aula dispersão de poluentes parte I

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DISPERSÃO DE POLUENTES
PARTE I
prof Jailton Dias Nogueira Jr, Dr
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Os Fenômenos de Transporte na Engenharia
Engenharias Sanitária e Ambiental
Estudos da difusão de poluentes no ar, na água e no solo
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Passando para uma linguagem científica:
 A diferença fundamental entre sólido e fluido está relacionada com a estrutura molecular:
Sólido: as moléculas sofrem forte força de atração (estão muito próximas umas das outras) e é isto que garante que o sólido tem um formato próprio;
Fluido: apresenta as moléculas com um certo grau de liberdade de movimento (força de atração pequena) e não apresentam um formato próprio. 
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Fluidos:Líquidos e Gases
Líquidos:
 - Assumem a forma dos recipientes que os contém;
Apresentam um volume próprio (constante);
Podem apresentar uma superfície livre;
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Gases e vapores:
-apresentam forças de atração intermoleculares desprezíveis;
não apresentam nem um formato próprio e nem um volume próprio;
ocupam todo o volume do recipiente que os contém.
Fluidos:Líquidos e Gases
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Teoria Cinética Molecular
“Qualquer substância pode apresentar-se sob qualquer dos três estados físicos fundamentais, dependendo das condições ambientais em que se encontrarem”
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Estados Físicos da Matéria 
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Dinâmica da atmosfera
Estabilidade da atmosfera
Camada limite atmosférica
Comportamento dos penachos na atmosfera
Modelização da dispersão
DISPERSÃO DE POLUENTES NA ATMOSFERA
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PRINCIPAIS TIPOS DE PENACHOS
Descrição qualitativa dos penachos lançados pelas chaminés, para permitir a familiarização com as suas características visuais e físicas
os penachos visíveis ainda vão durar longo tempo e podem fornecer informações:
quanto aos efeitos do terreno circundante
quanto às condições de estabilidade
Comportamento do penacho em função do gradiente vertical da temperatura
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ASPECTOS QUALITATIVOS DA ASCENSÃO DO PENACHO
 flutuação
 quantidade de movimento.
Um penacho típico é mais quente que o ar ambiente e, portanto, tenderá a subir
Características iniciais do efluente: temperatura do efluente,
 velocidade de saída, etc.
Influenciam:
 “penachos flutuantes”
 “jactos”
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Penacho em atmosfera calma e estável. A turbulência provoca a entrada de ar, podendo estagnar o seu transporte.
Influência do vento cruzado. A interacção entre o penacho vertical, o escoamento horizontal e o aumento da turbulência atmosférica obriga o penacho a dobrar e limita a sua ascensão.
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O efluente ao sair da chaminé encontra um vento cruzado suficientemente forte que o obriga a dobrar.
FASE INICIAL OU DE JACTO: a quantidade de movimento vertical é quase na totalidade convertida em quantidade de movimento horizontal.
DESENVOLVIMENTO QUALITATIVO DO PENACHO
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Representação esquemática da ascensão de um penacho
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“LOOPING” (FORTE INSTABILIDADE)
 Observa-se em dias de sol brilhante quando existe um elevado grau de mistura vertical. Estações com céu limpo e forte insolação.
 O penacho dispersa rapidamente; as concentrações são uma sucessão de “puffs” intermitentes.
Condições micrometeorológicas:
Altamente instável.
Vento fraco e sol brilhante.
Elevado grau de turbulência
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“CONING” (QUASE NEUTRALIDADE):
 Observa-se em dias nublados com vento fraco e quando as correntes térmicas não são fortes. O penacho tem a forma de um cone.
 O penacho dispersa de um modo bastante regular, apresentando maior variabilidade entre as concentrações mais altas e mais baixas.
Condições micrometeorológicas:
Estabilidade ligeiramente instável ou neutra (indiferente).
2. 	Velocidade moderada do vento.
3.	Situações em que os modelos dão resultados mais próximos dos valores medidos.
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“FANNING” (INVERSÃO DE SUPERFÍCIE):
 Observa-se ao amanhecer, em áreas rurais, quando ocorre uma inversão de radiação, isto é, o gradiente vertical de temperatura é positivo. A dispersão vertical está minimizada.
