Análise numérica do desenvolvimento de estruturas turbulentas em leitos de partículas e sua relação com eventos de emissão atmosférica

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dc.contributor.advisor1Furieri, Bruno
dc.contributor.advisor1IDhttps://orcid.org/0000-0002-9736-0250
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/6585455298349085
dc.contributor.authorEspírito Santo, Geisiely do
dc.contributor.authorIDhttps://orcid.org/0000-0002-6381-3290
dc.contributor.authorLatteshttp://lattes.cnpq.br/4738815353163302
dc.contributor.referee1Goulart, Elisa Valentim
dc.contributor.referee1IDhttps://orcid.org/0000-0002-0051-0778
dc.contributor.referee1Latteshttp://lattes.cnpq.br/0014236670973457
dc.contributor.referee2Prata Junior, Ademir Abdala
dc.contributor.referee2IDhttps://orcid.org/0000-0002-2156-9357
dc.contributor.referee2Latteshttp://lattes.cnpq.br/2375033203317106
dc.date.accessioned2025-06-06T22:08:58Z
dc.date.available2025-06-06T22:08:58Z
dc.date.issued2025-05-06
dc.description.abstractIndustrial activities, although essential for human life, contribute significantly to air pollution. Among these activities, steelworks stand out, as they have large open areas where stockpiles of granular materials such as iron ore and coal are exposed to wind action. This scenario favors wind erosion, a natural phenomenon that promotes the emission of particulate matter, compromising air quality and posing risks to human health, including respiratory and cardiovascular diseases. To estimate this type of emission, the model developed by the United States Environmental Protection Agency (USEPA) is widely used. However, this model does not consider the proportion of non-erodible particles in the composition of granular materials, a factor that plays a fundamental role in flow turbulence and in the estimation of particle emissions. In view of this limitation, this study numerically investigated the development of turbulent structures in the presence of roughness elements, using Computational Fluid Dynamics and Large Eddy Simulations (LES). Three infinite beds containing different amounts of non-erodible particles, represented by cylindrical elements, were analyzed. The analysis focused on descriptive statistics, application of probability distributions, quadrant analysis, and observation of flow images and vorticity vectors. To ensure the reliability of the results, validation of the numerical simulations for the smooth bed was performed based on experimental references available in the literature. The results showed that the friction velocity (𝑢∗) behaved differently at each analyzed point and for each bed. In locations where the flow was obstructed by rough elements, 𝑢∗ values were reduced, which was confirmed by the analysis of vorticity vectors, indicating zones of low shear and recirculation. On the other hand, higher values of 𝑢∗ were found in the frontal regions of the roughness elements and in the flow channeling areas. The comparison among different coverage rates showed that beds with a greater amount of non-erodible particles presented lower friction velocities, reducing wind erosion. Regarding the Probability Density Function analyses, the distribution that best fitted the friction velocity fluctuations was the Gamma distribution, with an average shape parameter of 2.14 and an average scale parameter of 0.068. These results can serve as a reference for the parameterization of emission models, contributing to the development of more effective strategies for controlling and mitigating atmospheric pollution
dc.description.resumoAs atividades industriais, embora fundamentais para a vida humana, contribuem significativamente para a poluição do ar. Entre essas atividades, destacam-se as siderúrgicas, que apresentam grandes áreas abertas, onde pilhas de estocagem de materiais granulares, como minério de ferro e carvão, estão expostas à ação dos ventos. Esse cenário favorece a erosão eólica, um fenômeno natural que promove a emissão de material particulado, comprometendo a qualidade do ar e representando riscos à saúde humana, incluindo doenças respiratórias e cardiovasculares. Para estimar esse tipo de emissão, o modelo da Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos (USEPA) é amplamente empregado. No entanto, esse modelo não considera a proporção de partículas não-erodíveis na composição dos materiais granulares, sendo esse fator responsável por um papel fundamental na turbulência do escoamento e na estimativa da emissão de partículas. Diante dessa limitação, este estudo investigou numericamente o desenvolvimento de estruturas turbulentas na presença de rugosidades, utilizando Dinâmica dos Fluidos Computacional e Simulações de Grandes Escalas (LES). Foram analisados três leitos infinitos, contendo diferentes quantidades de partículas não erodíveis, representado por elementos cilíndricos. A análise se concentrou em estatísticas descritivas, aplicação de distribuições probabilísticas, análise de quadrantes e observação de imagens do escoamento e vetores de vorticidade. Para garantir a confiabilidade dos resultados foi realizada a validação das simulações numéricas para o leito liso a partir de referências experimentais disponíveis na literatura. Os resultados mostraram que a velocidade de fricção (𝑢∗) se comportou de maneira distinta em cada ponto analisado e em cada leito. Em locais onde o escoamento estava impedido por elementos rugosos, os valores de 𝑢∗ foram reduzidos e isso se confirmou ao analisar os vetores de vorticidade, que indicaram zonas de baixo cisalhamento e recirculação. Em contrapartida, valores maiores de 𝑢∗ foram encontrados nas regiões frontais de rugosidades e nas áreas de canalização do escoamento. A comparação entre diferentes taxas de cobertura mostrou que leitos com maior quantidade de partículas não-erodíveis apresentaram menor velocidade de fricção, reduzindo a erosão eólica. Quantos às análises de Funções Densidade de probabilidade, a distribuição que melhor se ajustou às flutuações da velocidade de fricção foi a Gamma, com média de parâmetro de forma de 2,14 e média de parâmetro de escala de 0,068. Esses resultados podem servir como referência para a parametrização de modelos de emissão, contribuindo para o desenvolvimento de estratégias mais eficazes de controle e mitigação da poluição atmosférica
dc.description.sponsorshipFundação de Amparo à Pesquisa e Inovação do Espírito Santo (Fapes)
dc.formatText
dc.identifier.urihttp://repositorio.ufes.br/handle/10/19739
dc.languagepor
dc.language.isopt
dc.publisherUniversidade Federal do Espírito Santo
dc.publisher.countryBR
dc.publisher.courseMestrado em Engenharia Ambiental
dc.publisher.departmentCentro Tecnológico
dc.publisher.initialsUFES
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental
dc.rightsopen access
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
dc.subjectDinâmica dos fluidos computacional
dc.subjectErosão eólica
dc.subjectSimulações numéricas
dc.subjectPartículas não-erodíveis
dc.subjectTaxa de cobertura
dc.subjectVelocidade de fricção
dc.subjectWind erosion
dc.subjectNumerical simulations
dc.subjectNon-erodible particles
dc.subjectCoverage rate
dc.subjectFriction velocity
dc.subject.cnpqEngenharia Sanitária
dc.titleAnálise numérica do desenvolvimento de estruturas turbulentas em leitos de partículas e sua relação com eventos de emissão atmosférica
dc.typemasterThesis
foaf.mboxgeisiely.santo@edu.ufes.br
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