Este trabalho representa o início de uma série de pesquisas que visam o estudo da turbulência e de sua relação com processos de mistura e trocas gasosas entre ar e água, através de experimentos com grades oscilantes. Seu objetivo foi o projeto e a construção de um tanque de grade oscilante, equipamento que gera turbulência com intensidade controlável. Após a construção do tanque, experimentos para medições de velocidade turbulenta foram feitos, com uso de uma técnica de velocimetria a laser. Uma grade de 9x9 barras foi usada na agitação do fluido, com uma amplitude de oscilação de 3 cm, para 4 diferentes freqüências de oscilação. Adquiriu-se 9600 imagens do movimento do fluido, em 6 regiões do tanque, para a obtenção dos campos de velocidade turbulenta, calculados através do software Visiflow e de um programa computacional desenvolvido neste trabalho. Os gráficos criados a partir dos campos possibilitaram a observação do decaimento espacial da turbulência e da região de sua produção. Os campos médios de velocidade mostraram-se bem inferiores aos campos instantâneos, indicando a existência de baixo escoamento médio do fluido. As condições de isotropia e a homogeneidade espacial da turbulência são mais aproximadas à medida que se afasta da grade. A intensidade turbulenta produzida é diretamente relacionada com a freqüência de oscilação. O número de imagens para a obtenção de uma média representativa da velocidade turbulenta neste equipamento parece ser dependente da freqüência de oscilação da grade. Isto aponta para a necessidade de estabelecer corretamente as condições para os cálculos estatísticos em escoamentos turbulentos / This work presents the project and construction of a tank with an oscillating grid, equipment which provides for the experimental studies of turbulence and its relation to mixing processes and gas transfer across fluid interface. Experiments were carried out with the use of digital particle image velocimetry technique, to investigate the properties of the produced turbulence. A grid made of 9x9 square bars was used to stir the water, with a stroke of 3 cm and 4 different oscillation frequencies. A number of 9600 images were acquired, in 6 regions of the tank, for the generation of the turbulent velocity fields through the software Visiflow and a computational program developed in this work. The results showed that the current equipment, with a new concept for the grid oscillation system, can be conveniently useful for studies in this research field. Average velocity fields appeared to be considerably smaller than the instantaneous velocity fields, which leads to the existence of nearly-stationary turbulence in the water volume. Nearly-isotropic turbulence and spatial homogeneity were approximate as the measurements distanced from the grid. The turbulent intensity was directly dependent on the oscillation frequency. The spatial decay of the turbulence and the region near the grid where it is produced could also be observed. The number of images necessary for the calculus of reliable root-mean-square turbulent velocities seems to be dependent on the oscillation frequency of the grid. It results in the necessity of establishing correct statistical analysis of turbulent flows

Em virtude da sua facilidade de operação e elevada eficiência, sedimentadores são bastante utilizados pelas indústrias na separação de componentes com diferentes densidades. Porém o desempenho do tanque sedimentador depende do campo de fluxo dentro do equipamento que, por sua vez, é influenciado pelas características dos sólidos em suspensão, da geometria e dimensões do tanque separador. As características hidrodinâmicas em um sedimentador circular vertical foram investigadas no presente trabalho, tanto por abordagens experimentais como numéricas. As experiências foram realizadas por velocimetria de imagem de partículas em um protótipo de sedimentador, construído em acrílico cristal transparente. As simulações foram realizadas, utilizando o pacote ANSYS CFX na versão 16.0, considerando escoamento 3D, turbulento, isotérmico e em regime permanente. O modelo em fluidodinâmica computacional foi criado em forma progressiva. Inicialmente, foram testados modelos para o sistema monofásico (água) e verificados através da comparação aos dados experimentais. Seis modelos de turbulência do tipo RANS foram analisados: epsilon, Renormalization Group (RNG) k-epsilon, k-omega, Shear Stress Transport (SST) e os de tensão de Reynolds (BSL RSM e SSG RSM). Para o estudo bifásico, empregou-se o modelo multifásico Euler-Euler, juntamente com o modelo de partícula e o de Gidaspow. Nesta situação, diversas configurações de condições de contorno e modificações no projeto do tanque original foram analisadas por meio de campo vetorial, linhas de fluxo, planos de concentração volumétrica e de energia cinética turbulenta. Os resultados mostraram que o modelo de turbulência BSL RSM foi o mais adequado para descrever o escoamento no sedimentador contínuo, sendo capaz de prever as recirculações e as variações de velocidade ao longo do equipamento. As zonas de recirculações (posição e intensidade) mostraram-se influenciadas pelas condições de contorno e forma geométrica do tanque de separação. Foi verificado que o aumento do diâmetro do tanque sedimentador (em 40,0%) provocou um favorecimento na separação água e sólido, elevando a eficiência em 17,3%, enquanto o aumento da altura (em 40,0%) do tanque reduziu a eficiência de separação em 27,5% em comparação ao projeto original. / Due to their operation facility and high efficiency, settlers are widely used by industries for separating components of different densities. The performance of sedimentation, however, depends on the flow field is inside the equipment, which in turn is influenced by the characteristics of the solids in suspension and by the geometry and size of the separation tank. The hydrodynamic characteristics of a vertical circular settler were investigated in the present work by means of both experimental and numeric approaches. The experimental analyses were carried out by particle image velocimetry in a settler prototype built in transparent crystal acrylic. The simulations were carried out using the software ANSYS CFX version 16.0, considering a 3-D, turbulent, isothermal and steady-state flow. The computational fluid dynamics model was used in the progressive approach. The models were initially tested for the one-phase process (water) and checked against the experimental data. Six RANS turbulence models were analyzed: k-epsilon, Renormalization Group (RNG) k- epsilon, k-omega, Shear Stress Transport (SST) and Reynolds Stress models (BSL RSM and SSG RSM). For the two-phase flow, the Euler-Euler multiphase model was used together with the particle model and the Gidaspow model. In this context, several configurations of boundary conditions and modifications in the original tank design were analyzed using vector field, flow lines, volumetric concentration and turbulent kinetic energy. The results showed that the BSL RSM turbulence model was more appropriate to explain the flow in the continuous settler, being able to predict the recirculations and velocity variations along the equipment. The recirculation zones (position and magnitude) were influenced by the boundary conditions and by the geometric shape of the separation tank. It was found that an increase in the diameter of the settler tank (in 40.0%) favored the water and solid separation, increasing its efficiency by 17.3%, while an increase in the height of the tank (in 40.0%) reduced the efficiency of separation by 27.5% when compared to the original design.

