Análise da influência da rugosidade superficial na simulação da camada limite atmosférica em uma topografia complexa empregando a dinâmica dos fluidos computacional

Abstract

Este trabalho apresenta um estudo numérico do escoamento do ar sobre um modelo reduzido de um terreno complexo empregando a Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD). Tendo como foco a análise da influência de diferentes valores de altura de rugosidade superficial para um escoamento de vento sobre um modelo de geometria complexa, através de simulação numérica por CFD são avaliados os perfis de velocidade para diferentes alturas em pontos pré-definidos, a montante e à jusante do morro principal contido no modelo reduzido onde o escoamento de vento é simulado, para cada valor de rugosidade. Estas verificações foram sugeridas em uma dissertação de mestrado, onde foram feitas simulações do escoamento de vento sobre um modelo computacional reduzido de um terreno de uma região acidentada, utilizando diferentes modelos de turbulência. Os resultados foram comparados com os dados obtidos em um experimento em túnel de vento. A simulação numérica realizada procura reproduzir as condições do experimento, contudo a definição do parâmetro de rugosidade superficial é difícil, devido à forma como os modelos são construídos experimentalmente, sendo assim necessária uma investigação numérica deste parâmetro. A partir da análise da influência da altura de rugosidade nos resultados numéricos, pretende-se contribuir para a correta definição dos parâmetros de modelagem numérica para reprodução correta das condições experimentais, e maior aproximação dos resultados obtidos no experimento, principalmente na região de separação da camada limite. As equações fundamentadas na mecânica dos fluidos são resolvidas em uma plataforma computacional, onde um escoamento de vento típico é simulado atravessando o volume de controle, que engloba a região em análise, referente a um modelo reduzido representativo do Morro do Jaburu, localizado em Vitória, no estado do Espírito Santo, Brasil; e traçado através de suas curvas de nível. A análise é feita através do software de simulação fluido dinâmica ANSYS Fluent 13.0, a partir de um modelo computacional já definido. As simulações são realizadas no centro de supercomputação (CESUP) da UFRGS. Após as simulações, são obtidos dados da distribuição de velocidade sobre o terreno, e dos perfis de velocidade em relação à altura, em pontos localizados em um plano vertical longitudinal do modelo simulado. Os resultados são comparados com as informações numéricas e experimentais anteriormente publicadas. Importantes alterações dos resultados na região de separação da camada limite são observadas.

This work presents a numerical study of the air flow on a scale model of a complex terrain using Computational Fluid Dynamics (CFD). Focusing on the analysis of the influence of different values of roughness height for a wind flow over a model of a complex terrain geometry by numerical simulation by CFD, are evaluated velocity profiles in predefined points, upstream and downstream of the main hill contained on the reduced model, where the wind flow is simulated, for each value of roughness. These checks were suggested in a dissertation, where wind flow simulations were made over a reduced computational model of a terrain of a rugged region, using differente turbulence models. The results were compared with data obtained in an experiment in a wind tunnel. The numerical simulation performed seeks to reproduce the conditions of the experiment; however is difficult to define the parameter of surface roughness, due to the way the models are constructed experimentally, and therefore require a numerical investigation of this parameter. From the analysis of the influence of roughness height on the numerical results, is intend to contribute to the correct definition of the parameters of numerical modeling for accurate reproduction of experimental conditions, and greater approximation of the results obtained in the experiment, particularly in the separation layer limit. The equations based on fluid mechanics are solved in a computing platform, where’s simulated a typical wind flow through the control volume that encloses the region in question, referring to a reduced model representative of Jaburu Hill, located in Vitória, state of Espírito Santo, Brazil. The analysis will be done by fluid dynamics simulation software ANSYS Fluent 13.0, from a computational model already defined. The analysis is done by fluid dynamics simulation software ANSYS Fluent 13.0, from a computational model already defined. The simulations are performed in the supercomputing center (CESUP) at UFRGS. After the simulations, are obtained data about velocity distribution over the terrain, and velocity profiles over ground, at points located on a vertical longitudinal plane of the simulated model. The results are compared with experimental and numerical information previously published. Important changes of the results in the region of separation of the boundary layer are observed.