Análise experimental do escoamento no interior de um túnel de vento portátil utilizado para estimativa de emissões de gases odorantes a partir de superfícies líquidas passivas
| dc.contributor.advisor-co1 | Paula, Igor Braga de | |
| dc.contributor.advisor-co1ID | https://orcid.org/0000-0002-1149-0784 | |
| dc.contributor.advisor-co1Lattes | http://lattes.cnpq.br/1814779476910411 | |
| dc.contributor.advisor1 | Santos, Jane Méri | |
| dc.contributor.advisor1ID | https://orcid.org/0000-0003-3933-2849 | |
| dc.contributor.advisor1Lattes | http://lattes.cnpq.br/0120226021957540 | |
| dc.contributor.author | Lima, Pâmela Rossoni | |
| dc.contributor.authorID | https://orcid.org/0000-0002-4538-9297 | |
| dc.contributor.authorLattes | http://lattes.cnpq.br/5148878822357015 | |
| dc.contributor.referee1 | Reis Junior, Neyval Costa | |
| dc.contributor.referee1ID | https://orcid.org/0000-0002-6159-4063 | |
| dc.contributor.referee1Lattes | http://lattes.cnpq.br/4944106074149720 | |
| dc.contributor.referee2 | Furieri, Bruno | |
| dc.contributor.referee2ID | https://orcid.org/0000-0002-9736-0250 | |
| dc.contributor.referee2Lattes | http://lattes.cnpq.br/6585455298349085 | |
| dc.contributor.referee3 | Martins, Fábio Jessen Werneck de Almeida | |
| dc.contributor.referee3ID | https://orcid.org/0000-0002-5841-4228 | |
| dc.contributor.referee3Lattes | http://lattes.cnpq.br/8935935661464997 | |
| dc.contributor.referee4 | Moreira, Davidson Martins | |
| dc.contributor.referee4ID | https://orcid.org/0000-0002-0902-5218 | |
| dc.contributor.referee4Lattes | http://lattes.cnpq.br/2331953711858907 | |
| dc.date.accessioned | 2025-12-04T18:23:57Z | |
| dc.date.available | 2025-12-04T18:23:57Z | |
| dc.date.issued | 2025-10-31 | |
| dc.description.abstract | Wastewater treatment plants (WWTPs) are significant sources of odorous gases in urban areas, potentially affecting the well-being and quality of life of nearby populations. Estimating emissions of these gases is a key step in developing control strategies and assessing their environmental impact. Stabilization ponds and primary and secondary settling tanks, characterized by passive liquid surfaces, are among the main emission sources in WWTPs. The Portable Wind Tunnel (PWT) is a device designed to enclose the liquid surface and directly measure emissions from passive liquid surfaces exposed to the atmosphere, as it has the potential to reproduce atmospheric flow conditions over the surface. However, the literature on the physical understanding of the flow within the PWT and the mass transfer phenomena occurring inside the apparatus remains limited. The friction velocity (𝑢∗) at the surface inside the device is a key parameter to ensure that the emission rate measured by the PWT is comparable to that from an open passive liquid surface under atmospheric flow conditions. Therefore, the aim of this study was to investigate the flow characteristics within a portable wind tunnel, evaluating its ability to reproduce representative aerodynamic conditions and its influence on mass transfer over liquid surfaces under turbulent flow. The specific objectives included analyzing the velocity fields inside the device, identifying the flow regime and the need for flow conditioners, and evaluating the influence of operating flow rate on the surface friction velocity through boundary layer analysis within the PWT. To achieve these goals, laboratory experiments were conducted to measure the velocity field inside the PWT using Particle Image Velocimetry (PIV). The results revealed an initially non-uniform flow pattern with extensive recirculation, which was mitigated by installing flow conditioners. At low velocities, the flow was laminar. Increasing the flow rate in the test section resulted in a fully developed turbulent flow analogous to that over a flat plate, allowing the development of a mathematical model to estimate friction velocity under the tested operating conditions. The 𝑢∗ values obtained in the PWT were compared with estimates from an empirical model for passive liquid surfaces in WWTPs. It was observed that, within specific ranges, the PWT is capable of reproducing 𝑢∗ values similar to those found in real wastewater treatment plant scenarios, reaching a maximum compatibility of 23%. Since most values estimated by the empirical model were below the experimental range achieved in the PWT, adjustments allowing operation at lower friction velocities under turbulent flow could significantly improve representativeness, reaching up to 90% compatibility in certain cases. Although the PWT showed partial compatibility with the typical 𝑢∗ values observed in WWTPs, some experimental limitations must be considered. The friction velocities observed in the device were associated with a rigid, smooth surface, unlike the deformable liquid surfaces typical of real WWTP conditions. Moreover, although wave formation was not observed in the wave verification test conducted in a water tank, literature suggests that wave development would be expected for the tested 𝑢∗ range. This discrepancy may be attributed to the short length of the PWT and the influence of sidewalls. Additionally, based on the 𝑢∗ values estimated by the empirical model, a sensitivity analysis was performed using the main models commonly applied to estimate emissions in WWTPs, considering odorous compounds with distinct volatilization patterns. It was found that neglecting the surrounding roughness can lead to significant overestimations of the global mass transfer coefficient (𝐾𝐿), reaching up to 40% for compounds dominated by the liquid phase and up to 33% for those dominated by the gas phase or both. These findings underscore the importance of adequately accounting for aerodynamic surface roughness in emission assessments of WWTPs. | |
