Submitted by Johnny Rodrigues (johnnyrodrigues@ufcg.edu.br) on 2018-03-26T21:38:56Z No. of bitstreams: 1 VALÉRIO DE ARAÚJO GOMES - TESE PPGEQ 2017..pdf: 1988053 bytes, checksum: b420f6b012569ad3bbe40c4e9567f181 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-03-26T21:38:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 VALÉRIO DE ARAÚJO GOMES - TESE PPGEQ 2017..pdf: 1988053 bytes, checksum: b420f6b012569ad3bbe40c4e9567f181 (MD5) Previous issue date: 2017 / O desenvolvimento de modelos matemáticos aplicados a simulação de dispersão de poluentes na atmosfera, utilizando fluidodinâmica computacional, tem sido cada vez mais intenso em função da evolução tecnológica das rotinas computacionais. Porém, o maior desafio ainda é o entendimento e a modelagem adequada dos fenômenos que caracterizam a dispersão quando ocorrem em regime turbulento. Para o fechamento dos termos que representam a turbulência, o modelo de duas equações k- padrão é o que mais largamente tem sido utilizado. Contudo, este é um modelo desenvolvido a altos números de Reynolds e apresenta limitações quando o escoamento ocorre próximo das paredes do domínio. Desta forma, quando os efeitos de escoamentos a baixos números de Reynolds devem ser levados em consideração (quando a viscosidade molecular não pode ser desprezada), funções amortecedoras devem ser inseridas resultando em uma espécie de k- para baixos números de Reynolds. Com isso, esta tese tem como objetivo apresentar o desenvolvimento de um modelo de dispersão atmosférica matemático, tendo como contribuição científica o desenvolvido de equações empíricas para definição da função amortecimento (𝑓µ) no cálculo da viscosidade turbulenta, em complemento as funções “paredes” utilizadas comumente pelos códigos computacionais comerciais, corrigindo desta forma o modelo k- padrão. Como ferramenta computacional, foi utilizado o software CFX® para as simulações fluidodinâmicas. Para validação do modelo, foram utilizados os dados do experimento de Copenhagen. Os índices estatísticos do modelo também foram comparados com os resultados de outras pesquisas encontradas na literatura. Os resultados mostraram que a metodologia proposta foi capaz de simular o experimento de campo com um nível bastante satisfatório, atingindo um erro quadrático médio normalizado (NMSE) de 0,02 e um fator de correlação (Cor) de 0,95. / The development of mathematical models, which simulate the dispersion of pollutants in the atmosphere using computational fluid dynamics, has been increasingly intense due to the technological evolution of computational routines. For the closure of the terms representing the turbulence, the model of standard two equations k- is the most widely used. However, when the effects of low Reynolds numbers should be considered (when molecular viscosity cannot be neglected), damping functions should be inserted resulting in a kind of k- for low Reynolds numbers. This thesis aims to present the development of a mathematical atmospheric dispersion model, whose scientific contribution is the development of empirical equations to define the damping function (𝑓�µ) in the calculation of turbulent viscosity, in addition the functions "walls" commonly used by commercial computer codes. As a computational tool, CFX® software has been used to perform fluid dynamics simulation. For the validation of the model, the data from the Copenhagen experiment were used. The statistical indices of the model were also compared with the results of other studies found in the literature. The results showed that the proposed methodology was able to simulate the field experiment with a very satisfactory level, reaching a normalized mean square error (NMSE) of 0.02 and a correlation factor (Color) of 0.95.

