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https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/23684
Document type: | Dissertação |
Access type: | Acesso Aberto |
Title: | O uso de CFD no estudo da dispersão de monóxido de carbono em ambiente urbano |
Alternate title (s): | Using cfd for study of carbon monoxide dispersion in the urban environment |
Author: | Souza, Délio Barroso de |
First Advisor: | Murata, Valéria Viana |
Second member of the Committee: | Henrique, Humberto Molinar |
Third member of the Committee: | Duarte, Claudio Roberto |
Fourth member of the Committee: | Santos, Kássia Graciele dos |
Summary: | A exposição do ser humano ao Monóxido de Carbono (CO) pode contribuir para episódios de emergência devido a infartos, e mesmo quando o tempo de exposição é da ordem de 50 minutos compromete a acuidade visual. No ambiente urbano, esta exposição é contínua, mas o monitoramento de concentrações em grandes espaços é difícil e raramente executado pelos agentes públicos devido ao alto custo de operação e de manutenção. Essas concentrações são ainda afetadas pela presença de obstáculos e de edificações, pelas condições variáveis de tráfego, pelas condições climáticas que variam ao longo de curtos períodos de tempo. A predição dos níveis de concentração de gases tóxicos e de materiais particulados, através de modelos matemáticos, permite estabelecer políticas de saúde pública considerando o efeito das muitas variáveis que afetam a dispersão destes poluentes e adotar ações de prevenção e correção dos fatores causadores. Este trabalho propõe a aplicação de modelos matemáticos fenomenológicos baseados nas equações conservativas de massa, quantidade de movimento e energia acopladas ao modelo de turbulência κ – ε, para a simulação computacional da dispersão de CO emitido por veículos em ambiente urbano na cidade de Uberlândia (Minas Gerais, Brasil), considerando tempos de parada em sinais de trânsito, tipo de veículos, características climáticas da região e idade da frota. A simulação computacional é feita utilizando o software OpenFOAM®. São apresentados os padrões dinâmicos de escoamento e os perfis de concentração em terreno característico de ambiente urbano, com 60 metros x 45 metros x 30 metros de dimensão, com a presença de um obstáculo cúbico de 5 metros x 5 metros x 5 metros. A fonte emissora de CO, distribuída em uma zona inicial de mistura, tem a carga estimada para uma determinada conformação de filas de veículos, considerado o fator de emissividade, pelo software CAL3QHC. Para considerar os tempos de parada dos veículos nos sinais de trânsito (73 segundos), as simulações foram realizadas em duas etapas. Na primeira etapa, o posicionamento da fonte de CO foi definida em conformidade com o posicionamento de filas de veículos considerando a presença de ar puro em todo o domínio. As estruturas de escoamento e as concentrações de CO neste ambiente após 73 segundos, definiram a concentração de background do CO utilizada nos modelos integrais. Esta concentração de background permite representar uma situação mais realista da ambiência urbana e foi utilizada na simulação da segunda etapa onde novo lançamento de CO foi simulado considerando o mesmo posicionamento dos links de fila de veículos e a mesma distribuição da carga. A influência da velocidade do ar sobre os padrões de escoamento e a distribuição de concentração do CO foi considerada para valores de velocidades de 2,34 m/s, 4 m/s e 15 m/s, típicas da região estudada. Os fenômenos de estratificação atmosférica, mitigação e inversão térmica foram adequadamente previstos na simulação e demonstrou-se em que condições os efeitos danosos do CO sobre a saúde humana são mais agudos. São apresentados ainda estudos considerando o lançamento de uma fonte pontual de CO com dimensões de 7 metros x 3 metros x 3 metros, posicionada a um 1,80 metro de altura do solo correspondente à altura média da população, sem e com a presença do obstáculo cúbico.Os resultados obtidos demonstram a capacidade da modelagem CFD através do OpenFoam, associada à representação de links de filas de veículos automotores através do algoritmo CAL3QHC, na representação da dispersão do CO em ambiente urbano. |
Abstract: | The human exposure to Carbon Monoxide (CO) can contribute to emergency episodes due to heart attacks, and even when the exposure time is 50 minutes of order compromises visual acuity. In the urban environment, this exhibition is ongoing, but monitoring concentrations in large spaces is difficult and rarely performed by state officials due to the high cost of operation and maintenance.These concentrations are still affected by the presence of barriers and buildings, by varying traffic conditions, climate conditions ranging over short periods of time. The prediction of the concentration levels of toxic gases and particulate matter, through mathematical models, allows you to establish public health policies considering the effect of many variables that affect the dispersion of air pollutants and adopt prevention and correction of the causative factors. This work proposes the application of mathematical models phenomenological based on the mass of conservative equations, momentum and energy coupled to κ turbulence model - ε, for the simulation of CO dispersion emitted by vehicles in urban environment in the city of Uberlândia (Minas Minas, Brazil), considering downtimes in traffic signals, vehicle type and climatic characteristics of the region and age of the fleet. The computer simulation is performed using the software OpenFOAM®. Dynamic patterns are presented to flow and concentration profiles in a characteristic plot of urban environment 60 meters x 45 meters x 30 meters in size in the presence of a cubic obstacle 5 meters x 5 meters x 5 meters. The CO emission source, distributed in an initial mixing zone, has the estimated load for a given conformation of vehicle queues considered the emissivity at CAL3QHC software. To consider the vehicle downtimes on road signs (73 seconds), the simulations were carried out in two stages. In the first stage, the positioning of the CO source was defined in accordance with the positioning of vehicle queues considering the presence of fresh air throughout the area. The flow structures and CO concentrations in the environment after 73 seconds, defined the background concentration of CO used in whole models. This background concentration can represent a more realistic situation in urban atmosphere and was used to simulate the second stage where new release of CO was simulated by considering the same positioning of the vehicle row of links and the same load distribution. The effect of air speed on the flow patterns and CO concentration distribution was considered values for speeds of 2.34 m/s, 4 m/s and 15 m/s, typical of the studied region. The phenomena of atmospheric stratification, mitigation and heat exchange were adequately provided for in the simulation and demonstrated in what conditions the harmful effects of CO on human health are more acute. They are also presented studies considering the launch of a point source of CO with dimensions of 7 meters x 3 meters x 3 meters, positioned at a 1.80 meters height of the soil to the average height of the population, with and without the presence of the obstacle cúbico.Os results demonstrate the ability of CFD modeling using OpenFOAM associated with the representation of motor vehicles queue links through CAL3QHC algorithm, in representation of the CO dispersion in urban environment. |
Keywords: | Simulação numérica obstáculo cúbico. Monóxido de Carbono CAL3QHC CFD OpenFOAM Turbulência Emissão de contaminantes Filas de automóveis Estratificação atmosférica Lapso adiabático Engenharia Química Simulaçao por computador Veículos - Uberlândia (MG) |
Area (s) of CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA |
Language: | por |
Country: | Brasil |
Publisher: | Universidade Federal de Uberlândia |
Program: | Programa de Pós-graduação em Engenharia Química |
Quote: | SOUZA, Délio Barroso de. O Uso de CFD no Estudo da Dispersão de Monóxido de Carbono. Dissertação de Mestrado (Mestrado em Engenharia Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia 2016. DOI http://dx.doi.org/10.14393/ufu.di.2018.1371 |
Document identifier: | http://dx.doi.org/10.14393/ufu.di.2018.1371 |
URI: | https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/23684 |
Date of defense: | 30-Mar-2016 |
Appears in Collections: | DISSERTAÇÃO - Engenharia Química |
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