Governo Federal

Dados do Trabalhos de Conclusão

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ
MÉTODOS NUMÉRICOS EM ENGENHARIA (40001016030P0)
Análise Experimental e Numérica das Causas de Dissimilaridade Entre Escalares na Camada Limite Atmosférica.
DIANA MARIA CANCELLI
TESE
01/11/2013

Estudos relacionados com a camada limite atmosférica (CLA) são de fundamental importância para as mais diversas analises relacionados ao meio ambiente, como por exemplo, em dispersão atmosférica, meteorologia, e hidrologia. Nesses casos é comum supor que as flutuações turbulentas de dois escalares quaisquer possuem comportamento similar. Essa suposição, conhecida como hipótese de similaridade, é uma consequência da Teoria de Similaridade de Monin-Obukhov, a qual é válida para a camada limite superficial. Sob esta hipótese, todas as funções de similaridade relacionadas aos escalares em questão devem ser iguais. No entanto, resultados experimentais mostram que isso nem sempre ocorre sob condições instáveis, e é difícil identificar as causas da dissimilaridade uma vez que não há um controle sobre o que acontece na atmosfera. Nesse sentido, o objetivo deste trabalho foi analisar causas de dissimilaridade através de dados experimentais (que permitem estudar a similaridade entre escalares na região da camada limite superficial) medidos sobre o Lago de Furnas (Brasil), e de resultados de simulações de grandes vórtices (que permitem analisar toda a camada limite atmosférica). A partir dos dados experimentais obteve-se uma relação entre a similaridade de temperatura e umidade específica e a intensidade dos forçantes superficiais. O equilíbrio clássico entre produção por gradiente e taxa de dissipação molecular da variância dos escalares, e de sua covariância, foi confirmado. Observou-se que esse equilíbrio é uma condição necessária para que haja similaridade entre os escalares, e ele pode ser violado quando os termos de transporte são grandes, e possivelmente quando há não-estacionariedade. Um conjunto de números adimensionais — números de fluxo de escalar — capaz de diagnosticar o equilíbrio (ou não) entre a taxa de dissipação e o gradiente de produção foi proposto. O fato de que diferentes funções de similaridade não são igualmente capazes de identificar similaridade também é demonstrado, e um novo indicador de similaridade é proposto. Também verificou-se que a dissimilaridade nas baixas frequências tem um impacto maior sobre a similaridade entre os escalares do que sobre a similaridade entre seus fluxos. Simulações de grandes vórtices representativas de entranhamento de fluxos no topo da camada limite atmosférica, e de superfıcie heterogenea foram analisadas. Os resultados das simulações mostram claramente que fluxos de entranhamento com sinais opostos reduzem a correlação entre os escalares dentro de toda a camada limite atmosférica: na parte mais alta da camada de mistura essa redução é causada por alterações tanto nas variâncias quanto na covariância, e está distribuída em todas as escalas resolvidas; na região mais próxima `a superfície, há um aumento na variância do escalar somente nas grandes escalas. O equilíbrio entre taxa de dissipação e gradiente de produção também foi analisado e confirmado. A partir das simulações numéricas para superfície heterogênea constatou-se que quanto maior a heterogeneidade menor é a correlação entre os escalares na região da camada limite superficial. Acima dela os escalares ficam próximos da similaridade perfeita, o que indica que em situações reais outras causas de dissimilaridade devem ser consideradas.

Teoria de Similaridade de Monin-Obukhov, similaridade entre escalares, análise de dados experimentais, simulação de grandes vórtices.
Studies related to the atmospheric boundary layer (ABL) have a fundamental importance in many analysis related to environmental issues, for example atmospheric dispersion, meteorology, and hydrology. In general, in these cases, it is assumed that the turbulent fluctuations of two scalars have a similar behavior. This is a consequence of the Monin-Obukhov Similarity theory which is valid for the atmospheric surface layer. Under this hypothesis, all the similarity funcions related to the scalars are equal. However, experimental results have shown that scalar similarity does not always hold under unstable conditions, and that it is difficult to establish physical processes causing dissimilarity once we have no control over what happens in the atmosphere. In this sense, the goal of this work was to analyse causes of dissimilarity using experimental data measured over Furnas Lake (Brazil) and results of large-eddy simulations are analized. Experimental data allow the study of similarity between scalars in the surface layer, while large-eddy simulation results allow the study of similarity over the entire atmospheric boundary layer. From the experimental data, a relation between temperature–water vapor similarity and the strength of the surface forcing was found. The classical balance between gradient production and molecular dissipation of scalar variance and covariance was confirmed as a key to scalar similarity; this balance can be disrupted by the large transport terms, and possibly by nonstationarity. A set of dimensioless scalar flux numbers was proposed; they are capable of diagnosing the balance (or imbalance) between gradient production and molecular dissipation. The fact that different similarity functions are not equally capable of identifying scalar similarity was also demonstrated, and a new similarity indicator was proposed. Furthermore, it was also verified that low-frequency dissimilarity has a larger impact over scalar similarity than over scalar flux similarity. Large-eddy simulations representing the entrainment flux at the top of the atmospheric boundary layer, and heterogeneous surfaces were analyzed. Simulation results shown that entrainment fluxes of opposite signs cause decorrelation between the scalars within the entire atmospheric boundary layer: in the upper mixed layer, the reduction is caused by changes in both variances and covariance, and is distributed over the entire range of scales resolved in the simulation; in the region closer to the surface, there is an increasing in the scalar variance only in the large scales. The classical balance between gradient production and molecular dissipation was also analised and confirmed. From the numerical simulations representing heterogeneous surface, it was found that, in the surface layer, the greater the heterogeneity the lower the correlation between the scalars; above the surface layer the scalars are close to being perfectly similar, which indicates that in real situations other dissimilarity causes should be considered.
Monin-Obukhov Similarity theory, similarity between scalars, experimental data analysis, large eddy simulations
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PORTUGUES
UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ

Contexto

MECÂNICA COMPUTACIONAL
DINÂMICA DOS FLUIDOS COMPUTACIONAL
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Banca Examinadora

NELSON LUIS DA COSTA DIAS
Sim
Nome Categoria
PAULO JUSTINIANO RIBEIRO JUNIOR Docente
CYNARA DE LOURDES DA NOBREGA CUNHA Docente
MARCELO CHAMECKI Participante Externo
AILIN RUIZ DE ZARATE FABREGAS Participante Externo

Vínculo

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Não