Campos magnéticos de intensidade $\\sim \\mu$G são observados tanto em nossa galáxia, quanto em galáxias com alto desvio para o vermelho (\\emph{z}), onde o dínamo $\\alpha-\\Omega$ não deveria ter tempo para produzi-lo. Por conseguinte, uma origem primordial é indicada. Foi proposto que os campos primordiais surgiram em várias eras: durante a inflação, na transição de fase eletrofraca, na transição de fase quark hádron (TFQH), durante a formação dos primeiros objetos e durante a reionização. Nós sugerimos aqui, que estes campos magnéticos observados em galáxias através de medidas de rotação Faraday, têm sua origem em flutuações eletromagnéticas que naturalmente ocorreram no plasma quente e denso, existente logo após a TFQH. Nós evoluímos os campos previstos por nosso modelo até a época atual. O tamanho da região de coerência do campo magnético aumenta devido à fusão de regiões menores. Campos magnéticos de $\\sim 10 \\mu$G sobre regiões comóveis de $\\sim 1$ pc foram encontrados para \\emph{z} $\\sim 10$. Investigamos a amplificação destes campos sementes pelo dínamo turbulento em protogaláxias. A taxa de amplificação devido à um vórtice turbulento de raio $L$ com velocidade circular $V$ é da ordem de $V/L$. Enquanto o modelo padrão de dínamo tem um tempo de amplificação para um disco galáctico típico de $\\sim 10^{9}$ anos, o dínamo turbulento de pequena escala tem uma taxa de amplificação de $\\sim 10^{7}$ anos. Usamos as equações não-lineares para evolução da correlação magnética de forma a avaliar a evolução da amplificação destes campos na protogaláxia. Vários autores sugeriram uma origem gravitacional para os campos magnéticos em objetos celestes em rotação. Isto foi motivado em parte pela conjectura Schuster-Blackett (S-B), onde se propõe que os campos magnéticos em planetas e estrelas surgem devido à sua rotação. Neste cenário, correntes de massa neutra geram campos magnéticos, implicando na existência de um acoplamento entre os campos gravitacional e magnético. Nós também investigamos a possibilidade da conjectura S-B ser a origem dos intensos campos magnéticos em magnetares e \\emph{gamma ray bursts}. Além disso, estudamos a influência da pressões não térmicas, na determinação da massa de aglomerados de galáxias, usando dados públicos do XMM-Newton para 5 aglomerados de Abell. A pressão não térmica considerada aqui, é composta pelas componentes magnética e turbulenta. Nós consideramos estas duas componentes na equação do equilíbrio hidrostático e comparamos as estimativas de massa total, com os valores obtidos sem estas componentes. / Magnetic fields of intensities $\\sim \\mu$G are observed both in our galaxy and in high redshift (\\emph{z}) galaxies, where a mean field dynamo would not had time to produce them. Therefore, a primordial origin is indicated. It has been suggested that magnetic fields were created at various primordial eras: during inflation, the electroweak phase transition, the quark-hadron phase transition (QHPT), during the formation of the first objects, and during reionization. We suggest here that the magnetic fields observed in galaxies by Faraday Rotation Measurements (FRMs), have their origin in the electromagnetic fluctuations that naturally occurred in the dense hot plasma that existed just after the QHPT. We evolve the predicted fields to the present time. The size of the region containing a coherent magnetic field increased due to the fusion of smaller regions. Magnetic fields (MFs) $\\sim 10 \\mu$G over a comoving $\\sim 1$ pc region are predicted at redshift \\emph{z} $\\sim 10$. The amplification of these seed fields by the turbulent dynamo in a protogalaxy is here investigated. The e-fold amplification time by a turbulent eddy of radius $L$ with a circular velocity $V$ is on the order of $L/V$. Whereas the standard dynamo for a typical disk galaxy has an e-fold amplification time $\\sim 10^{9}$ years, the small scale turbulent dynamo has an e-fold time $\\sim 10^{7}$ years. We use the non-linear evolution equations for the magnetic correlations in order to analyze the amplifications of these fields in protogalaxies. Various authors have suggested a gravitational origin of the magnetic fields in rotating celestial bodies. It has been motivated, in part, by the Schuster-Blackett (S-B) conjecture, which suggests that the magnetic fields in planets and stars arise due to their rotation. In this scenario, neutral mass currents generate magnetic fields, implying the existence of a coupling between gravitational and electromagnetic fields. In this work, we investigate the possibility that the S-B conjecture is the origin of the intense magnetic fields near rotating compact objects, in particular connected with magnetars and gamma ray bursts. We also studied the influence of non-thermal pressure on the cluster mass determination using public XMM-Newton archival data for 5 Abell clusters. The non-thermal pressure considered here, is composed of the magnetic and the turbulent components. We also take into account these two non-thermal components in the hydrostatic equilibrium equation, and we compare the total mass estimated with the values obtained without assuming them.