RESUMO Neste trabalho, a origem dos Jatos de Baixos Níveis (JBN) noturnos de Iperó (SP) e o seu papel na dispersão de poluentes no Estado de São Paulo são investigados. Para tanto são utilizados os dados coletados nas quatro campanhas de medidas em Iperó. Utilizou-se também um modelo numérico de mesoescala não-hidrostático TVM para simular a estrutura espacial 3-D do JBN em resposta as forçantes topográficas e associadas ocupação da superfície. Os resultados observacionais indicam que o JBN ocorre em Iperó com bastante freqüência nas noites de céu claro, com intensidade variando entre 8 e 10 m/s e localizado em torno de 350 m acima da superfície. Os JBNs em Iperó caracterizam-se por um cisalhamento direcional, com ventos de SE na superfície e de ENE na região de máximo. Ocorrem tanto no inverno como no verão, e afetam o ciclo diurno médio do vento observado nos primeiros 100 metros na região de Iperó. Os JBNs são responsáveis pelo máximo noturno (21:00 HL) existente no ciclo diurno médio do vento na região. Os resultados numéricos indicam que o JBN de Iperó é resultado da ação combinada de quatro fatores: (1) circulação anabática no setor paulista do vale do Rio Paraná; (2) oscilação inercial; (3) circulação catabática noturna e (4) brisa marítima. Estes quatro fatores combinados sustentam um JBN com intensidade de 5 a 10 m/s, localizados a uma altitude de 100 a 400 m acima da superfície, durante maior parte da noite. O JBN simulado numericamente encontra-se localizado no setor oeste da região de convergência da circulação anabática e da brisa marítima. Esta região de convergência em baixos níveis se forma durante o dia na parte mais elevada do Estado de São Paulo que acompanha da linha do litoral (Serra do Mar e da Cantareira). O efeito do JBN sobre o transporte de poluente foi investigado com um modelo Lagrangiano de dispersão de partículas. Verificou-se que o JBN aumenta a dispersão horizontal das partículas, transportando o poluente atmosférico emitido na superfície até 250 km da fonte. / ABSTRACT This work investigates the nocturnal Low-Level Jet (LLJ) in Iperó, Brazil, and its role in the pollutant dispersion on the State of São Paulo (SP). Data of four field campaigns in Iperó-SP was used in this investigation. A mesoscale and non-hydrostatic TVM model is also used to simulate the 3D structure of the LLJ, which is a dynamic response to topography and land use. The observational results indicate that the LLJ is frequently found during clear air nights, with a maximum between 8 and 10 m s–1, located around 350 m above surface. The LLJ in Iperó is characterized by a directional wind shear, with SE winds near surface and ENE near to the maximum. They occur during the winter and summer, and can modify the diurnal cycle of the mean wind in the first 100 m in the Iperó area. The LLJ are responsible by the nocturnal maximum (21:00 LT) in the mean wind in Iperó. The numerical results indicate the Iperó LLJ is a result of four factors: (1) anabatic circulation in São Paulo sector of the Paraná River Basin; (2) inertial oscillation; (3) nocturnal katabatic circulation and (4) sea breeze. These factors, together, sustain a LLJ with jet core intensity between 5 and 10 m/s, located between 100 and 400 m above surface during the major of nighttime period. The simulated LLJ numerically is found in the west sector in the convergence zone of the anabatic and sea breeze circulations. This convergence flow area appears during the daytime above the more elevated areas in the State of São Paulo, i.e., along mountains aligned parallel to coastline (Serra do Mar and Cantareira). The effects of the LLJ in a pollutant transport were investigated using a Lagrangian Particle Dispersion model coupled to the mesoscale model TVM. The results show that the LLJ increases the horizontal dispersion of the particles released near surface in Iperó and is able to transport the pollutant up to 250 km downwind the source.

Submitted by JOSIANE SANTOS DE OLIVEIRA (josianeso) on 2018-04-04T12:31:51Z No. of bitstreams: 1 Rafael Gialdi Salvagni_.pdf: 4078552 bytes, checksum: 3046bf3bf4c04b0ca0ff91981f73727e (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-04T12:31:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Rafael Gialdi Salvagni_.pdf: 4078552 bytes, checksum: 3046bf3bf4c04b0ca0ff91981f73727e (MD5) Previous issue date: 2017-04-25 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / PROSUP - Programa de Suporte à Pós-Gradução de Instituições de Ensino Particulares / Este trabalho apresenta o estudo numérico-experimental da dispersão de poluentes e da geometria da chama de uma poça de combustível. Foi realizada A modelagem da combustão em uma poça, com a dispersão da pluma em função do vento incidente, com o objetivo de caracterizar o fenômeno. Foi utilizado um túnel de vento em escala laboratorial para executar a análise experimental de poças de diesel (S-500) e biodiesel (B-100), em um tanque cilíndrico com tamanho reduzido de Ø110 x 57,4 mm. Além disso, foi utilizado o programa FDS para análise e comparação dos dados em escala de mesma grandeza da bancada experimental. A influência da velocidade do vento sobre a geometria da chama – inclinação, altura e comprimento – foi analisada, bem como outras questões pertinentes à estrutura da chama, como temperatura adimensional da chama, da pluma e temperatura periférica. Por último, uma análise da taxa de queima mássica foi feita para complementar os dados experimentais e obter mais informações sobre o comportamento da chama. Os dados experimentais foram aplicados nas correlações semi-empíricas de comprimento e ângulo de chama, a fim de comparar seu comportamento com a previsão de outros autores. Foi observado nos experimentos que, com a mudança da geometria da chama, ocorre a mudança da posição e consequentemente da dispersão da pluma. O ângulo da chama mostrou variação diretamente proporcional à velocidade do escoamento. A variação da altura e comprimento de chama foi inversamente proporcional à velocidade do escoamento. Os comportamentos do ângulo e da altura concordaram com a literatura, mas o comprimento apresentou diferenças. A temperatura adimensional da chama aumentou com o aumento da velocidade, sendo a do biodiesel 49% superior à do diesel. A temperatura adimensional da pluma apresentou um decremento com o aumento da velocidade de escoamento, atingindo, para o diesel, temperaturas cerca de 110% menores em relação ao biodiesel. A mesma tendência ocorreu com a temperatura periférica, que reduziu conforme aumentou a distância de medição da poça, havendo diferença de 20,3% entre os dois combustíveis. A taxa de queima mássica foi verificada e se observou que foi regida por diferentes mecanismos de trocas térmicas e flutuabilidade, o que provocou comportamentos diferentes para o diesel e o biodiesel, sendo as taxas de queima do diesel maiores, em geral. Os dados experimentais obtidos foram comparados com os resultados da análise numérica realizada no FDS. Obteve-se boas aproximações para o ângulo, comprimento, altura e temperaturas da pluma e periférica. As temperaturas da chama mostraram tendência diferente em relação aos dados experimentais. As análises de dispersão de poluentes mostraram uma tendência de redução abrupta das concentrações com o aumento da distância em velocidades menores e uma redução mais suave e constante para as maiores velocidades nos ensaios experimentais, apresentando, no entanto, uma grande diferença em relação aos valores numéricos, embora com tendências semelhantes, para ambos os combustíveis. / This work presents a numerical-experimental study of pollutants dispersion and flame geometry in a pool fire. Combustion modeling in a pool fire with plume dispersion as a function of the incident wind is carried out with the objective of phenomenon characterization. A laboratory-scale wind tunnel is used to perform the experimental analysis of diesel (S-500) and biodiesel (B-100) pool fire in a cylindrical tank with a reduced size of Ø110 x 57.4 mm. In addition, the FDS software was used to analyze and compare the results, using a model in a scale of the same magnitude of the experimental setup. The wind speed influence on the flame geometry – tilt angle, height and length – was analyzed as well as other questions related to the structure of the flame, such as dimensionless flame and plume temperature and outer layer temperature. Finally, an analysis of the mass burning rate was done to complement the experimental data and to obtain more information about the flame behavior. The data obtained were applied in the semi-empirical correlations of flame length and tilt angle to compare their behavior with the prediction of other authors. It Was observed that the change of flame geometry induces a change of plume position and dispersion. The behavior of the flame geometry was observed; the angle changes proportionally to the air flow speed. The variation in flame height and length was inversely proportional to air flow speed. The angle tilt and height agreed with the literature, but the length presented differences. The temperature of the flame increased with increasing of air flow speed being the values for biodiesel 49% higher than for diesel. The plume temperature presented a decrease with the increase of air flow speed, temperatures for diesel were about 110% smaller than for biodiesel. The same trend occurred with the measured outer layer temperature that reduced as the pool fire measurement distance increased, with a 20.3% difference between the fuels. The mass burning rate was governed by different mechanisms of heat feedback and buoyancy, which caused different behaviors for diesel and biodiesel, with diesel mass burning rates being higher in general. The experimental data obtained were compared with the results of the numerical analysis performed in the FDS software, and thus the numerical validation was done. The simulated results for tilt angle length, height and temperature of the plume and the outer layer agree well with experimental ones. The flame temperatures show an inverse trend in relation to experimental data. Pollutant dispersion analyzes showed a trend of abrupt reduction of concentration with increasing distance at lower air flow speed and a smoother and steady reduction at higher speeds, yet presenting a large discrepancy in relation to the numerical values for both fuels.