| dc.description.resumo | Estações de tratamento de esgoto (ETE) são fontes significativas de gases odorantes em regiões urbanas que podem afetar o bem-estar e qualidade de vida das populações vizinhas. A estimativa das emissões desses gases consiste em etapa fundamental para estabelecer estratégias de controle e para estimar o impacto causado. Lagoas de estabilização e tanques de decantação primário e secundário são exemplos de unidades de processo que possuem superfícies líquidas passivas e que constituem principais fontes de gases odorantes em ETEs. O Túnel de Vento Portátil (PWT) é um aparato enclausurante da superfície utilizado para medir diretamente as emissões em superfícies líquidas passivas expostas à atmosfera, pois tem o potencial de reproduzir as condições de escoamento atmosférico sobre a superfície. Entretanto, a literatura acerca da compreensão física do escoamento do dispositivo bem como o entendimento dos fenômenos de transferência de massa que ocorrem em seu interior ainda é escassa. A velocidade de fricção (𝑢∗) na superfície no interior do aparato é um dos parâmetros importantes para assegurar que a taxa de emissão medida pelo dispositivo seja comparável àquela emitida por uma superfície líquida passiva exposta ao escoamento atmosférico. Assim, o objetivo deste trabalho consiste em investigar as características do escoamento em um túnel de vento portátil, analisando sua capacidade de reproduzir condições aerodinâmicas representativas e sua influência na transferência de massa em superfícies líquidas expostas ao escoamento atmosférico turbulento. Para atingir o objetivo proposto, foram realizados experimentos em laboratório para mensurar o campo de velocidades no interior do PWT empregando a técnica de Velocimetria por Imagens de Partículas (PIV). Os resultados destacaram que para as baixas velocidades normalmente utilizadas nos PWT apresentados na literatura, o escoamento tornou-se laminar. Os esforços para aumentar a velocidade na seção de teste, através do aumento da vazão, resultaram em um escoamento turbulento e possibilitaram a formulação de um modelo matemático para estimar a velocidade de fricção nas condições operacionais de forma análoga ao escoamento sobre uma placa plana. Os valores de 𝑢∗ obtidos no PWT foram comparados a estimativas de um modelo empírico para superfícies líquidas passivas em ETEs. Verificou-se que, em faixas específicas, o PWT consegue reproduzir valores de 𝑢∗ próximos aos encontrados em cenários reais de ETEs, atingindo compatibilidade máxima de 23%. No entanto, como a maioria dos valores estimados pelo modelo empírico estão abaixo da faixa experimental alcançada, ajustes no PWT para operar com menores velocidades de fricção sob regime turbulento poderiam ampliar significativamente essa representatividade, atingindo até 90% de compatibilidade em alguns casos. Embora o equipamento tenha apresentado compatibilidade parcial com os valores de 𝑢∗ observados em ETEs, limitações experimentais devem ser consideradas. Os valores de 𝑢∗ característicos do dispositivo referem-se a uma superfície rígida e lisa, o que difere das condições reais de superfícies líquidas deformáveis, típicas de ETEs. Além disso, embora o teste de verificação de ondas, conduzido em um tanque com água, tenha apresentado resultado negativo, a literatura indica que, para as faixas de velocidade de fricção testadas, seria esperado o desenvolvimento de ondas. Essa divergência pode estar associada ao comprimento insuficiente do PWT e a influência das paredes laterais. Paralelamente, com base nos valores de 𝑢∗ estimados pelo modelo empírico, foi realizada uma análise de sensibilidade envolvendo os principais modelos utilizados na estimativa de emissões em ETEs, considerando compostos odorantes com distintos padrões de volatilização. Observou-se que a negligência da rugosidade circundante pode levar a superestimações significativas dos coeficientes globais de transferência de massa (𝐾𝐿), atingindo até 40% para compostos dominados pela fase líquida e até 33% para aqueles dominados pela fase gasosa ou por ambas. Esses resultados reforçam a importância de se considerar adequadamente as características aerodinâmicas do entorno em avaliações de emissões atmosféricas em ETEs. | |
| dc.description.sponsorship | Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) | |
| dc.format | Text | |
| dc.identifier.uri | http://repositorio.ufes.br/handle/10/20667 | |
| dc.language | por | |
| dc.publisher | Universidade Federal do Espírito Santo | |
| dc.publisher.country | BR | |
| dc.publisher.course | Doutorado em Engenharia Ambiental | |
| dc.publisher.department | Centro Tecnológico | |
| dc.publisher.initials | UFES | |
| dc.publisher.program | Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental | |
| dc.rights | open access | |
| dc.subject | Túnel de vento portátil | |
| dc.subject | Velocimetria por imagens de partículas | |
| dc.subject | Superfície líquida passiva | |
| dc.subject | Velocidade de fricção | |
| dc.subject | Coeficiente de transferência de massa | |
| dc.subject.cnpq | Engenharia Sanitária | |
| dc.title | Análise experimental do escoamento no interior de um túnel de vento portátil utilizado para estimativa de emissões de gases odorantes a partir de superfícies líquidas passivas | |
| dc.type | doctoralThesis |