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Simulações Numéricas de Escoamentos Atmosféricos:
Circulação sobre uma clareira em uma floresta
Otávio C. AcevedoLaboratório de Física da Atmosfera - UFSM
Sistema de equações governantes da atmosfera
Equações do Momento: atrito de termos1
xpfv
zuw
yuv
xuu
tu
atrito de termos1
ypfu
zvw
yvv
xvu
tv
atrito de termos1
zpg
zww
ywv
xwu
tw
Equação da continuidade: 0
zw
yv
xu
dtd
Equação da energia termodinâmica: diabáticos forçantes
zTw
yTv
xTu
tT
Equação de estado: TRp ´
6 equações, 6 incógnitas (u, v, w, p, T, )
- Fechamento do sistema: depende da escala da simulação
- Grade:
Discretização das equações
Exemplo: xTu
tT
fica: x
TutT
ttTTT
1
22
122
222
xTTu
tT
2
112
1321
22
1
22
- Condições iniciais e de contorno
- Problemas associados à discretização
Tipos de Modelos
- GCM (modelos de circulação global)
Tipos de Modelos
- Modelos de previsão de tempo (global)
- Modelos de previsão de tempo (mesoescala)
LES - Large Eddy Simulation(simulação dos grandes turbilhões)
Leis de Kolmogorov, espectros turbulentos
Espectro da componente vertical da velocidade, medidos em Dona Francisca, RS(cortesia de Rodrigo Silva)
- Em uma simulação LES, se resolve explicitamenteos turbilhões maiores do escoamento;
- A resolução da grade deve ser de uma escala que esteja dentro do subintervalo inercial;
- A parametrização de subgrade pode, portanto, serfeita a partir das leis de Kolmogorov
CLAREIRAS EM UMA FLORESTA
As clareiras representam uma porção pequena da superfície total da floresta, mas podem alterar significantemente as propriedades médias e fluxos locais
Nós perguntamos:
- As clareiras podem ancorar os fluxos de um escalar (CO2 respiratório,
evaporação do solo, radônio, etc.)? Quanto é a influência dessas
clareiras nos fluxos?
- Até que distância da clareira a sua influência é sentida nos fluxos e
variáveis médias?
FERRAMENTA: modelo LES
vv FDgkdtVd
0
FD
dtd
VuVaC id /2
dzzdQF n /
FhQzQ nn exp h
z
dzaF
dx = dy = dz = 2 mdomínio:
180 m em x, 120 m em y,120 m em z.
Floresta de 20 m
vento 2 m/s no topo
Simulações feitas
- no-gap: simulação base, sem clareira;
- base gap: clareira de 20 x 20 m no centro do domínio, fluxo de calor no solo de 100 W/m2,ventos no topo do domínio de 2 m/s;
- 200: base gap, mas com fluxo de calor no solo de 200 W/m2 ;
- big gap: base gap, mas dimensões da clareira são 40 x 40 m;
- windy: base gap, mas ventos de 5 m/s no topo do domínio.
Em todos os casos, vapor d´agua foi usado como traçador escalar, comuma fonte horizontalmente uniforme no solo (100 W/m2)
PERFIS VERTICAIS
Mudanças nos perfis de vento causadas pela clareira:
CIRCULAÇÕES
FLUXOS
A clareira aumenta os fluxos acima e depois de seu lugar
Mudanças nos perfis dos fluxos causadas pela clareira
Aumento local do fluxo de escalar causado pela clareira
CONCLUSÕES
- Clareiras na floresta causam uma circulação do ar em forma de umvórtice. Sua ocorrência depende das dimensões da clareira, daintensidade do vento e do aquecimento na superfície da clareira;
- Clareiras podem determinar que os fluxos de escalares acima de sisejam até 3 vezes maiores que o fluxo médio no domínio;
- O perfil do vento se reajusta rapidamente depois da clareira. Perfis de fluxos precisam de distâncias maiores para se reajustar.