Modelagem numérica de um sistema de ventos severos (DOWNBURSTS)

Abstract

As tempestades severas causam muitos acidentes envolvendo atividades aeronáuticas e obras civis pelo mundo. Ultimamente, associados aos fenômenos climáticos catastróficos, foram descobertos os downbursts, os quais geram as tão temidas tesouras-de-vento. Estes sistemas de ventos repentinos se constituem em grandes ameaças para operações aeronáuticas e linhas de transmissão de energia elétrica, além das demais obras civis e tráfego de veículos.

Os downbursts consistem basicamente num fluxo de ar que desce verticalmente na direção do solo até impactá-lo. Logo após esta colisão, ocorre um espalhamento radial, quando a massa de ar perde energia e se dissipa, gerando vórtices e as tesouras-de-vento. Os downbursts são divididos em macrobursts e microbursts, dependendo da escala dos ventos gerados.

O estudo dos downbursts ocorre através de três abordagens: meteorológicas, observacionistas e fluido-dinâmicas, sendo que, para a engenharia civil, onde o intuito é determinar características dos carregamentos decorrentes, dois modelos se destacam na literatura: o modelo de Holmes & Oliver e o modelo de Zhu & Etkin.

Este trabalho fez uma análise simultânea destes dois modelos comentados, visando o aproveitamento das características mais importantes de ambos. Posteriormente, buscou-se na mecânica dos fluidos, uma teoria representativa dos ventos gerados por downbursts clássicos. Estudou-se os escoamentos potenciais e buscou-se representar o fenômeno físico através de escoamentos potenciais mais simples, no caso, as fontes. Duas fontes foram dispostas frontalmente, embasando-se na teoria das imagens, e o escoamento obtido foi correlacionado com o fluxo dos escoamentos dos modelos numéricos existentes. Foi também investigada a dissipação do fenômeno bem como a influência da velocidade translacional no campo de velocidades gerado.

Ao final do trabalho foi apresentada a possibilidade de se utilizar o modelo potencial das fontes (teoria das imagens) para os fins da engenharia civil. As velocidades de fluxo foram então obtidas em qualquer posição no campo aerodinâmico de interesse, ao longo do tempo. A modelagem proposta pôde considerar a dissipação e o deslocamento da célula com a velocidade translacional e, finalmente, simular a rugosidade do terreno através da locação de fontes de pequena intensidade, dispostas regularmente no plano de simetria, definido pela aplicação da teoria das imagens.

O modelo potencial proposto através da teoria das imagens incorpora as características dos modelos de Holmes & Oliver e de Zhu & Etkin, possibilitando facilmente a implementação de novas características, além de apresentar uma enorme simplicidade para aplicações em projetos de obras civis.