Tendo em vista o aumento considerável da poltúção do ar provocado em grande parte pela industrialização e o aumento da emissão de poluentes resultantes da queima de combustíveis fósseis por veículos automotores, o presente trabalho tem como objetivo melhorar a previsão e o entendimento da dispersão turbulenta atmosférica. Para tanto, apresenta-se, pela primeira vez, uma representação analít ica para a equação de advecção-difusão-reação tridimensional transiente, com perfil de vento e coeficientes de difusão tmbulenta dependentes da altura, que modelam a dispersão de poluentes na atmosfera. A solução da equação é obtida pela combinação do método GILTT ( Generalized Integral Laplace Transform Technique) com o método da Decomposição de Adomian modificado. Consideram-se dois casos para a aplicação do modelo: no primeiro modela-se a dispersão de um poluente secundário formado por uma reação fotoquímica e no segundo caso, utiliza-se o modelo para determinar o campo de concentração de um poluente que sofre perdas e ganhos devido a influência da radiação solar. Para poder realizar essas análises propôs-se uma parametrização para o termo de reação fotoquímica. São apresentados os resultados numéricos e estatísticos, comparandose com os dados da campanha experimental da Usina Termelétrica de Candiota e com os dados de medições realizadas pela Fundação Estadual de Proteção Ambiental Henrique Luiz Roessler (FEPAM). / In view of the considerable increase of air pollution caused largely by industrialization and the increase of emission pollutants resulting from burning of fossil fuels by motor vehicles, the present work aims to improve the prediction and understanding of atmospheric turbu- lent dispersion. Therefore, is presented, for the rst time, an analytical representation to the transient three-dimensional advection-diffusion-reaction equation, with wind pro le and turbulent diffusion coefficients dependent of height, modeling the dispersion of pollutants in the atmosphere. The solution of the equation is obtained by combining of the GILTT method (Generalized Integral Laplace Transform Technique) with the modi ed Adomian Decomposition method. It is considered two cases for the application of the model: in the rst is modeled the dispersion of a secondary pollutant formed by a photochemical reaction, and in the second case the model is used to determine the concentration eld of a pollutant that suffers losses and gains due to the in uence of solar radiation. To realise these analisis a parameterization for the photochemical reaction term is proposed. Numerical and statistical results are presented, comparing with the experimental campaign data of the thermoelectric plant of Candiota and with data from measurements performed by the \Funda c~ao Estadual de Prote c~ao Ambiental Henrique Luiz Roessler" (FEPAM).

RESUMO Neste trabalho, a origem dos Jatos de Baixos Níveis (JBN) noturnos de Iperó (SP) e o seu papel na dispersão de poluentes no Estado de São Paulo são investigados. Para tanto são utilizados os dados coletados nas quatro campanhas de medidas em Iperó. Utilizou-se também um modelo numérico de mesoescala não-hidrostático TVM para simular a estrutura espacial 3-D do JBN em resposta as forçantes topográficas e associadas ocupação da superfície. Os resultados observacionais indicam que o JBN ocorre em Iperó com bastante freqüência nas noites de céu claro, com intensidade variando entre 8 e 10 m/s e localizado em torno de 350 m acima da superfície. Os JBNs em Iperó caracterizam-se por um cisalhamento direcional, com ventos de SE na superfície e de ENE na região de máximo. Ocorrem tanto no inverno como no verão, e afetam o ciclo diurno médio do vento observado nos primeiros 100 metros na região de Iperó. Os JBNs são responsáveis pelo máximo noturno (21:00 HL) existente no ciclo diurno médio do vento na região. Os resultados numéricos indicam que o JBN de Iperó é resultado da ação combinada de quatro fatores: (1) circulação anabática no setor paulista do vale do Rio Paraná; (2) oscilação inercial; (3) circulação catabática noturna e (4) brisa marítima. Estes quatro fatores combinados sustentam um JBN com intensidade de 5 a 10 m/s, localizados a uma altitude de 100 a 400 m acima da superfície, durante maior parte da noite. O JBN simulado numericamente encontra-se localizado no setor oeste da região de convergência da circulação anabática e da brisa marítima. Esta região de convergência em baixos níveis se forma durante o dia na parte mais elevada do Estado de São Paulo que acompanha da linha do litoral (Serra do Mar e da Cantareira). O efeito do JBN sobre o transporte de poluente foi investigado com um modelo Lagrangiano de dispersão de partículas. Verificou-se que o JBN aumenta a dispersão horizontal das partículas, transportando o poluente atmosférico emitido na superfície até 250 km da fonte. / ABSTRACT This work investigates the nocturnal Low-Level Jet (LLJ) in Iperó, Brazil, and its role in the pollutant dispersion on the State of São Paulo (SP). Data of four field campaigns in Iperó-SP was used in this investigation. A mesoscale and non-hydrostatic TVM model is also used to simulate the 3D structure of the LLJ, which is a dynamic response to topography and land use. The observational results indicate that the LLJ is frequently found during clear air nights, with a maximum between 8 and 10 m s–1, located around 350 m above surface. The LLJ in Iperó is characterized by a directional wind shear, with SE winds near