Neste projeto de doutorado estudamos dois aspectos em condensados de Bose-Einstein de gases alcalinos diluídos: (i) a expansão auto-similar de um superfluido turbulento, e (ii) a física dos pólarons no contexto de misturas de superfluidos e redes de vórtices. Ambas as análises estão relacionadas com nossas tendências experimentais em átomos frios. Na primeira etapa generalizamos as equações hidrodinâmicas dos superfluidos para descrever a expansão anômala de uma nuvem condensada turbulenta. A física por detrás dessa assinatura característica da natureza turbulenta da nuvem pôde ser compreendida através das equações derivadas em nosso modelo, que considerou a energia cinética advinda de uma configuração de vórtices enovelados. Na segunda parte do trabalho abordamos a física do pólaron, analisando as propriedades de uma impureza neutra acoplada com os modos Tkachenkos de um condensado de Bose-Einstein contendo uma rede de vórtices. Através da função espectral da impureza, pudemos acompanhar a evolução das propriedades de quase-partícula em função da magnitude do parâmetro de interação, à medida que caminhávamos em direção ao regime de baixas energias do sistema. A função espectral apresentou inicialmente um alargamento do seu perfil Lorentziano para baixos valores dos momentos da impureza e das excitações, mesmo a temperatura zero. Ao atingir a proximidade de um ponto fixo de baixas energias, porém, o espectro passa a adquirir um perfil de decaimento com lei de potência. Trata-se de uma assinatura do fenômeno da catástrofe de ortogonalidade, com a quebra da natureza de quase-particula do sistema. Aplicamos uma transformação canônica com operadores unitários e técnicas de grupo de renormalização para avaliar o fluxo das constantes da teoria à medida que diminuíamos as escalas de energia características do nosso sistema. Na etapa final apresentamos alguns resultados preliminares sobre o sistema de duas espécies de condensado sobrepostas, uma delas contendo a rede de vórtices. Por meio de uma analogia com superfluidos em redes ópticas, mapeamos nosso Hamiltoniano em um modelo Bose-Hubbard e variamos o comprimento de espalhamento atômico das espécies envolvidas para induzir a transição de fase quântica naquela aprisionada na rede. Mostramos que essa nossa nova configuração quântica de rede permite investigações que vão além daquelas estudadas com redes ópticas estáticas. / In this thesis we studied two aspects of Bose-Einstein condensation in dilute gases: (i) the self-similar expansion of a turbulent superfluidity, and (ii) the polaron physics in the context of the superfluid mixtures and vortex lattices. Both analyses are closely related to our experimental trends. Concerning the first subject, we generalized the superfluid hydrodynamic equations to describe the anomalous expansion of a turbulent condensate cloud. The physics behind this characteristic signature of the turbulence could be clarified through the expressions derived in our model, that considered the kinetic energy associated with a tangled vortex configuration. As for the second item, we present the polaron physics of a neutral impurity coupled with the Tkachenko modes of a vortex lattice Bose-Einstein condensate. Through the impurity spectral function, we tracked how the quasiparticle properties varied as a function of the interaction strength toward the lower energy regimes. The spectral function exhibits a Lorentzian broadening for small wave vectors, even at zero temperature, until it starts to reach the low energy fixed point, where it acquires a power law decay. That is the signature of orthogonality catastrophe phenomena, with the breakdown of the quasiparticle picture. We applied canonical unitary transform and renormalization group equations to evaluate the flow of the theory parameters as we go further down in the characteristic energy scales. Finally, we provide preliminary results on the calculation of a system composed of two condensate species, one immersed in a second containing an array of vortices. Making an analogy with superfluids in an optical lattice, we map our Hamiltonian onto a Bose-Hubbard type model and tune the atomic scattering length of the two species to induce a quantum phase transition in the confined cloud. This is a new quantum system which allows investigation beyond the present studies with static optical lattices.

From almost one century, Bose-Einstein condensation has become progressively more important especially due to its connection with superfluidity, superconductivity and manybody physics. Nowadays quantum gases are powerful experimental tools to discover new physics and to emulate systems in condensed matter due to their versatility and very high control. Despite the increasing use of quantum gases as platforms for studying many problems in physics, their comprehension is very limited if we consider systems that are out-of-equilibrium due to the lack of experimental controllability of all the parameters involved in these systems. Another limitation in the understanding of this kind of systems comes from the limitation of the theoretical frameworks used to understand non-equilibrium dynamics, although many efforts have been made in this direction. Hence, many interesting phenomena in non-equilibrium quantum systems have not yet been discovered or well understood from a theoretical and experimental point of view, and thus its physics have not been the focus of much attention, although this situation has recently changed due to the rapid development of experimental techniques which enables a better control of parameters of these systems. Motivated by this progress, we study non-equilibrium Bose gases in the search of turbulence using an oscillatory excitation performed in a Bose-Einstein condensate of 87Rb atoms. In this thesis, we describe these experiments and characterize our non-equilibrium quantum system through some quantifiers. One of these quantifiers is a dimensionless value that represent the exponent γ obtained from the cascade of the transverse momentum distribution ñ(k). ñ(k) is obtained from absorption images of atoms in expansion using the time-of-flight technique in a well defined range of momenta. We analyze the dependence of γ with the amount of the pumped energy, and we found a steady-value which describe a well-established non-equilibrium regime. Also, it is analyzed the viability of using the fluctuations statistics in order to extract some quantifier from the power-spectrum of the fluctuations assuming that it represents an analog to