 A dispersão horizontal também pode ser pequena, variando de um penacho tipo “fita” que se estende por vários quilómetros, a um penacho que serpenteia, conforme varia a direcção do vento.
 A previsão das concentrações ao solo é muito difícil.
Condições micrometeorológicas:
Inversão de radiação com ventos fracos.
Condições muito estáveis.
Supressão da dispersão vertical.
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“FUMIGATION” 
(INVERSÃO ACIMA DA CHAMINÉ):
 Observa-se durante a manhã conforme a inversão de radiação se desfaz. É normalmente precedida por condições de “faning”.
 A “fumigation” causada pela destruição de uma inversão de superfície normalmente não dura mais do que um período da ordem dos 30 minutos. Mas, se forem as brisas marítimas a causar este problema pode durar várias horas.
 Normalmente, origina elevadas concentrações ao solo.
Condições micrometeorológicas:
Transição de condições estáveis para instáveis.
2. 	Boa mistura na zona inferior, má mistura por cima.
3.	Céu limpo e vento fraco.
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“LOFTING” 
(INVERSÃO DE SUPERFÍCIE ABAIXO DA CHAMINÉ):
 Observa-se ao fim da tarde e início da noite. Pode ser substituída pelo “fanning” consoante a inversão de radiação cresce em altura.
 Ocorre quando existe uma inversão apenas por baixo do penacho não existindo mistura na parte inferior, enquanto o penacho continua a dispersar lateralmente e para cima.
Condições micrometeorológicas:
Boa mistura na parte superior, má mistura por baixo.
2. Condições estáveis junto ao solo, instáveis por cima.
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Efeito de obstáculos na dispersão do penacho
Chaminé localizada a montante do edifício
Chaminé situada sobre um edifício
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Para tentar obviar a estas situações:
Chaminé localizada no terminus da cavidade do escoamento a jusante:
hs > 2,5hb
hs  altura da chaminé
hb  altura do edifício 
Efeito de obstáculos na dispersão do penacho
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Conceito
Jusante - é o lado de uma corrente contrário ao da nascente e para onde correm as águas, ou seja maré vazante ou baixa-mar,(a jusante para o lado da foz).
Montante é aquilo que sobe ou se eleva. Em engenharia é uma peça linear vertical de uma estrutura reticulada.
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Valley location (“Wind cross axis”)
 Comportamento do penacho junto a irregularidades
 naturais do terreno 
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COMPORTAMENTO DO PENACHO EM FUNÇÃO DOS PARÂMETROS INICIAIS DA FONTE
Pequena velocidade vertical de saída  possível “downwash” do penacho, isto é, a descida brusca do penacho junto à chaminé quase até ao solo (como que escorregando junto à parede), efeito este provocado pela própria chaminé.
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A razão entre a velocidade de saída do efluente Vs e a velocidade do vento U para evitar o downwash  Vs/U > 1,5 Mas, os custos de elevar a velocidade Vs são grandes. 
Os efluentes podem ser bastante quentes quando comparados com a atmosfera. A força ascensional resultante da menor massa volúmica do efluente permite que o penacho se eleve muito acima da chaminé. 
número de Froude 
(permite medir a força ascencional):
Ts  temperatura do efluente
d  diâmetro da chaminé 
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Dinâmica da atmosfera
Estabilidade da atmosfera
Camada limite atmosférica
Comportamento dos penachos na atmosfera
Modelização da dispersão de poluentes
DISPERSÃO DE POLUENTES NA ATMOSFERA
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Estuda-se a fase da dispersão: fase durante a qual a transferência de massa é comandada pelas propriedades dispersivas da atmosfera vizinha. Estão ligadas à estrutura da turbulência do escoamento na camada limite atmosférica.
Os modelos numéricos permitem caracterizar a Qualidade do Ar para os poluentes diferentes, incluindo os poluentes secundários (não emitidos directamente, mas formados na atmosfera)
Objectivo: quantificação das concentrações 
		(variação espacial, variação temporal)
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Modelo de 
dispersão
Condições 
iniciais
“Background”
Meteorologia
Emissões
 Estrutura dos modelos da dispersão
Entradas
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Simulação Física de um Penacho
Modelo “puff” de poluente emitido como uma fonte pontual. Os pequenos turbilhõesprovocam a diluição e expansão do puff em redor da linha central. Os grandes turbilhões envolvem os puffs e transportam-nos na direcção do vento. Juntando uma infinidade de puffs consegue-se formar um lançamento contínuo.