surface and ENE near to the maximum. They occur during the winter and summer, and can modify the diurnal cycle of the mean wind in the first 100 m in the Iperó area. The LLJ are responsible by the nocturnal maximum (21:00 LT) in the mean wind in Iperó. The numerical results indicate the Iperó LLJ is a result of four factors: (1) anabatic circulation in São Paulo sector of the Paraná River Basin; (2) inertial oscillation; (3) nocturnal katabatic circulation and (4) sea breeze. These factors, together, sustain a LLJ with jet core intensity between 5 and 10 m/s, located between 100 and 400 m above surface during the major of nighttime period. The simulated LLJ numerically is found in the west sector in the convergence zone of the anabatic and sea breeze circulations. This convergence flow area appears during the daytime above the more elevated areas in the State of São Paulo, i.e., along mountains aligned parallel to coastline (Serra do Mar and Cantareira). The effects of the LLJ in a pollutant transport were investigated using a Lagrangian Particle Dispersion model coupled to the mesoscale model TVM. The results show that the LLJ increases the horizontal dispersion of the particles released near surface in Iperó and is able to transport the pollutant up to 250 km downwind the source.

Esse trabalho descreve a evolução espacial e temporal da dispersão de um poluente inerte e passivo em uma CLP altamente convectiva simulada com um modelo LES. A versão do modelo LES utilizado foi desenvolvida por Moeng (1984) e modificada por Sullivan et al. (1994). A condição de quase-equilíbrio é verificada através da energia cinética turbulenta (ECT) total integrada na CLP. Os perfis verticais dos momentos estatísticos de primeira, segunda e terceira ordem, concordam com os prognósticos da teoria da similaridade da camada de mistura apresentados na literatura. Os termos da equação de ECT estão em balanço e o transporte de ECT devido às flutuações de pressão é um termo fonte na região próxima à superfície. Os espectros espaciais apresentam uma região de subintervalo inercial com inclinação proporcional a k^(-5/3), onde as relações de isotropia são reproduzidas para a componente vertical de velocidade. O valor estimado da constante de Kolmogorov é 0,52. Resultados equivalentes foram obtidos para os espectros temporais de velocidade. Os espectros das componentes de velocidade apresentam uma região de produção bem definida, permitindo estimar as escalas de comprimento dos turbilhões mais energéticos. Nos espectros espaciais, os comprimentos de onda associados aos turbilhões mais energéticos são aproximadamente constantes e iguais a 1,3 zi. Os valores estimados através dos espectros temporais são 1,5 vezes maiores. Esses resultados confirmam as restrições da aplicação da hipótese de Taylor em uma CLP em condições altamente convectivas. No caso de um poluente emitido por uma fonte área contínua localizada próxima à superfície, representativo das emissões de CO na região metropolitana de São Paulo, o grau de limpeza da CLP está relacionado à intensidade dos processos de entranhamento no topo. As abordagens euleriana e lagrangiana para a descrição da dispersão de um poluente emitido por fonte pontual contínua são similares para alturas elevadas e reproduzem o comportamento esperado das plumas em condições convectivas, quando estão associadas ao modelo LES. Essa concordância confirma a hipótese levantada neste trabalho de que o modelo LES pode ser utilizado como uma ferramenta de validação de modelos operacionais de dispersão. / This work describes the spatial and temporal evolution of the dispersion of an inert and passive pollutant in a highly convective planetary boundary layer (PBL) simulated by LES model. The LES model used here was developed by Moeng (1984) and modified by Sullivan et al. (1994). The quasi-stationary state is verified by total turbulent kinetic energy (TKE) integrated in the PBL. The vertical profiles of the first, second and third order statistical moments, agreed with the predictions of the mixed layer similarity theory available in the literature. The TKE equation terms are balance and TKE pressure-transport is a source in the near to the surface. The spatial spectra show a inertial subrange proportional k^(-5/3), were isotropy relations are reproduced for vertical velocity. The Kolmogorov constant estimated is 0,52. The equivalent results are obtained for temporal wind velocity spectra. The wind velocity spectra show very well defined production region, allowing to estimate the spectral peak wavelength and characteristic length. In the spatial spectra cases, the horizontal velocity peak wavelengths are approximately constants and equal to 1.3 zi. The values obtained from temporal spectra are 1.5 larger. The same factor is found for temporal and spatial estimates. These results confirm the restrictions to the Taylor’s hypothesis applications in highly convective PBL. The concentration of pollutant released from a continuous area source located near to the surface, representing CO emissions in São Paulo city, is strongly dependent on the intensity of the entrainment at the top of PBL. The eulerian and lagrangian approaches are equally capable to describe the dispersion of continuous elevated point source located in PBL, reproducing the plume behaviour for convective conditions, when associated to LES model. This agreement indicates that LES model can be used as a tool to validated operational dispersion models.