the energy spectrum, due to the consideration of the time-of-flight technique. From the powerspectrum it is extracted an exponent, in the same range as for ñ(k), and compared with γ 2, that will be the exponent for the pseudo-energy spectrum in the kinetic dominated regime. Finally, we consider, again with the time-of-flight technique, the continuous Shannon entropy as quantifier that measure the disorder of the excited clouds and study their dependence with the pumped energy. These studies show us that there is an out-ofequilibrium regime that takes place when we inject a fixed quantity of energy into the system. / Desde há quase um século a condensação de Bose-Einstein vem se tornando cada vez mais importante, especialmente devido à sua forte conexão com superfluidez, supercondutividade e física de muitos corpos. Hoje em dia, os gases quânticos são poderosas ferramentas experimentais para descobrir-se nova física e para emular sistemas em matéria condensada devido à sua grande versatilidade e altíssimo controle. Apesar do uso crescente de gases quânticos como plataformas para se estudar diversos problemas na física, sua compreensão é muito limitada se considerarmos sistemas que estão fora de equilíbrio, devido à falta de controle experimental de todos os parâmetros envolvidos deste tipo de situações. Outra limitação na compreensão deste tipo de sistemas vem da limitação das abordagens teóricas usadas para entender a dinâmica em regimes de não equilíbrio, embora muitos esforços tem sido feitos nessa direção. Assim, muitos fenômenos interessantes em sistemas quânticos fora do equilíbrio ainda não foram descobertos ou bem compreendidos do ponto de vista teórico e experimental, e portanto, sua física não tem sido foco de muita atenção, embora esta situação tenha mudado recentemente devido ao rápido desenvolvimento de técnicas experimentais que permitem um melhor controle dos parâmetros destes sistemas. Motivados por estes progressos, estudamos aqui gases de Bose fora do equilíbrio, na busca de turbulência, através de excitações oscilatórias em um condensado de Bose-Einstein de átomos de 87Rb. Nesta tese, descrevemos estes experimentos e caracterizamos o nosso sistema quântico fora do equilíbrio através de alguns quantificadores. Um desses quantificadores é o valor adimensional que representa o expoente γ obtido da de cascata na distribuição de momento transversal ñ(k). ñ(k) é obtido da imagem de absorção da nuvem atômica em expansão usando a técnica de tempo de voo em um intervalo de momento bem definido. É analisada a dependência de γ com energia bombeada e encontramos um valor constante o qual descreve um regime de não equilíbrio bem estabelecido. Analisamos também a viabilidade do uso da estatística das flutuações para extrair algum quantificador do espectro de potências das flutuações, supondo que ele representa um análogo ao espectro de energia, devido à consideração da técnica de tempo de voo. Do espectro de potências é extraído outro expoente, no mesmo intervalo que para ñ(k), e este é comparado com γ 2, que por sua vez, pode ser considerado como o expoente do espectro de pseudo-energia no regime cinético dominado. Finalmente, consideramos, novamente com a técnica do tempo de voo, a entropia continua de Shannon como quantificador que mede a desordem das nuvens excitadas e estuda sua dependência com a energia bombeada. Estes estudos mostram que há um regime do fora de equilíbrio bem definido que acontece quando injetamos uma quantidade fixa de energia no sistema.

The Planetary Boundary Layer (PBL) is a relevant part of the atmosphere with a variable extension that clearly plays an important role in fields like air quality or weather forecasting. Passive and active remote sensing systems have been widely applied to analyze PBL characteristics. The combination of different remote sensing techniques allows obtaining a complete picture on the PBL dynamic. In this study, we analyze the PBL behavior using four types of remote sensing systems: Microwave Radiometer (MWR), Elastic Lidar (EL), Doppler Lidar (DL) and Ceilometer data. The measurements were performed in two cities Granada (Spain) and São Paulo (Brazil). Firstly, at Granada, the PBL height (PBLH) obtained from MWR data is validated against PBLH provided by analyzing co-located radiosondes, showing a good agreement. In a second stage, active remote sensing systems were used for deriving the PBLH. Thus, Extended Kalman filter is applied to EL data while the vertical wind speed variance method was applied to the DL. The derived PBLH\'s by these approaches are compared to PBLH retrieved by the MWR. The results show a good agreement among the retrievals based on active remote sensing in most of the cases, although some discrepancies appear in instances of intense PBL changes (either growth and/or decrease). Then it is performed the analysis of four and five-year dataset of measurements gathered with a ceilometer and a microwave radiometer, respectively, at Granada. The methodologies applied for the PBLH detection (gradient method for ceilometer and the combination of parcel method and temperature gradient method for microwave radiometer) provided a satisfactory description of the PBL structure in simple cases. In addition, the PBL behavior is characterized by a statistical study of the convective and stable PBLH obtained from microwave radiometer measurements. The analysis of the PBLH statistical study shows some coincidence with other PBLH studies such as daily pattern, and year cycles but also some differences caused by distinct latitudes, topography and climate were found. It was performed as well a combined long-term analysis of Ceilometer retrieved Residual Layer and the Stable and Convective Layer heights determined by microwave radiometer, thus offering a complete picture of the PBL evolution by synergetic combination of remote sensing techniques. This is the reason why systems with high temporal and spatial resolution, like lidars, have been increasingly applied in studies about this atmospheric region. In this work, also was performed, at São Paulo, an analysis on lidar backscattered signal at three wavelengths (355, 532 and 1064 nm) retrieving the turbulence by the analyses of the high-order moments (variance, skewness and kurtosis) in the backscattered signal. The wavelength of 355 nm has low applicability in the proposed methodology, due to its low intensity (due to predominance of molecular backscattering) and large presence of noise, while the 532 nm wavelength showed results similar to