Medição de Fluxos em Ambientes Naturais Por Correlação de Vórtices Turbulentos

Universidade Paulista de Brasília

ERICKSON LUZ MONTEIRO

RA: B0256E-3

TU: EA8P30

Medição de Fluxos em ambientes naturais por

Correlação de Vórtices Turbulentos

A.2 – Resumo

O presente relatório visa descrever e explicar a medição de fluidos em

ambientes naturais, utilizando como método a Covariância de Vórtices

Turbulentos, assim como suas vantagens e desvantagens.

A.2.1 – Abstract

This report aims to describe and explain the measurement of fluids in

natural environments, using as a method to eddy covariance fluxes , as well as

their advantages and disadvantages .

A.3 – Índice

A.2 – Resumo 2

A.2.1 – Abstract 2

A.4 – Introdução 2

A.5 – Método 3

A.5.1 – Método da Covariância de Vórtices Turbulentos 3

A.5.2 – Anemômetro Sônico 3D 3

A.5.3 – Analisador de gás CO2/H2O 4

A.5.4 – Micro-logger 4

A.6 – Conclusão 4

A.4 – Introdução

Este trabalho abordará a medição de fluxos em ambientes naturais,

utilizando a Covariância de Vórtices Turbulentos ou Eddy Covariance. Esse

método propicia uma medida direta da troca líquida, ou seja, da quantidade

absorvida ou emitida de gás carbônico (CO2), vapor d’água e calor entre uma

superfície vegetada e a atmosfera. Baseia-se no princípio que o fluxo vertical

de uma grandeza (escalar ou vetorial) na camada superficial é proporcional à

covariância da velocidade vertical do vento e da concentração da grandeza.

A.5 – Método

A.5.1 – Método da Covariância de Vórtices Turbulentos

A técnica baseia-se na medição dos movimentos turbulentos da

atmosfera e dos constituintes que esses movimentos transportam, num

determinado ponto do espaço. Especificamente, para esta técnica deve-se

medir, ao longo do tempo, a componente vertical da velocidade do vento e a

concentração do escalar que se deseja obter o fluxo, tal como temperatura,

concentração de vapor de água, concentração de dióxido de carbono, e outros.

Para melhor interpretação dos fluxos medidos pelo MCVT, os fluxos

turbulentos medidos pelo método estão deduzidos matematicamente a seguir.

Assim, aplicou-se a equação do balanço integral de massa para uma

determinada grandeza extensiva, Mχ, que pode ser massa de CO2, massa de

CH4, massa de vapor de água, entre outras.

A equação do balanço integral de massa é:

onde é o vetor unitário normal a dS e U são as componentes u, v e w da

velocidade do vento.

O sistema para medição de MCVT deve ser composto de um

anemômetro sônico 3D, um analisador de gás CO2/H2O de ciclo aberto e um

sistema de aquisição, registro e processamento de dados (um

conversor/controlador analógico/digital e um computador portátil).

A.5.2 – Decomposição de Reynolds, equação de conservação de

momento e a equação de conservação escalar.

A descrição dos movimentos turbulentos nas seções seguintes requer

a decomposição da série temporal de cada variável em uma parte de tempo

significativo. Isto pode ser escrito conforme a equação à seguir:

Algumas forças podem atuar em parcelas de ar na camada limite

atmosférica, dentre elas arrasto, gradiente de pressão, forças de Coriolis,

forças viscosas e flutuabilidade. As três primeiras forças são consideradas

insignificantes. Flutuabilidade aparece apenas na equação para impulso

vertical. A componente horizontal do movimento paralelo significa que vento é

dominante na camada limite superficial e, portanto, o termo flutuabilidade não é

considerado. A equação que considera todas essas forças é escrita por:

A equação de conservação escalar indica que o termo fonte Sc é dada

pela soma da taxa de mudança da proporção de mistura s, advecção devido a

gradientes espaciais em s, e para divergências nos fluxos de Foucault.

Expandindo isso em termos de derivadas espaciais e assumindo densidade do

ar seco constante a equação é escrita por:

A.5.2