Modelagem numérica da dispersão de poluentes na camada superficial atmosférica sob condições de forte instabilidade

Abstract

Este trabalho apresenta a modelagem e a simulação numérica da dispersão de poluentes na Camada Limite Atmosférica, sob condições de forte instabilidade. Trata-se de um estudo bidimensional e estacionário envolvendo uma fonte de poluente localizada nas proximidades da superfície terrestre, sobre terreno plano, com baixa rugosidade aerodinâmica. As equações de conservação da massa, da quantidade de movimento, da energia e de uma espécie química são resolvidas pelo Método dos Volumes Finitos, em coordenadas cartesianas e o fechamento da turbulência é baseado nas médias de Reynolds (modelos RANS), empregando-se o modelo k- para a determinação dos campos de velocidade, temperatura e, num caso específico, de concentração de poluente. Além da formulação baseada no conceito de viscosidade turbulenta, a parametrização do coeficiente de difusão vertical da equação de conservação de uma espécie química também emprega funções semi-empíricas, válidas para a Camada Limite Convectiva. Estes fechamentos distintos são comparados e os resultados obtidos através de cada formulação, confrontados com dados do clássico experimento de Prairie Grass, mostrando boa aceitação. Quando comparadas com outras modelagens encontradas na literatura, verifica-se ainda que a metodologia desenvolvida constitui-se numa alternativa relevante para a simulação numérica da dispersão de poluentes na atmosfera.

This work presents the modeling and numerical simulation of pollutant dispersion in the Atmospheric Boundary Layer under conditions of strong instability. This is a two-dimensional and stationary study involving a pollutant source located near the Earths surface, on flat terrain with low aerodynamic roughness. The conservation equations of mass, momentum, energy and chemical species are solved by the Finite Volume Method in Cartesian coordinates and the closing of turbulence is based on the Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS), using the k- model for the determination of the fields of velocity, temperature and, in a particular case, concentration of pollutant. In addition to formulation based on the concept of eddy viscosity, the parametrization of the vertical diffusion coefficient of a chemical species conservation equation also employs semi-empirical functions, valid for the Convective Boundary Layer. These different closures are compared and the results obtained by each formulation are compared to data of the Prairie Grass classical experiment showing good acceptance. When compared with other modeling in the literature, it appears that this methodology constitutes a relevant alternative to the numerical simulation of pollutant dispersion in the atmosphere.