Tendo em vista o aumento considerável da poltúção do ar provocado em grande parte pela industrialização e o aumento da emissão de poluentes resultantes da queima de combustíveis fósseis por veículos automotores, o presente trabalho tem como objetivo melhorar a previsão e o entendimento da dispersão turbulenta atmosférica. Para tanto, apresenta-se, pela primeira vez, uma representação analít ica para a equação de advecção-difusão-reação tridimensional transiente, com perfil de vento e coeficientes de difusão tmbulenta dependentes da altura, que modelam a dispersão de poluentes na atmosfera. A solução da equação é obtida pela combinação do método GILTT ( Generalized Integral Laplace Transform Technique) com o método da Decomposição de Adomian modificado. Consideram-se dois casos para a aplicação do modelo: no primeiro modela-se a dispersão de um poluente secundário formado por uma reação fotoquímica e no segundo caso, utiliza-se o modelo para determinar o campo de concentração de um poluente que sofre perdas e ganhos devido a influência da radiação solar. Para poder realizar essas análises propôs-se uma parametrização para o termo de reação fotoquímica. São apresentados os resultados numéricos e estatísticos, comparandose com os dados da campanha experimental da Usina Termelétrica de Candiota e com os dados de medições realizadas pela Fundação Estadual de Proteção Ambiental Henrique Luiz Roessler (FEPAM). / In view of the considerable increase of air pollution caused largely by industrialization and the increase of emission pollutants resulting from burning of fossil fuels by motor vehicles, the present work aims to improve the prediction and understanding of atmospheric turbu- lent dispersion. Therefore, is presented, for the rst time, an analytical representation to the transient three-dimensional advection-diffusion-reaction equation, with wind pro le and turbulent diffusion coefficients dependent of height, modeling the dispersion of pollutants in the atmosphere. The solution of the equation is obtained by combining of the GILTT method (Generalized Integral Laplace Transform Technique) with the modi ed Adomian Decomposition method. It is considered two cases for the application of the model: in the rst is modeled the dispersion of a secondary pollutant formed by a photochemical reaction, and in the second case the model is used to determine the concentration eld of a pollutant that suffers losses and gains due to the in uence of solar radiation. To realise these analisis a parameterization for the photochemical reaction term is proposed. Numerical and statistical results are presented, comparing with the experimental campaign data of the thermoelectric plant of Candiota and with data from measurements performed by the \Funda c~ao Estadual de Prote c~ao Ambiental Henrique Luiz Roessler" (FEPAM).

