Estudo numérico do efeito do vento e da vegetação no escoamento de correntes de densidade

Abstract

Nas zonas de transição de lagos pouco profundos para zonas húmidas registam-se frequentemente variações significativas de temperatura, diferenças na salinidade das águas e/ou a existência de sedimentos em deposição. Estas variações induzem diferenças na massa volúmica da água que podem originar correntes de densidade. No entanto, esta estrutura e as propriedades físicas que caracterizam a corrente podem alterar-se caso existam condicionantes externos como é o caso do vento e da vegetação. Assim, o principal foco desta dissertação é definir uma metodologia de análise, utili zando o modelo de turbulência LES para estudar os efeitos do vento e da vegetação na propagação de correntes de densidade. Os objetivos específicos são: (1) estudar a evolução da posição e velocidade da frente da corrente; (2) analisar o impacto do vento e do seu sentido na propagação da corrente; (3) caracterizar a influência da vegetação, quer em termos globais como em termos locais. Na primeira parte deste estudo, analisa-se a sensibilidade da malha utilizada na simulação numérica e verifica-se a capacidade do modelo numérico com recurso aos resultados experimentais de Hacker (1996). Faz-se ainda uma comparação entre resultados obtidos com e sem superfície livre, donde se conclui que a sua presença induz uma maior mistura entre fluidos e flutuações do valor da velocidade da frente da corrente. Em seguida, estuda-se os efeitos do vento, da sua intensidade e sentido na propagação da corrente de densidade em 2D. Observou-se que quando o vento circula no mesmo sentido da corrente e quanto maior a sua intensidade, menor a velocidade da corrente. Com o vento no sentido oposto, a velocidade da corrente aumenta com o aumento da velocidade do vento. Na parte final, analisou-se o comportamento da corrente quando exposta a pouca densidade de vegetação, representada na simulação 3D por um único cilindro centrado com o canal. Com uma fração volúmica de 0,2%, constatou-se que o cilindro tem influência essencialmente a nível local (próximo do cilindro).

In transition zones from shallow lakes to wetlands or large water bodies, there are often significant variations in temperature, differences in water salinity and/or the existence of deposited sediments. These variations induce differences in the density of the water that can cause density currents. However, this structure and its physical properties can change if external conditions exist, such as wind and vegetation. Therefore the main focus of this dissertation is to create an analysis methodology, using the LES turbulence model to study the effects of wind and vegetation on the propagation of density currents. The specific objectives are: (1) to study the evolution of the current front speed, when wind and vegetation are involved; (2) to analyze the impact of the wind and its direction on the propagation of the current; (3) to characterize the influence of vegetation, both globally and locally. In the first part of this study, the sensitivity of the used mesh in the numerical simulation is analyzed and the capacity of the numerical model is verified using the experimental results of Hacker (1996). A comparison is made between results obtained with and without the use of a free surface, concluding that its presence induces a greater mixture between fluids and fluctuations in the speed of the front of the current, proving the need to study the effects of the wind. Afterwards, the effects of the wind, of its intensity and direction on the propagation of the density current in 2D are studied. It was observed that when the wind runs in the same direction as the current and the greater its intensity, the lower the front speed of the current. With the wind in the opposite direction, the current front speed increases with increasing wind speed. In the final part, we analyzed the behaviour of the current when exposed to low vegetation density, represented in the 3D simulation by a single cylinder centered with the channel. With a volume fraction of 0.2%, it was found that the impacts of the cylinder were only relevant at a local level (near de cylinder).