those provided by the wavelength of 1064 nm, which was used as reference. Then, it was analyzed two case studies using the wavelengths of 532 and 1064 nm (in separately). This approach provided information about PBL height, (derived by the variance method (Menut et al., 1999), displacement of aerosol layers (skewness) and level of mixing at several heights (kurtosis). These results show the viability of the proposed methodology when the wavelengths of 532 and 1064 nm are used for the PBL description by high-order moments of the backscattered distribution. Furthermore, it is demonstrated how some variables (air temperature, aerosol concentration, vertical wind, relative humidity and net radiation) can influence the PBL dynamic with data from DL, EL and MWR at Granada. The high-order moments of the vertical velocity high frequency distributions derived from DL, and EL range corrected signal, were corrected by two methodologies (first lag and -2/3 correction). The corrected profiles present small differences when compare against the uncorrected profiles, showing low influence of noise and the viability of the proposed methodology. A detailed 2-case studies analysis was carried on, the first case corresponding to a well-defined PBL while the second one corresponds to a situation with presence of an aloft Saharan dust layer and clouds. In both cases the results provided by the different instruments ended up complementing one another, so that the synergistic use of the different systems allowed us a detailed monitoring of the PBL. / A Camada Limite Planetária (PBL - Planetary Boundary Layer) é uma parte relevante da atmosfera com uma extensão variável e que claramente desempenha um papel importante em áreas de estudo, como: a qualidade do ar ou a previsão do tempo. Sistemas de sensoriamento remoto passivo e ativo têm sido amplamente utilizado para analisar as características da PBL. A combinação de diferentes técnicas de sensoriamento remoto permite obter uma imagem completa da dinâmica desta camada. Neste estudo, analisamos o comportamento da PBL utilizando quatro tipos de sistemas de sensoriamento remoto: Radiômetro de Micro-ondas (MWR), Lidar Elástico (EL), Lidar Doppler (DL) e Ceilômetro. As medições foram realizadas em duas cidades, Granada (Espanha) e São Paulo (Brasil). Primeiramente, em Granada, a altura da PBL (PBLH) obtida a partir dos dados do MWR foi validada pela PBLH gerada pela análise dos dados de radiossondas, mostrando uma boa concordância. Em um segundo estágio, sistemas ativos de sensoriamento remoto foram usados para a obtenção da PBLH. Assim, o método do filtro de Kalman foi aplicado aos dados do EL enquanto o método da variância da velocidade vertical do vento foi aplicado aos dados do DL. As PBLH derivadas dessas abordagens foram comparadas com o PBLH fornecida pelo MWR, sendo que os resultados mostram uma boa concordância na maioria dos casos, embora algumas discrepâncias apareçam nas situações de mudanças intensas da PBL (crescimento e/ou diminuição). Em seguida, é realizada a análise dos dados das medidas coletadas com um ceilômetro e um radiômetro de micro-ondas durante quatro e cinco anos, respectivamente, em Granada. As metodologias aplicadas para a detecção da PBLH (método de gradiente para o ceilômetro e a combinação do método de parcela e do método de gradiente de temperatura para o radiômetro de micro-ondas) forneceram uma descrição satisfatória da estrutura da PBL em casos simples. Além disso, o comportamento da PBL foi caracterizado por um estudo estatístico das PBLH convectiva e estável, as quais foram obtidas a partir das medidas do radiômetro de micro-ondas. A análise do estudo estatístico realizado para a PBLH mostra algumas coincidências com outros estudos já realizados para a mesma variável, como o padrão diário e os ciclos anuais. Mas também há algumas diferenças, as quais são causadas por latitudes, topografia e clima distintos. Foi realizada também uma análise combinada de longo prazo da Camada Residual (gerada pelos dados do Ceilômetro) e da Camada Estável e Convectiva (obtida pelos dados do radiômetro de micro-ondas), oferecendo assim um quadro completo da evolução da PBL por combinação sinérgica de técnicas de sensoriamento remoto. Essa é a razão pela qual sistemas com alta resolução temporal e espacial, como os lidars, têm sido cada vez mais aplicados em estudos sobre essa região atmosférica. Neste trabalho, também foi realizada, em São Paulo, uma análise do sinal retroespalhado em três comprimentos de onda (355, 532 e 1064 nm), o qual provê informações da turbulência através da análise dos momentos de alta ordem (variância, assimetria e curtose). O comprimento de onda de 355 nm apresenta pouca aplicabilidade na metodologia proposta, devido à sua baixa intensidade (por conta da predominância do retroespalhamento molecular) e grande presença de ruído, enquanto o comprimento de onda de 532 nm apresentou resultados semelhantes aos fornecidos pelo comprimento de onda de 1064 nm, o qual foi usado como referência. Em seguida, foram analisados dois estudos de caso utilizando os comprimentos de onda de 532 e 1064 nm (em separado). Essa abordagem forneceu informações sobre a altura da PBL (derivada pelo método de variância (Menut et al., 1999), deslocamento de camadas de aerossol (assimetria) e nível de mistura em várias alturas (curtose), mostrando a viabilidade da metodologia proposta, quando os comprimentos de onda de 532 e 1064 nm são usados para a descrição da PBL a partir dos momentos de alta ordem. Além disso, demonstrou-se, com dados de DL, EL e MWR obtidos em Granada, como algumas variáveis (temperatura do ar, concentração de aerossóis, vento vertical, umidade relativa e radiação líquida) podem influenciar a dinâmica da PBL. Os momentos de alta ordem das distribuições de velocidade vertical derivadas dos dados do DL e o sinal retroespalhado obtido a partir do EL foram corrigidos por duas metodologias (first lag e correção de -2/3). Os perfis corrigidos apresentam pequenas diferenças quando comparados com os perfis não corrigidos, mostrando baixa influência do ruído e a viabilidade da metodologia proposta. Foi realizada uma análise detalhada de dois estudos de casos, o primeiro correspondendo a uma PBL bem definida, enquanto o segundo corresponde a uma situação com a presença de uma camada de nuvens e poeira saariana. Em ambos os casos, os resultados fornecidos pelos diferentes instrumentos acabaram se complementando, de modo que o uso sinérgico dos diferentes sistemas nos permitiu um monitoramento detalhado da PBL.