Submitted by Kilvya Braga (kilvyabraga@hotmail.com) on 2018-04-17T14:46:07Z No. of bitstreams: 1 ANTÔNIO JOSÉ FERREIRA GADELHA - TESE (PPGEQ) 2016.pdf: 6375453 bytes, checksum: 865ce4649601ce36b03d6876719da6d9 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-17T14:46:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ANTÔNIO JOSÉ FERREIRA GADELHA - TESE (PPGEQ) 2016.pdf: 6375453 bytes, checksum: 865ce4649601ce36b03d6876719da6d9 (MD5) Previous issue date: 2016-02 / Capes / A crescente demanda mundial por energia tem levado pesquisadores a buscar o aprimoramento de tecnologias com o objetivo de maximizar a geração de energia nas suas diferentes formas. Entre os diferentes métodos de produção encontra-se a energia produzida através de usinas termelétricas, que corresponde a mais 60% da energia produzida no mundo. Entre os principais problemas causados pela produção de energia em termelétricas está a emissão de poluentes gasosos para a atmosfera. O efluente gasoso emitido através da chaminé de uma termelétrica consiste basicamente de dióxido de carbono (CO2), dióxido de enxofre (SO2), óxidos nitrogenados (NOx), entre outros, que provocam problemas ambientais e de saúde. Neste sentido, o presente trabalho teve como objetivo avaliar a fluidodinâmica da dispersão de poluentes emitidos a partir da chaminé de uma termelétrica através de simulações numéricas utilizando CFD (Ansys CFX 15.0). Como modelo de turbulência utilizou-se o k   padrão. Com base nas simulações do planejamento experimental verificou-se que a variável mais significativa no processo foi a taxa de emissão do poluente seguida pela velocidade do vento. A partir dos resultados obtidos verificou-se que a altura da fonte de emissão apresenta uma influência determinante sobre a dispersão; que a variação lateral da intensidade da velocidade do vento e a variação da frequência com que o vento muda de direção são fatores decisivos na dispersão de espécies gasosas na atmosfera; e que a dispersão ocorre com maior intensidade sob condições atmosféricas instáveis, sob um ângulo de 30° e uma frequência de mudança de direção de 5 minutos. / The growing worldwide demand for energy has led researchers to pursue enhancement technologies in order to maximize the generation of electricity in its different forms. Among the different methods of production is the energy produced by thermal power plants, which accounts for over 60% of the energy produced in the world. It is an energy generated from the combustion of fuels such as coal, diesel oil, natural gas, etc. Among the main problems caused by power generation in thermal power plants is the emission of gaseous pollutants into the air. The off-gas emitted from the flue of a fuel consists mainly of carbon dioxide (CO2), sulfur dioxide (SO2), nitrogen oxides (NOx), among others, causing environmental and health problems. In this sense, this study aims to evaluate the fluid dispersion of pollutants emitted from the chimney of a thermal power plant through numerical simulations using CFD (ANSYS CFX 15.0). As turbulence model was used k   standard. Based on the experimental design simulations it was found that the most significant variable in the process was the pollutant emission rate followed by wind speed. From the results obtained it was found that the height of the emission source has a decisive influence on the dispersion; that the lateral variation of wind speed intensity and variation of the frequency with which the wind changes direction are decisive factors in the dispersion of gaseous species in the atmosphere; and that dispersion occurs more intensively under instable atmospheric conditions, at an angle of 30 ° and a frequency change of direction of 5 minutes.

Tendo em vista o aumento considerável da poltúção do ar provocado em grande parte pela industrialização e o aumento da emissão de poluentes resultantes da queima de combustíveis fósseis por veículos automotores, o presente trabalho tem como objetivo melhorar a previsão e o entendimento da dispersão turbulenta atmosférica. Para tanto, apresenta-se, pela primeira vez, uma representação analít ica para a equação de advecção-difusão-reação tridimensional transiente, com perfil de vento e coeficientes de difusão tmbulenta dependentes da altura, que modelam a dispersão de poluentes na atmosfera. A solução da equação é obtida pela combinação do método GILTT ( Generalized Integral Laplace Transform Technique) com o método da Decomposição de Adomian modificado. Consideram-se dois casos para a aplicação do modelo: no primeiro modela-se a dispersão de um poluente secundário formado por uma reação fotoquímica e no segundo caso, utiliza-se o modelo para determinar o campo de concentração de um poluente que sofre perdas e ganhos devido a influência da radiação solar. Para poder realizar essas análises propôs-se uma parametrização para o termo de reação fotoquímica. São apresentados os resultados numéricos e estatísticos, comparandose com os dados da campanha experimental da Usina Termelétrica de Candiota e com os dados de medições realizadas pela Fundação Estadual de Proteção Ambiental Henrique Luiz Roessler (FEPAM). / In view of the considerable increase of air pollution caused largely by industrialization and the increase of emission pollutants resulting from burning of fossil fuels by motor vehicles, the present work aims to improve the prediction and understanding of atmospheric turbu- lent dispersion. Therefore, is presented, for the rst time, an analytical representation to the transient three-dimensional advection-diffusion-reaction equation, with wind pro le and turbulent diffusion coefficients dependent of height, modeling the dispersion of pollutants in the atmosphere. The solution of the equation is obtained by combining of the GILTT method (Generalized Integral Laplace Transform Technique) with the modi ed Adomian Decomposition method. It is considered two cases for the application of the model: in the rst is modeled the dispersion of a secondary pollutant formed by a photochemical reaction, and in the second case the model is used to determine the concentration eld of a pollutant that suffers losses and gains due to the in uence of solar radiation. To realise these analisis a parameterization for the photochemical reaction term is proposed. Numerical and statistical results are presented, comparing with the experimental campaign data of the thermoelectric plant of Candiota and with data from measurements performed by the \Funda c~ao Estadual de Prote c~ao Ambiental Henrique Luiz Roessler" (FEPAM).

