3.1.1. Modelação numérica
O VADIS (pollutant DISpersion in the atmosphere under VAriable wind conditions) é um modelo de qualidade do ar vocacionado para a avaliação da dispersão de poluentes na atmosfera à escala local. Desenvolvido no Departamento de Ambiente e Ordenamento da Universidade de Aveiro (DAO- UA), o modelo foi inicialmente concebido para o estudo da dispersão de poluentes libertados para a atmosfera com origem em acidentes industriais sob condições desfavoráveis (como estabilidade térmica e pequenas velocidades do vento - inferiores a 2 𝑚. 𝑠−1), tendo sido adaptado ao cálculo da
poluição atmosférica resultante das emissões com origem no tráfego rodoviário e estimativa de hot-
spots locais em condições de street canyon (Borrego et al., 2003).
O modelo é composto por dois módulos, um de camada limite, de tipo Euleriano, designado por FLOW, e outro de dispersão Lagrangeana, o DISPER. O esquema bi-modular de funcionamento do VADIS apresenta-se descrito na figura 6 (Borrego et al., 2003).
Figura 6- representação do princípio de funcionamento do modelo (Vicente et al., 2018).
O campo de ventos é calculado considerando condições estacionárias. A malha utilizada pelo FLOW para o cálculo do campo tridimensional de velocidades é alinhada com a direção do vento e o escoamento é calculado sobre o conjunto de obstáculos pré-definido, orientado de forma dependente da direção de vento simulada.
O módulo FLOW tem por base a resolução das equações de Navier-Stokes com médias de Reynolds, considerando um escoamento estacionário na camada limite em regime turbulento, utilizando para o fecho de turbulência o modelo de 1ª ordem k-ε que calcula os campos tridimensionais das componentes do escoamento, a viscosidade turbulenta, a pressão, a energia cinética turbulenta e a temperatura, pelo método dos volumes de controlo/diferenças finitas.
O sistema de fecho das equações é conseguido através da aproximação a um fluido isotrópico, newtoniano e incompressível, calculando as equações da energia cinética turbulenta (k) e a sua taxa de dissipação (ε). No procedimento de cálculo das equações de Navier-Stokes é utilizado um algoritmo SIMPLE e o método da matriz tridiagonal (MATRIX) para a resolução do sistema de equações. Um dos melhores métodos para descrever as condições de fronteira de entrada é o método proposto por (Richards & Hoxey, 1993). Este método foi aplicado neste trabalho, a variação de velocidade (U), a energia cinética turbulenta (k) e a taxa de dissipação de turbulência (ɛ) com a altura nos limites de entrada foram especificadas usando as seguintes equações de perfil vertical:
Meteorologia (Velocidade e direção do vento)
Módulo FLOW Volumetria
Domínio da simulação (dimensões e resolução da malha)
Campo 3D de vento
Emissões
Módulo DISPER
Definição das fontes de emissão
Campo 3D de concentração
João Pedro Freitas Pestana Dissertação de Mestrado Equação 1: 𝑈 =𝑢∗ 𝑘𝑣ln ( 𝑧+𝑧0 𝑧0 ) ; 𝑘 = 𝑢∗2 √𝑐µ ; 𝜀 = 𝑢∗3 𝑘𝑣 (𝑧+𝑧0)
Onde 𝑈 é a velocidade de fricção extraída do perfil logarítmico da equação 1 com a velocidade do vento de referência a 10 m de altura, 𝑘𝑣 é a contante de Von Kármán (0.41) e 𝑧0 é a rugosidade da
superfície, definida como 1.1 m, a valor médio típico para uma área urbana com altura e densidade médias.
As funções de parede padrão do VADIS são baseadas no trabalho de (Spalding, Launder, Morse, & Maples, 1974), e foram usadas neste cálculo. A convergência da solução foi garantida em função do número de iterações, de acordo com as diretrizes propostas por (Frank et al., 2007) e (Tominaga & Stathopoulos, 2011).
Condições de simulação
As características do domínio computacional foram determinadas segundo os princípios recomendados na COST Action 732 (Frank et al., 2007). Assim sendo, para a simulação do escoamento atmosférico em ambiente urbano com múltiplos edifícios, as dimensões verticais e horizontal do domínio computacional são definidas com uma dimensão mínima de 5Hmax, onde Hmax representa a altura do edifício mais alto presente no domínio. Foi realizada uma análise de sensibilidade da malha para selecionar a resolução da malha. Foram usadas para a análise: i) malha básica, 1259712 células; ii) malha fina, 34012224 células; e iii) malha ultrafina, 272097792 células. As malhas foram comparadas com base no campo de vento ao longo da área de interesse (street canyon). A partir dessa análise, concluiu-se que a malha básica previa velocidade mais altas (mais 1,5 𝑚. 𝑠−1
em média) do que os previstos pelas malhas finas e ultrafinas. As malhas finas e ultrafinas forneceram resultados muito semelhantes, com uma correlação de 0,95 e diferenças de médias de 0,03 𝑚. 𝑠−1 (a
malha fina mostrou uma velocidade de vento ligeiramente maior). Foram obtidas diferenças máximas inferiores a 1 𝑚. 𝑠−1 entre as malhas finas e ultrafinas. As simulações CFD foram realizadas para um
domínio de 162 x 162 x 162 𝑚3 (C x L x A), com uma resolução de malha de 0,5 x 0,5 x 0,5 m,
totalizando um número de 34012224 células. O domínio computacional é composto por células hexaédricas dispostas numa malha estruturada horizontal e verticalmente.