O fenômeno da transferência de massa entre dois meios é altamente dependente da concentração do componente a ser transferido e da velocidade na camada limite de troca. A medida de velocidade na superfície da água em uma interface ar/água ainda não é realidade devido a falta de instrumental adequado. Procurando sanar este obstáculo, esta pesquisa propôs o desenvolvimento de uma sonda ótica para medida de turbulência na superfície da água em um tanque agitado por grade oscilante. O funcionamento desta sonda foi investigado e suas medidas comparadas a medidas realizadas pelo instrumento microADV, de forma a verificar se o parâmetro medido pelo novo instrumento era relacionado à componente vertical da velocidade próximo à superfície. O comportamento do escoamento no tanque foi modelado com o uso do software Open-FOAM, visando uma maior compreensão do fenômeno. A pesquisa resultou na modelação do escoamento e no desenvolvimento de um dispositivo auxiliar que possibilita o uso do microADV em medidas próximas à superfície livre. A comparação das medidas adquiridas pela sonda ótica e microADV mostram que, apesar de as medidas da sonda terem relação com a turbulência no tanque, este parâmetro turbulento apresenta fraca correlação com a medida da componente vertical da velocidade. / The mass transfer phenomena is highly dependent on the concentration of the component to be transferred and the velocity on the exchange layer. The velocity measurement at the surface of the water in an air / water interface is not yet a reality due to lack of appropriate instruments. In order to overcome this obstacle, this research proposed the development of an optical probe to measure turbulence on the surface of water in an oscillating grid tank. We investigated the operation of the proposed probe comparing its measurements to measurements made by microADV to check the relation between the parameter measured by the new instrument and the vertical velocity near to the surface. The flow behavior in the tank was MODELLED using the software OpenFOAM seeking a greater understanding of the phenomenon. The research resulted in the modeling of the flow in the tank and the development of an auxiliary device that allows the use of microADV in near-surface measurements. Although the probe measurement have relation with the turbulence in the tank, the comparison of measurements acquired by the optical probe and microADV shows the turbulent parameter presenting weak correlation to the measurement of the vertical velocity.

The fow around bluff bodies is an essential topic in fuid dynamics. This fow is characterized by large vortical fow regions separating from the surface of the bluff body, and they cause oscillating drag and lift forces on the structure. The fow around an infinite long cylinder is a well-known case being studied in the literature. However, a cylinder with low aspect-ratio piercing the free surface has not been studied much although such an arrangement can be found in many floating offshore structures. In this thesis the results of CFD calculations are presented for a fixed, free surface piercing cylinder with an aspect-ratio L/D equals to 2. The Reynolds number was equal to 4:3 x 104 indicating that the flow is in the sub-critical turbulent regime. An extensive methodology of verication and validation is followed to investigate the reliability of the results. To investigate the effect of the free surface on the calculated hydrodynamic loads, two approaches have been considered: a double-body symmetry condition and an interface capturing Volume-of-Fluid (VoF) method. Additionally, two turbulence models are investigated: a two-equation turbulence model; a non-linear Explicit Algebraic Reynolds Stress Model (EARSM); and the Improved Delayed Detached Eddy Simulation (IDDES) turbulence model. The results are presented in terms of integral results (drag and lift coefficients) and flow visualizations. Based on the results of the cases in which the free surface was modeled as a double body symmetry boundary condition, it is concluded that the model is not suitable for this type of flow as the model damps out the flow dynamics due to over-production of eddy-viscosity. Hence, the characteristic oscillating lift forces are not captured using this turbulence model. However, this turbulence model showed good agreements regarding the flow fields in comparison with experimental PIV measurements. Results of the case modeled with EARSM turbulence model shows better agreement with the experimental results compared with the turbulence model. In the cases where the free-surface is considered, results with the EARSM turbulence model show similar results for the drag forces whereas the lift uctuations were one order of magnitude smaller, compared with the double body case. Lastly, the results using the IDDES turbulence model and free-surface VoF modeling are shown to produce the best comparison with the experimental results, regarding both, integral values and flow field results. / O escoamento ao redor de corpos rombudos é um tópico essencial na dinâmica de fluidos. O escoamento é caracterizado por regiões com grande vorticidade que se separam do corpo e causam oscilações das forças de arrasto e sustentação sobre a estrutura. O escoamento ao redor de cilindros longos é um tema que tem sido extensivamente estudado com muitos trabalhos encontrados na literatura. Entretanto, o cilindro com baixa razão de aspecto perfurante à superfície livre é um caso pouco estudado, apesar desta estrutura ser encontrada em várias estruturas oceânicas flutuantes. Esta dissertação apresenta cálculos numéricos para o escoamento ao redor de um cilindro fixo, que trespassa a superfície livre com razão de aspecto L/D igual a 2. O problema é estudado em um regime subcrítico de turbulência, com número de Reynolds igual a 4:3 x 104. Uma vasta metodologia de verificação e validação foi seguida para avaliar a confiabilidade dos resultados obtidos numericamente. Para investigar os efeitos da superfície livre nas cargas hidrodinâmicas, duas abordagens s~ao consideradas: condição de simetria de duplo corpo e um método de captura de interface Volume of Fluid. Além disso, dois modelos de turbulência foram investigados: o modelo não linear Explicit Algebraic Reynolds Stress Model (EARSM), e o modelo de turbulência Improved Delayed Detached Eddy Simulation (IDDES). Os resultados relacionados aos coeficientes de arrasto e sustentação são apresentados a partir de análise estatística, complementados através de ilustrações que permitem visualizar os campos de escoamento e pressão. Com base nos resultados de casos em que a superfície livre é modelada com uma condição de contorno de simetria, conclui-se que o modelo de turbulência não é adequado para este tipo de escoamento, pois o modelo amortece a dinâmica do escoamento devido à superprodução de viscosidade turbulenta. Consequentemente, as oscilações na força de sustentação não são capturadas usando este modelo. Entretanto, resultados dos campos médios do escoamento mostram-se concordantes com imagens experimentais obtidas com técnicas de PIV - Particle Image Velocimetry. Resultados do caso modelado com o modelo de turbulência EARSM mostram melhores concordâncias na comparação dos parâmetros estatísticos com experimentos do que o modelado com o modelo EARSM. Nos casos em que a superfície livre é modelada com o método VoF, o modelo de turbulência EARSM mostra resultados semelhantes para o arrasto, enquanto as flutuações da sustentação apresentam-se uma ordem de grandeza menores, quando comparadas ao caso de duplo corpo. Resultados usando o modelo de turbulência IDDES e VoF apresentam melhores comparações aos resultados experimentais, tanto para os parâmetros estatísticos quando para as visualizações do escoamento.

