Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Uma simulação numérica que leva em conta os efeitos de estratificação e mistura escalar
(como a temperatura, salinidade ou substância solúvel em água) é necessária para estudar
e prever os impactos ambientais que um reservatório de usina hidrelétrica pode produzir. Este
trabalho sugere uma metodologia para o estudo de escoamentos ambientais, principalmente
aqueles em que o conhecimento da interação entre a estratificação e mistura pode dar noções
importantes dos fenômenos que ocorrem. Por esta razão, ferramentas de simulação numérica
3D de escoamento ambiental são desenvolvidas. Um gerador de malha de tetraedros do reservatório
e o modelo de turbulência algébrico baseado no número de Richardson são as principais
ferramentas desenvolvidas. A principal dificuldade na geração de uma malha de tetraedros de
um reservatório é a distribuição não uniforme dos pontos relacionada com a relação desproporcional
entre as escalas horizontais e verticais do reservatório. Neste tipo de distribuição de
pontos, o algoritmo convencional de geração de malha de tetraedros pode tornar-se instável. Por
esta razão, um gerador de malha não estruturada de tetraedros é desenvolvido e a metodologia
utilizada para obter elementos conformes é descrita. A geração de malha superficial de triângulos
utilizando a triangulação Delaunay e a construção do tetraedros a partir da malha triangular
são os principais passos para o gerador de malha. A simulação hidrodinâmica com o modelo de
turbulência fornece uma ferramenta útil e computacionalmente viável para fins de engenharia.
Além disso, o modelo de turbulência baseado no número de Richardson leva em conta os efeitos
da interação entre turbulência e estratificação. O modelo algébrico é o mais simples entre os diversos
modelos de turbulência. Mas, fornece resultados realistas com o ajuste de uma pequena
quantidade de parâmetros. São incorporados os modelos de viscosidade/difusividade turbulenta
para escoamento estratificado. Na aproximação das equações médias de Reynolds e transporte
de escalar é utilizando o Método dos Elementos Finitos. Os termos convectivos são aproximados
utilizando o método semi-Lagrangeano, e a aproximação espacial é baseada no método
de Galerkin. Os resultados computacionais são comparados com os resultados disponíveis na
literatura. E, finalmente, a simulação de escoamento em um braço de reservatório é apresentada. / To study and forecast the environmental impacts that a hydroelectric power plant reservoir
may produce, a numerical simulation that takes into account the effects of stratification
and scalar mixing (such as temperature, salinity or water-soluble substance) is required. This
work proposes a methodology for the study of the environmental fluid flow phenomena, mainly
for flows in which the knowledge of the interaction between stratification and mixing can give
important notions of the phenomena that occur. For this, a numerical simulation tool for 3D
environmental flow is developed. A tetrahedral mesh generator of the reservoir based on the
terrain topology and an algebraic turbulence model based on the Richardson number are the
main tools developed. The main difficulty in tetrahedral mesh generation of a reservoir is nonuniform
distribution of the points related to the huge ratio between the horizontal and vertical
scales of the reservoir. In this type of point distributions, conventional tetrahedron mesh generation
algorithm may become unstable. For this reason, a unstructured tetrahedral mesh generator
is developed and the methodology used to obtain conforming elements is described. Triangular
surface mesh generation using the Delaunay triangulation and the construction of the tetrahedra
from the triangular surface mesh are the main steps to the mesh generator. The hydrodynamic
simulation of reservoirs with a turbulence model provides a useful tool that is computationally
viable for engineering purposes. Furthermore, the turbulence model based on the Richardson
number takes into account the effects of interaction between turbulence and stratification. The
algebraic model is the simplest among the various models of turbulence, but provides realistic
results with the fitting of a small amount of parameters. Eddy-Viscosity/Diffusivity models for
stratified turbulent flows models are incorporated. Using the Finite Element Method (FEM)
approximation the Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) and mean scalar transport equations
are approximated. The convective terms are discretized employing the Semi-Lagrangian
method, and the spatial discretization is based on the Galerkin method. The computational results
are compared with the results available in the literature. Finally, the simulation of the flow
in a branch of a reservoir is presented.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/urn:repox.ist.utl.pt:UERJ:oai:www.bdtd.uerj.br:5798 |
| Date | 30 June 2009 |
| Creators | Hyun Ho Shin |
| Contributors | Norberto Mangiavacchi, Christian Emilio Schaerer Serra, Alvaro Luiz Gayoso de Azeredo Coutinho, Carlos Antonio de Moura, Cassio Botelho Pereira Soares, José da Rocha Miranda Pontes, Edson Cezar Wendland |
| Publisher | Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, UERJ, BR |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | English |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJ, instname:Universidade do Estado do Rio de Janeiro, instacron:UERJ |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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