O domínio computacional inclui dois edifícios retangulares paralelos entre si, com diferentes configurações em termos de altura, definidos com base na relação H1/H2 (onde H1 é a altura do menor edifício) igual a 0,6. Os edifícios foram alinhados com uma distância (D), segundo a relação H1/D igual a 1,5. Foi usado um mínimo de 10 células, em altura e entre edifícios no plano horizontal, correspondendo à área de interesse (Franke, Hellsten, Schlunzen, & Carissimo, 2011). A largura (W) de ambos os edifícios foram definidas usando uma relação de H1/W igual a 1(Addepalli & Pardyjak, 2015). A figura 7 apresenta o domínio computacional 3D e 2D gerado pelo modelo VADIS.
João Pedro Freitas Pestana Dissertação de Mestrado
Figura 7- Domínio computacional 3D(esquerda) e vista superior do domínio computacional (direita).
3.1.2. Modelação física em túnel de vento
Para a realização da modelação física foi utilizado o túnel dedo Departamento de Ambiente e Ordenamento (DAO) da Universidade de Aveiro. O túnel foi projetado para simulações na área ambiental, sendo capaz de simular o escoamento atmosférico, com uma escala de velocidade variando entre 0 𝑚. 𝑠−1 e 13 𝑚. 𝑠−1(valor na camada limite). No que diz respeito às suas dimensões, o túnel
possui um comprimento total de aproximadamente 12 m, tendo uma secção de ensaio de 6,5 x 1,5 x 1 m e um ventilador alimentado por um motor AC de 7,5 kW acoplado, controlado por um variador de frequência (Figura 8).
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Condições experimentais
O PIV (Figura 5) utilizado consiste num laser Nd: YAG com comprimento de onda de 532 nm (Litron Lasers: NANO S 65-15PIV), um sincronizador, uma câmara CCD (Charge-Coupled Device) e uma lente ótica. O laser foi configurado em modo “Q-switched” de maneira a projetar pares de pulsos de luz com uma potência máxima de 400 mJ. O feixe de laser gera um plano, sendo esse plano é capturado por uma câmara CCD (PowerView Plus 2MP), com uma resolução de 1600 x 1200 pixels (cada pixel com uma resolução de 7,4 µm × 7,4 µm) A câmara foi configurada de maneira a capturar pares de imagens a uma taxa de 32 fps (frames por segundo). A câmara foi equipada com uma lente AF Nikkon de 50 mm f / 1,8 d. O sincronizador foi utilizado para controlar o tempo entre os pulsos do laser e o tempo de abertura do diafragma da câmara através de um computador fixo. Foi também utilizada uma máquina de fumo padrão beamZ S1200 MKII, com um fluxo de 215 𝑚3 ∙ 𝑚𝑖𝑛−1.
Em relação à configuração da temporização do PIV (Figura 9), o modo de disparo do PIV foi definido como Straddle para adquirir dois frames por sequência. A taxa de repetição de pulso foi ajustada para os 14,5 Hz de maneira a adquirir o conjunto máximo de resultados precisos. O atraso do pulso de laser foi ajustado para 299 µs. O Delta T é um dos parâmetros mais importantes para a aquisição das imagens desejadas. Este parâmetro deve ser ajustado para as condições de entrada (quanto maior a velocidade do vento de entrada, menor será Delta T) de forma a obter um deslocamento suficiente para a correlação cruzada das duas imagens e para todas as condições de entrada. O Delta T foi definido a 35 µs. A exposição do PIV foi definida nos 310 µs por consideração do atraso do interruptor Q do pulso do laser e do brilho das imagens.
A análise dos pares de imagens adquiridas foi feita recorrendo ao software de análise TSI INSIGHT3G.
Figura 9- Setup do PIV, câmara fotográfica e Laser (Ferrinho, 2014).
O domínio experimental representado na figura 10 é constituído por dois edifícios retangulares paralelos entre si, definidos com base na relação H1/H2 (onde H1 é a altura do menor edifício) igual a 0,6. Os edifícios foram alinhados com uma distância (D), segundo a relação H1/D igual a 1,5 à semelhança das condições do domínio computacional (Addepalli & Pardyjak, 2015). Na figura 11 é possível visualizar a maqueta final utilizada no túnel de vento. É importante referir que ambos os modelos, numérico e físico, estão perante um regime elevado de turbulência, com um número de Reynolds superior a 4000.
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Figura 10- Desenho técnico da maqueta utilizada no túnel de vento.
Figura 11- Maqueta no túnel de vento.