O incêndio florestal é uma complexa combinação da energia liberada na forma de calor devido à combustão dos produtos oriundos da pirólise da vegetação e o transporte dessa energia para o ar e para a vegetação à sua volta. O primeiro é o domínio da química e ocorre na escala de moléculas e o segundo é o domínio da física e ocorre em escalas de até quilômetros. É a interação desses processos sobre uma ampla gama de escalas temporais e espaciais envolvidas no incêndio florestal que faz a modelagem do seu comportamento uma tarefa tão difícil. A propagação do incêndio através de vegetação rasteira e folhas mortas foi simulada numericamente usando a formulação física do WFDS. A abordagem utilizada foi tridimensional e transiente, e baseada em uma descrição dos fenômenos físicos que contribuem para a propagação de um incêndio de superfície através de uma camada de combustível. Neste cenário de incêndio, existem duas regiões: vegetação e ar, cada uma com suas propriedades físicas e químicas e, embora elas precisem ser integradas no mecanismo de solução, há diferentes fenômenos que ocorrem em cada uma. Na região de vegetação, a abordagem é representá-la como partículas submalha cercadas de ar. O caráter heterogêneo da vegetação, como sua natureza, folhagens, pequenos galhos, etc. foi levado em conta usando propriedades físicas médias características da floresta amazônica. Os fenômenos na região de vegetação são a evaporação da sua umidade, a pirólise e a transferência de calor por radiação e por convecção. Na região do ar, a combustão com chama ocorre em um ambiente turbulento, onde as transferências de calor por radiação e por convecção desempenham um papel significativo. Para incorporar a radiação dos gases de combustão, o modelo físico emprega o método de volumes finitos, que resolve a equação de transferência de calor por radiação como uma equação de transporte para um número finito de discretos ângulos sólidos, e que pode ser usado em uma ampla faixa de espessuras óticas e meios participantes. A combustão turbulenta para a fase gasosa é modelada com base no modelo Eddy Dissipation Concept (EDC). O modelo de combustão turbulenta adota a hipótese de reação química infinitamente rápida entre o combustível e o ar e é controlado apenas pela velocidade de mistura desses reagentes. Esse modelo representa bem a física de incêndios em ambientes ventilados, como é o caso dos incêndios florestais. Para incluir os efeitos do transporte turbulento é utilizado o método Large Eddy Simulation (LES), que calcula explicitamente as grandes estruturas turbulentas, mas trata a dissipação e a cascata inercial em escalas menores usando aproximações na escala submalha. As regiões de vegetação e ar trocam massa e energia. O comportamento da mistura gasosa resultante da degradação térmica da vegetação e das reações de combustão é regido pelas equações de Navier-Stokes. As equações que regem os modelos físicos são formuladas como equações diferenciais parciais que são resolvidas por métodos numéricos. O método utilizado para discretização das equações é o método de diferenças finitas em malha deslocada. O modelo numérico utilizado resolve as equações de Navier-Stokes para fluidos compressíveis usando o filtro de Favre. A dissipação de energia cinética é obtida através de um fechamento simples para a tensão turbulenta: o modelo de coeficiente constante de Deardorff. O transporte turbulento de energia e massa é contabilizado pelo uso, respectivamente, de números de Prandtl e de Schmidt turbulentos constantes. Os resultados das simulações do modelo físico descrito foram comparados aos dados experimentais obtidos em campo para a propagação do incêndio na floresta amazônica. Apesar da idealização das condições de combustível, vento e as incertezas dos dados experimentais, as previsões do modelo estão na mesma ordem de grandeza dos experimentos. As taxas de propagação do incêndio experimentais variam de 0,12 +/-0,06 a 0,35+/-0,07 m/min. Mesmo considerando-se o desvio padrão da taxa de propagação do incêndio experimental, os valores das taxas simuladas ficaram dentro do erro experimental somente em dois de sete casos. As simulações mostraram que os parâmetros importantes para o modelo são a área superficial por volume da vegetação, sua massa específica aparente e sua umidade. Como o coeficiente de absorção por radiação é função direta da massa específica aparente e da área superficial por volume da vegetação, esses parâmetros afetam o comportamento numérico do incêndio de superfície. De acordo com os resultados das simulações numéricas, a umidade da vegetação também tem importância no incêndio de superfície. A temperatura inicial da vegetação e a umidade do ar na faixa de variação analisada não influenciam a taxa de propagação do incêndio. As simulações também mostraram que o processo de radiação é muito importante, e afeta diretamente todos os demais processos e a taxa de propagação do incêndio. A convecção tem importância muito menor que a radiação na condição de ausência de vento externo. A coerência das taxas de propagação do incêndio experimental e numérica em função da massa específica aparente de material combustível e da umidade da vegetação foi investigada. O modelo numérico é coerente em todas as nove combinações de casos. Já o experimento é coerente em quatro combinações. Com base nas comparações entre cada dois casos experimentais e as respectivas simulações numéricas, nota-se que as taxas de propagação a partir das simulações numéricas foram mais coerentes que as experimentais. / Forest fire is a complex combination of energy released as heat due to the combustion of the products from the vegetation pyrolysis and the transport of this energy to the surrounding air and vegetation. The first is the domain of chemistry and occurs on the molecular scale, and the second is the domain of physics and occurs at scales up to kilometers. It is the interaction of these processes on a wide range of temporal and spatial scales involved in forest fires that makes modeling its behavior such a challenging task. The spread of fire through small plants and dead leaves was simulated numerically using WFDS physical formulation. The approach used was three-dimensional and transient, based on a description of the physical phenomena that contribute to the spread of a surface fire through a layer of fuel. In this fire scenario, there are two regions: vegetation and air, each one with its physical and chemical properties and, although they need to be