão na região que se consideradas no estudo poderiam trazer uma aproximação do valor real com o modelado. / The goal is to study the dispersion of pollutant particulate matter (TSP), in the region of Charqueadas Thermal Power Plant, located in Charqueadas, using the numerical modeling ( specifically model Industrial Source Complex ISCST - Term - Short Term) This dispersion model used is recommended by EPA ( Environmental Protection Agency) for the treatment of the dispersion of pollutants emitted by industrial sources such as refineries, power plants, steel industries, etc. In this study the results were simulated by model for the year 2005 with the plant equipped with electrostatic precipitators and the data were compared with data of concentrations of particulate matter (PM) measured by the receiving points in two season of monitoring the quality air operated in the region of influence of UTE. The data were simulated by the model for the year 2005 with issueance of the plant equipped with bag filters and the data were compared with data for the concentration of particulate matter (PM) measured at the monitoring stations in the first quarter of 2010, when the plant was actually operating with the environmental control. The study and the measured values show that the primary and secondary standards were not exceeded, however the modeled results show that the ISCST model underestimates the concentrations of Particulate Matter (PM) observed at stations of air quality, which probably occurs due to the presence of other emission sources in the region that if is considered in the study could yield an approximation of the actual value with the modeling.

Neste trabalho, a partir de dados rotineiramente medidos em estações meteorológicas de superfície, estimamos os parâmetros de escala da Camada Limite Planetária (CLP) do experimento OLAD (Over Land Atmospheric Dispersion). Esses parâmetros são muito importantes no processo de dispersão, especialmente no cálculo das parametrizações para os modelos de dispersão atmosférica. Simular o processo de dispersão de poluentes na atmosfera sob a condição de vento fraco é uma tarefa difícil. Nesse sentido, realizamos a implementação e avaliação de um modelo de partícula lagrangeano semi-analítico, denominado ILS-LW (Iterative Langevin Solution for Low Wind) para investigar o processo de dispersão atmosférica em situações de vento fraco. A avaliação foi feita mediante comparação entre os resultados das simulações numéricas e os dados de concentração obtidos no experimento OLAD. Os dados experimentais foram coletados em um sítio experimental localizado no West Desert Test Center (WDTC), Utah, nos Estados Unidos, com a colaboração do exército americano e supervisões do National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) e Air Resources Laboratory Field Research Division (ARLFRD), em setembro de 1997. Concluímos que o modelo ILS-LW reproduz satisfatoriamente o conjunto de dados testado. / In this work, we present estimates for Boundary Layer Planetary's scaling parameters for the data obtained by superficial meteorological stations of the Over Land Atmospheric Dispersion (OLAD) experimento These parameters are very important, specially for the estimate of parametrizations for the atmospheric dispersion models. The simulation of the atmospheric pollutant dispersion under low wind speed is not a trivial task. We have tested and evaluated a semi-analytic model with lagrangean particles, that we refer to as the Iterative Langevin Solution for Low Wind (ILS-LW), in order to investigate the atmospheric dispersion process in low wind speed conditions. The evaluation was done by comparing the results generated by the numerical simulations and the concentration dataset from OLAD experimento The experimental data were obtained on an experimental site at the West Desert Test Center (WDTC), Utah, USA, under colaboration ofthe american army and supervision by the National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) and Air Resources Laboratory Field Research Division (ARLFRD) in September, 1997. We conclude that the model ILS-LW reproduces reasonably the tested data.