Modelagem matemática do escoamento e da dispersão de poluentes na microescala atmosférica

Abstract

A determinação dos campos de concentração de poluentes lançados na atmosfera é um elemento importante na previsão de impactos ambientais causados por emissões de efluentes industriais. Na solução da equação da concentração para poluentes gasosos e material particulado, é necessário conhecer-se da maneira mais realista possível o campo de velocidade e os níveis de turbulência do escoamento na camada limite atmosférica. Um modelo matemático tridimensional baseado nas equações da mecânica dos fluidos juntamente com uma variante não isotrópica do modelo de turbulência k-e são utilizados para o cálculo do escoamento e da dispersão de substâncias na microescala atmosférica (distâncias da ordem de alguns km). O modelo é implementado em um código computacional tridimensional utilizando o método numérico dos volumes finitos em coordenadas curvilíneas generalizadas. Para que a modelagem matemática da dispersão na atmosfera forneça bons resultados é necessário que esta leve em conta os fenômenos atmosféricos importantes que influenciam a dispersão dos poluentes, bem como a topografia do terreno. Assim o modelo permite incorporar, através de condições de contorno e termos fontes nas equações governantes, fenômenos relevantes ao problema como a estabilidade atmosférica (estratificação térmica), a altura da camada de mistura e a rugosidade do terreno. O modelo também permite a incorporação de processos físicos de remoção, como a deposição seca e a úmida (lavagem por chuvas), a remoção química de poluentes primários e formação de poluentes secundários. Esses processos de remoção e reações químicas são considerados mas não simulados na tese. O modelo é aplicado a diversos casos de escoamento e dispersão em túnel de vento, sob condições de estratificação neutra e estável, sobre três topografias tridimensionais idealizadas. Comparações com resultados experimentais demonstram que o modelo anisotrópico de turbulência tem melhor habilidade de prever a dispersão da pluma do que o k-e clássico, especialmente no caso de escoamento estavelmente estratificado, em que o caráter não isotrópico da turbulência é relevante. Um tratamento especial para as difusividades turbulentas próximo da fonte é proposto, já que em seu estágio inicial o tamanho da pluma é menor que o comprimento de escala da turbulência do escoamento desenvolvido. Também foi simulado numericamente um experimento de dispersão em escala real realizado em Cinder Cone Butte (EUA), sob atmosfera estável (classe E). Os resultados numéricos mostram que o trajeto da pluma é adequadamente previsto pelo modelo numérico, enquanto que as concentrações são superestimadas devido às grandes variações na direção do vento durante a hora do experimento, o que provocou uma maior dispersão da pluma real.