integrated into the solution mechanism, there are different phenomena that occur in each one. In the vegetation region, the approach is to represent it as subgrid particles surrounded by air. The heterogeneity of the vegetation, such as its nature, leaves, twigs, etc. was taken into account by using average physical properties that are representative of the Amazon forest. The phenomena in the vegetation region are the evaporation of its moisture, pyrolysis, heat transfer by radiation and convection. In the air region, the flaming combustion occurs in a turbulent environment, and heat transfer by radiation and convection play a significant role. To incorporate the radiation from the combustion gases, the physical model employs the finite volumes method, solving the radiation transfer equation as a transport equation for a finite number of discrete solid angles, which can be used in a wide range of optical thicknesses and participating media. Turbulent combustion for the gaseous phase is modeled using the Eddy Dissipation Concept (EDC) model. The mixing controlled turbulent combustion model adopts the assumption of infinitely fast chemical reaction between the fuel and air. This model represents well the fire physics in ventilated areas, as is the case of forest fires. To include the turbulent flow effects, it is used the Large Eddy Simulation (LES) method, which explicitly calculates the large turbulent structures, but models the dissipation and inertial cascade using approximations in the sub-grid scale. The vegetation and air regions exchange mass and energy. The behavior of the gas mixture resulting from the vegetation thermal degradation and combustion reactions is governed by the Navier-Stokes equations. The equations governing the physical model are formulated as partial differential equations, which are solved by numerical methods. The method used for discretization of the equations is the finite difference method on a staggered grid. The numerical model solves the Navier-Stokes equations for compressible fluids using the Favre filter. Dissipation of kinetic energy is achieved through a simple closure for the turbulent stress: the constant coefficient Deardorff model. The turbulent transport of heat and mass is accounted for by use of constant turbulent Prandtl and Schmidt numbers, respectively. The physical model simulation results were compared to experimental data obtained in the field for the spread of fire in the Amazon forest. Despite of the idealized conditions of fuel, wind and the uncertainties of the experimental data, the model predictions and the experiments are in the same order of magnitude. Experimental rate of spread range from 0.12 +/- 0.06 to 0.35 +/- 0.07 m/min. Even considering rate of spread experimental standard deviation, simulated rate values were within experimental error only in two of seven cases. The simulations showed that the important parameters for the model are the vegetation surface area to volume ratio, its bulk density and moisture. As the radiation absorption coefficient is a direct function of vegetation bulk density and surface area to volume ratio, these parameters affect the numeric behavior of the surface fire. According to the numerical simulations results, vegetation moisture is also important in the surface fire scenario. Vegetation initial temperature and air humidity in the range analyzed does not influence the rate of spread. The simulations also showed that the radiation process is very important and directly affects all other processes and rate of spread. Convection heat transfer has much less significance than radiation heat transfer in the absence of external wind. The consistency of the experimental and numerical rate of spread, as a function of combustible material bulk density and vegetation moisture was investigated. The numerical model is consistent in all nine case combinations. The experiment is consistent in four cases. Based on comparisons between each two experiments and their numerical simulations, it is noted that the rate of spread variation from the numerical simulation is more consistent than the experimental one.

A transferência de gases através da interface ar-água em escoamentos turbulentos é um processo importante para diferentes sistemas ambientais. Para avançar no entendimento dos princípios básicos envolvidos no fenômeno é necessária a utilização de técnicas e aparatos experimentais adequados. Neste estudo, foi realizada simulação numérica e experimentos em tanque de uma e duas grades oscilantes. Para a configuração de duas grades, dados experimentais foram comparados com soluções analíticas, obtendo-se boa concordância. Quatro quantidades foram analisadas: energia cinética turbulenta, taxa de dissipação de energia, viscosidade turbulenta e escala de comprimento. Na configuração de uma grade oscilante, foram realizadas medidas de concentração através da utilização de micro sonda de oxigênio. Adicionalmente, foram realizadas medidas concomitantes de velocidade e concentração, próximas à interface, utilizando, respectivamente, as técnicas particle image velocimetry (PIV) e laser induced fluorescence (LIF). O uso combinado das técnicas PIV e LIF permite a obtenção direta do fluxo de massa através da interface ar-água. Os resultados qualitativos e quantitativos devem servir de auxílio para direcionar futuros desenvolvimentos na área. / Gas transfer across the air-water interface in turbulent flows is an important process for many environmental systems. To improve the understanding of the basic principles involved in this phenomenon it is necessary to use suitable apparatus and experimental techniques. In this study, experiments and numerical simulation were conducted in a tank with one and two oscillating grids. In the two-grids configuration, experimental data were compared with analytical solutions, obtaining good agreement. Four quantities have been evaluated: turbulent kinetic energy, dissipation rate, eddy viscosity, and length scale. In the one-grid configuration, a microprobe has been used for measurements of oxygen concentration. In addition, the velocity and concentration fields near the interface were measured simultaneously using the combined particle image velocimetry (PIV) - laser induced fluorescence (LIF) technique. With the combined PIV-LIF technique, the total mass flux across the air-water interface could be obtained directly. The qualitative and quantitative results should help guide future work at the subject.