FundaÃÃo de Amparo à Pesquisa do Estado do Cearà / O presente trabalho apresenta um estudo de resistÃncia à injeÃÃo de carga orgÃnica na zona estuarina de um importante manancial da RegiÃo Metropolitana de Fortaleza, no caso o Rio CocÃ. Para tanto, foi desenvolvido um programa em C++, com a finalidade de simular o escoamento e a dispersÃo de poluentes em um trecho especÃfico do rio, que recebe influÃncia direta da marÃ. Para a simulaÃÃo do escoamento, foi utilizada uma forma das equaÃÃes de Saint Vennant, com as condiÃÃes de contorno apropriadas. Na resoluÃÃo numÃrica foi aplicado um esquema explÃcito de diferenÃas finitas, no caso o de McCormack. Uma vez calculados os perfis temporais do escoamento, a equaÃÃo de AdvecÃÃo-DispersÃo (A-D) foi utilizada, usando um fator de decaimento de 1 ordem, para simular o transporte de massa de DBO (Demanda BioquÃmica de OxigÃnio). O programa desenvolvido aplicou um mÃtodo pseudoespectral com passo de tempo explÃcito. Para a soluÃÃo dos sistemas gerados foi utilizado o algoritmo de Gauss sem condensaÃÃo pivotal. Os resultados encontrados para o escoamento atestam o perfeito ajuste do esquema de McCormack a situaÃÃes de estuÃrio, onde o movimento de marà faz com que o fluxo esteja uma hora em um sentido e em outra hora no sentido oposto. Jà os resultados de A-D demonstraram a sensibilidade dos mÃtodos espectrais Ãs condiÃÃes de contorno impostas. Ao se resolver a equaÃÃo para o trecho em estudo do Rio CocÃ, houve acÃmulo de massa no estuÃrio, indicando que alguma condiÃÃo de contorno de escoamento nÃo era condizente com a realidade. Aplicando-se a resoluÃÃo para um estuÃrio hipotÃtico, dez vezes maior que o considerado, o acÃmulo de massa desapareceu, e resultados ficaram de acordo com a fÃsica do problema. Este fato ratificou a hipÃtese que a condiÃÃo de contorno da interface com o rio (aproximadamente no KM 20) nÃo poderia ser estacionÃria, resultado que està de acordo com o encontrado por Villela (1988). / The present work represents a study of the resistance of the estuarine zone of the Cocà river in Fortaleza, Cearà - Brazil, to the injection of organic pollutant. In order to accomplish this goal a mathematical model was developed and a C++ code was written to solve the model equations. The flow and pollutant dispersion were simulated for a particular section of the Cocà River under tidal influence. The Saint-Vennant equations were solved using boundary conditions appropriated to that situation. The McCormackâs explicit approach was applied to implement a numerical solution of the equations. The mass transport was simulated by an Advection-Dispersion equation using a first order decay. A pseudo-spectral method with explicit time step was applied and the solution of the system of equations was performed by Gauss algorithm without pivot condensation. The results of the McCormackâs approach were reliable to estimate estuary conditions where the flow was influenced by the tidal movement. The results of Advection â Dispersion (A-D) equations have shown that spectral methods were sensible to the boundary conditions of the problem. On the other hands, the results of A-D equations presented a mass retention in the estuarine zone. That fact lets one to believe that the defined boundary conditions to the problem were not appropriated to that situation. Thus, another boundary conditions were defined by using a hypothetical new estuarine zone ten times bigger than the Cocà River estuarine zone. As a result of that change, the mass retention cease to exist, and the problem became physically correct. The Villelaâs (1988) hypothesis on nonstationary behavior of the estuarine zone â Cocà River interface was confirmed.