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Características do escoamento atmosférico:
velocidade do vento
características da turbulência
VELOCIDADE DO VENTO:
Diluição por acção directa do vento
A velocidade do vento actua directamente reduzindo a concentração, logo que o efluente sai da chaminé ao provocar a separação entre as partículas de gás.
	Quando um contaminante é emitido a uma taxa uniforme, o escoamento do vento tende a reduzir a sua concentração imediatamente e por acção directa. 
Se a velocidade do vento duplicar deverá também aumentar o espaçamento entre partículas de um factor 2, se outros parâmetros permanecerem constantes.
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Turbulência do vento:
Campo de turbilhões pequenos
Campo de turbilhões grandes
Campo de turbilhões variados
 Actua provocando a mistura do poluente com o ar vizinho
O penacho aumentará de largura pelos movimentos de pequena escala (turbilhões pequenos e uniformes).
O penacho dispersa-se num campo hipotético de movimentos turbulentos de grande escala, o penacho pouco cresce, mas serpenteia.
O penacho num campo de turbulência composta de movimentos de grande variedade de dimensões, mistura-se rapidamente com a atmosfera vizinha dispersando-se, isto é, aumentando gradualmente em largura e serpenteando conforme se move na direcção do vento.
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Altura efectiva da chaminé
Para simplificar o tratamento da dispersão, é conveniente impôr que esta começa a uma altura fictícia acima da fonte real, em vez de subir e dispersar simultaneamente 
 “altura efectiva da chaminé”:
h = hs + h
hs: altura da chaminé
h: sobre-elevação
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Cálculo da sobre-elevação (h ):
Dificuldades em obter h com precisão, associadas às deficientes medições do vento ou o gradiente de temperatura da atmosfera), tornaram praticamente impossível a comparação de valores do h medido em diferentes estudos.
Os estudos teóricos ou semi-teóricos do h conduzem a leis que não apresentam interesse prático, porque os fenómenos são descritos de uma maneira demasiado incompleta. Normalmente, usam-se fórmulas empíricas. 
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PENACHOS FLUTUANTES
Sobre-elevação h:
Lei de potência com um único termo
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Concentração média de uma fonte contínua
A concentração tem uma distribuição Gaussiana e o campo de turbulência é homogéneo mas não isotrópico (coeficientes de difusividade turbulenta representadas pelos desvios padrões x, y, z não são iguais).
 A concentração média de um “puff” instantâneo é:
eixo do 
penacho
h
hs
h
Altura efectiva de chaminé
y
concentrações
Intersecção com o solo
Parte virtual do penacho
x
z
Velocidade 
do vento U
eixo real 
do penacho
2,15 σy
2,15 σz
σz
0,1 
C max (x)
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σy  desvio padrão do penacho em dispersão na direcção transversal
σz  desvio padrão do penacho em dispersão na direcção vertical
são funções de x e das condições meteorológicas. É principalmente devido a estes parâmetros que o uso do modelo Gaussiano mantém flexibilidade.
COEFICIENTES DE DISPERSÃO
σy = a xp
 σz = b xq
Representação analítica:
Coeficientes a,p,b,q tabela
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Coeficiente de dispersão horizontal em função da distância a jusante da fonte
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Coeficiente de dispersão vertical em função da distância a jusante da fonte
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Problema da Fonte Virtual
O penacho de uma fonte pode interceptar o solo, sendo necessário tomar em linha de conta esta barreira física para o escoamento.
	 Supõe-se que não há deposição ao solo ou absorção.
O problema tem sido resolvido usando a técnica da fonte virtual.
Supõe-se que uma fonte idêntica virtual está localizada simetricamente à fonte real em relação ao solo. Como não há deposição ou absorção, a poluição será aumentada por uma quantidade correspondente à fonte virtual. A equação resultante é:
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(z – h)
(z + h)
Fonte real
Fonte virtual
Superfície (z = 0)
Problema da Fonte Virtual
h