Acoplamento dinâmico de modelos hidrodinâmicos tridimensionais para lançamentos de efluentes via emissários submarinos ou subfluviais

Orientador: Prof. Dr. Ing. Tobias BleningerCoorientador: Prof. Dr. João Luiz Baptista de CarvalhoTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de ..., Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Recursos Hídricos e Ambiental. Defesa : Curitiba, 19/08/2016Inclui referências: p.202-207Resumo: Diferentes modelos têm sido utilizados para simular o comportamento no campo próximo e no campo afastado de jatos e plumas provenientes de emissários submersos devido aos processos de mistura ocorrerem em escalas espaciais e temporais bem distintas. De modo a considerar os efeitos do campo afastado no campo próximo o acoplamento passivo (não dinâmico e em uma direção) entre modelos hidrodinâmicos tem sido utilizado em trabalhos prévios. Mais recentemente, um acoplamento dinâmico utilizando o método de Abordagem Distribuída de Sumidouros por Arraste (DESA) foi proposto para considerar também os efeitos do campo próximo no campo afastado com o modelo CORMIX para o campo próximo e o Delft3D-FLOW para o campo afastado. Desta forma, o objetivo desta tese foi acoplar dinamicamente modelos tridimensionais para lançamentos de efluentes via emissários submersos e analisar as alterações hidrodinâmicas geradas por estes lançamentos quando submetidos a diferentes tipos de acoplamento (nulo, passivo e dinâmico). Estes acoplamentos foram implementados e aplicados em seis casos testes em regime permanente e dois em regime não permanente em um canal retangular de seção transversal constante. Os casos testes foram realizados considerando-se o lançamento de efluentes domésticos em água do mar variando- se a vazão do efluente e a velocidade do escoamento ambiente. Foram aplicados os critérios de estabilidade do campo próximo, quantidade de movimento do lançamento distribuída ao longo da profundidade e de Froude do ambiente para estabelecimento do tipo de acoplamento mais apropriado sendo fornecidos dados do ambiente e do difusor. Também foi analisado se as alterações hidrodinâmicas geradas pelos acoplamentos se refletem na dispersão dos efluentes simulada com abordagem Euleriana e Lagrangeana. Foram determinadas as velocidades induzidas pelo lançamento, as áreas com velocidades induzidas e para quantificar as alterações hidrodinâmicas foram calculadas as porcentagens das áreas com velocidade promediada na vertical induzida. Os resultados demonstram que os diferentes métodos de acoplamento geram distribuições de velocidade distintas especialmente na área adjacente ao campo próximo. A aplicação dos critérios aos casos testes não geraram resultados concordantes e a validação dos mesmos foi realizada confrontando-se com os resultados obtidos de porcentagens de áreas com velocidade induzida. O resultado do critério da quantidade de movimento do lançamento distribuída ao longo da profundidade associada ao critério de Froude do ambiente indicaram que o lançamento de efluentes com alta vazão principalmente em escoamentos com baixa velocidade ambiente causaram as maiores alterações hidrodinâmicas e estas se estenderam para regiões além do campo próximo, sendo mais apropriado nestes casos o uso do acoplamento dinâmico. As alterações hidrodinâmicas não apresentaram relação direta com a dispersão dos efluentes lançados. Palavras-chave: Jatos turbulentos. Efluentes domésticos. Águas de resfriamento. Campo próximo. Campo afastado. CORMIX. Delft3D-FLOW.Abstract: Different numerical models are used for the near and the far field of outfall discharges as the mixing processes occur in very different spatial and temporal scales. In order to account for the effects of the far field in the near field, the offline coupling method (non-dynamic and one way) has been applied in former studies. More recently, a dynamic and online coupling method had been proposed to also account for the effects of the near field in the far field using the Distributed Entrainment Sink Approach (DESA) method with CORMIX model for the near field and Delft3D-FLOW for the far field. In this way, the objective of this thesis was to couple dynamically tridimensional models for submerse effluent discharges and to analyse the hydrodynamic changes due to those discharges when different coupling methods (no coupling, offline coupling and dynamic coupling) were applied. These coupling methods were implemented and applied to six steady state case tests and two non-steady state case tests in a rectangular channel with constant cross-section. These tests have been made considering a submerged wastewater discharge into sea water, varying the discharge flow and the ambient velocity. An application of the near field stability and the distributed momentum criteria, also the ambient Froude number calculation were accomplished to the tests in order to determine the more appropriate coupling method being provided the ambient and the diffuser data. It was also verified if the hydrodynamic changes would cause modifications in the effluent dispersion when it was simulated with an Eulerian and a Lagrangian approach. It was determined the offline and the dynamic coupling induced velocities, the areas influenced by these velocities and the percentage of the areas with depth average induced velocities to quantify the hydrodynamic modifications. These results showed that different coupling methods had led to distinct results for all tests, especially in the near field region. The application of the criteria to the case tests did not give results in agreement to each other, so these results were compared to the percentage of the areas with depth average induced velocities. The resulting analysis of the distributed momentum criterion demonstrated that tests with large flow rates or into almost quiescent waters led to hydrodynamic changes beyond the near field and thus should use the dynamic coupling. The effluent dispersion showed no direct relation with the hydrodynamic changes. Keywords: Turbulent jets. Wastewater discharges. Thermal discharges. Near field. Far field. CORMIX. Delft3D-FLOW