Simulação do vento atmosférico e dos processos de dispersão de poluentes em túnel de vento

Abstract

O estudo experimental dos processos de dispersão atmosférica de poluentes permite a análise de problemas específicos e a avaliação dos modelos teórico-numéricos. Os custos da experimentação de campo conduzem à realização de estudos de laboratório em modelos reduzidos. Este trabalho tem por objetivo principal a reprodução dos ventos atmosféricos e dos processos de dispersão em escala reduzida em túnel de vento. Foram estabelecidos os requerimentos gerais de modelagem para os diversos problemas relacionados com o estudo experimental da dispersão de poluentes atmosféricos, incluindo a simulação da camada limite atmosférica e da fonte de emissão. A partir desta análise, foram desenvolvidos e avaliados diversos modelos experimentais dos ventos turbulentos na camada limite atmosférica neutral utilizando velocidades médias muito baixas que permitam cumprir os requerimentos de semelhança do processo de dispersão. As simulações incluem ventos turbulentos sobre terrenos homogêneos a diferentes escalas. Na avaliação experimental foram utilizados dados da literatura e comparações diretas com resultados de campo para a condição de atmosfera em estabilidade neutra. Foram estudados escoamentos turbulentos mais complexos nas proximidades de um modelo simples de uma edificação e em um entorno urbano não homogêneo. Para os estudos da difusão atmosférica, foi estabelecida a prioridade da modelagem de problemas locais de dispersão. Foi modelada uma fonte de emissão pontual de baixa altura representativa de uma chaminé que permita a modificação das condições de empuxo da pluma. A análise do processo de dispersão e das concentrações foi realizada considerando diversas configurações que incluem a fonte de emissão isolada num escoamento homogêneo, a consideração dos efeitos da esteira próxima ao modelo de uma edificação, e finalmente de um terreno urbano não homogêneo. Foram determinadas as concentrações médias e as flutuações de concentração na pluma. Estes resultados permitiram obter os campos de concentração e, a partir das funções de densidade de probabilidade e funções de densidade espectral, analisar as zonas de intermitência no campo de concentração. Comparações com resultados da literatura e com modelos teóricos complementam o estudo realizado. É dada ênfase na análise das flutuações de concentração e na intermitência dos processos de dispersão, dada a importância do seu conhecimento para o desenvolvimento de modelos bem como à escassa informação experimental na bibliografia. Os resultados deste trabalho permitem estabelecer a viabilidade da simulação da camada atmosférica neutral e dos estudos de dispersão em túnel de vento, determinando vantagens e limitações dos modelos reduzidos. A influência das características do escoamento turbulento, das configurações próximas do terreno e das características da emissão no processo de dispersão foi estudada. Finalmente, são analisadas as condições de intermitência associadas aos escoamentos turbulentos e, em particular, aos campos de concentração próximos a uma fonte de emissão.

The experimental study of the pollutant dispersion processes allows the analysis of specific problems as well as the evaluation of theoretical models. The costs related to full scale measurements make the experimental studies over reduced scaled models a better research tool. This work has the aim of modeling some kinds of atmospheric winds and related dispersion processes in wind tunnels. The general modeling laws related to the experimental study of pollutants dispersion were followed, including the boundary layer simulation and the emission source. Several experimental models of the turbulent winds in neutral boundary layers were developed and evaluated by using very low wind velocities, allowing the fulfillment of the similitude laws of the dispersion process. The simulations include turbulent winds over homogeneous terrains at different scales. Literature data were used in the experimental evaluation as well as direct comparisons with field results for the atmosphere under neutral stability conditions. Also, more complex turbulent flows were studied in the close proximities of a simple building model in a non homogeneous surrounding. For the atmospheric diffusion studies, it was decided to model local dispersion situations. A single, punctual type of emission source was modeled, representing the conditions at a low height chimney and allowing the modification of the plume buoyancy conditions. The analysis of the dispersion process and concentrations was performed under several configurations including the isolated source emission in a homogeneous flow, the consideration of the wake effects close to a building model, and finally of a non homogeneous urban terrain. The mean and fluctuating components of the plume concentration were obtained. These results allowed the characterization of the concentration fields. From the probability and spectral density functions it was possible to analyze the intermittence of the concentration field. Comparisons with literature results and with theoretical models complement the study. Special care is taken in the analysis of the fluctuations of the concentration and in the intermittence of the dispersion processes, due to its importance to the development of theoretical models as well as the lack of experimental information in the open literature.