Impacto das mudanças de rugosidade superficial nas interações floresta-atmosfera : uma abordagem de simulação de grandes escalas
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| Publication Date: | 2025 |
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| Source: | Repositório Institucional da UnB |
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Summary: | Tese (doutorado) — Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, Programa de Pós-Graduação em Ciências Mecânicas, 2025. |
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A precisão das simulações nessas regiões é essencial para compreender e prever efeitos ecológicos e climáticos, sendo fundamentais para o planejamento ambiental sustentável. Modelos atmosféricos tradicionais frequentemente falham em representar adequadamente os fluxos turbulentos e recirculações geradas nas zonas de transição floresta-clareira. Isso ocorre porque abordagens clássicas não conseguem capturar eventos turbulentos intermitentes, como varreduras e ejeções, fundamentais para o transporte vertical de quantidade de movimento. Além disso, permanecem incertezas sobre como os termos da equação de Navier-Stokes regulam essas trocas turbulentas, especialmente em relação aos gradientes de pressão e forças advectivas próximas às interfaces vegetativas. A tese utiliza Simulações de Grandes Escalas (LES), implementadas no software ANSYS Fluent com técnicas numéricas avançadas e refinamento da malha computacional nas regiões críticas do domínio. Essas simulações iniciam-se com campos médios obtidos por meio de simulações RANS pré-validadas com dados experimentais de referência. A floresta é modelada como uma fonte de arrasto adicionada às equações de balanço de quantidade de movimento, proporcionando uma representação realista do efeito vegetativo sobre o escoamento atmosférico. As simulações são analisadas usando perfis de velocidade e variáveis turbulentas, decomposição por quadrantes (Q-H) e análises condicionais para identificar estruturas coerentes e padrões de transporte específicos. Os resultados das simulações demonstram que a LES captura eficazmente a dinâmica do escoamento próximo às bordas do dossel, identificando fenômenos como jatos subdossel, desaceleração e aceleração do fluxo. A análise condicional revelou a importância dominante dos eventos turbulentos do tipo varredura e ejeção na transferência de quantidade de movimento. Entretanto, constatou-se que a LES apresenta dificuldades na representação da anisotropia da turbulência e do transporte de quantidade de movimento, subestimando tensões de Reynolds acima do dossel e superestimando variâncias. A análise dos termos das equações de Navier-Stokes indicou fortes gradientes nas regiões de transição, ressaltando a importância do gradiente de pressão e dos termos advectivos na reorganização do fluxo após mudanças abruptas de rugosidade. Este estudo fornece contribuições relevantes para o entendimento da dinâmica turbulenta nas regiões de transição floresta-clareira, especialmente quanto à extensão da influência da borda sobre o escoamento e ao papel decisivo das estruturas coerentes (varreduras e ejeções) no transporte turbulento vertical. Além disso, oferece uma metodologia numérica robusta para futuras investigações, com recomendações claras para aprimoramentos da modelagem LES, aplicação de técnicas avançadas como aprendizado de máquina, e integração com dados experimentais mais detalhados. Essas contribuições são importantes tanto para a ciência atmosférica quanto para o manejo ambiental, oferecendo subsídios concretos para estratégias eficazes de mitigação dos efeitos negativos da fragmentação florestal.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES).Forest-clearing transitions present significant challenges for atmospheric modeling due to the complexity of turbulent structures induced by abrupt changes in surface roughness. These interactions critically affect the microclimate, pollutant dispersion, and ecosystem management. Accurate simulations in these regions are essential for understanding and predicting ecological and climatic impacts, thereby supporting sustainable environmental planning. Traditional atmospheric models often fail to adequately represent turbulent fluxes and recirculations generated in forest-clearing transition zones. This limitation arises because classical approaches cannot capture intermittent turbulent events, such as sweeps and ejections, which are fundamental for vertical momentum transport. Additionally, uncertainties persist regarding how terms in the Navier-Stokes equations regulate these turbulent exchanges, particularly concerning pressure gradients and advective forces near vegetative interfaces. This thesis employs Large Eddy Simulations (LES), implemented in ANSYS Fluent with advanced numerical techniques and mesh refinement in critical domain regions. These simulations are initiated from mean flow fields obtained through RANS simulations pre-validated with experimental reference data. The forest is modeled as a drag source added to the momentum balance equations, realistically representing vegetation effects on atmospheric flow. Simulations are analyzed through velocity profiles, turbulent variables, quadrant decomposition (Q-H), and conditional analyses to identify coherent structures and specific transport patterns. Results demonstrate that LES effectively captures flow dynamics near canopy edges, identifying phenomena such as sub-canopy jets, flow deceleration, and acceleration. Conditional analysis highlighted the dominant role of sweep and ejection turbulent events in vertical momentum transport. However, it was found that LES struggles to represent turbulence anisotropy and momentum transport, underestimating Reynolds stresses above the canopy while overestimating variances. Analysis of the Navier-Stokes terms revealed strong gradients in transition regions, emphasizing the importance of pressure gradients and advective terms in reorganizing the flow following abrupt roughness changes. This study provides relevant contributions to the understanding of turbulent dynamics in forest-clearing transition regions, particularly regarding the extent of edge influence on flow and the decisive role of coherent structures (sweeps and ejections) in vertical turbulent transport. Additionally, it offers a robust numerical methodology for future investigations, with clear recommendations for LES modeling improvements, application of advanced techniques such as machine learning, and integration with detailed experimental data. These contributions are significant for atmospheric science and environmental management, providing concrete support for effective strategies to mitigate the negative impacts of forest fragmentation.Faculdade de Tecnologia (FT)Departamento de Engenharia Mecânica (FT ENM)Programa de Pós-Graduação em Ciências MecânicasporA concessão da licença deste item refere-se ao termo de autorização impresso assinado pelo autor com as seguintes condições: Na qualidade de titular dos direitos de autor da publicação, autorizo a Universidade de Brasília e o IBICT a disponibilizar por meio dos sites www.unb.br, www.ibict.br, www.ndltd.org sem ressarcimento dos direitos autorais, de acordo com a Lei nº 9610/98, o texto integral da obra supracitada, conforme permissões assinaladas, para fins de leitura, impressão e/ou download, a título de divulgação da produção científica brasileira, a partir desta data.info:eu-repo/semantics/openAccessImpacto das mudanças de rugosidade superficial nas interações floresta-atmosfera : uma abordagem de simulação de grandes escalasImpact of surface roughness changes on forestatmosphere interactions : a large eddy simulation approachinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisEscoamento atmosféricoTurbulênciaRugosidade superficialSimulação de grandes escalasreponame:Repositório Institucional da UnBinstname:Universidade de Brasília (UnB)instacron:UNBORIGINALLuisAramisDosReisPinheiro_TESE.pdfapplication/pdf10610094http://repositorio.unb.br/bitstream/10482/53224/1/LuisAramisDosReisPinheiro_TESE.pdfbda4c974f35ff22bf814ae82d4dd9f0dMD51open access10482/532242025-11-24 15:36:58.412open accessoai:repositorio.unb.br:10482/53224Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.unb.br/oai/requestrepositorio@unb.bropendoar:2025-11-24T18:36:58Repositório Institucional da UnB - Universidade de Brasília (UnB) |
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