Modelagem da vegetação aquática em estudos de dinâmica dos fluidos computacional / Modeling aquatic vegetation in computational fluid dynamics studies

RESUMO O objetivo deste trabalho foi apresentar, por meio da técnica dinâmica dos fluidos computacional (CFD), dois métodos utilizados nas representações conceitual e física da vegetação em meio aquático: meio poroso e elementos geométricos simplificados. Três estudos de caso, que incluem um wetland flutuante e manchas de vegetação, exemplificam a aplicação dos métodos, mostrando suas vantagens e desvantagens. Nas etapas da geometria e da malha, a representação da vegetação como meio poroso é mais simples, prática e rápida do que a da vegetação como elementos geométricos simplificados. Porém, na parte da modelagem das equações, o método do meio poroso não consegue capturar os processos de mistura no interior da vegetação, enquanto o método dos elementos geométricos simplificados consegue.

ABSTRACT The goal of this work was to present, through computation fluid dynamics (CFD), two methods used in the conceptual and physical representation of vegetation in aquatic environments: the porous media approach and the simplified geometric elements. Three case studies, including a floating wetland and patches of vegetation, exemplify how the methods are applied, showing their advantages and disadvantages. At the geometry and meshing stage, the porous media approach shows to be simpler, faster, and more practical than the simplified geometric elements. However, in the equation modeling, the porous media approach is not able to capture the mixing processes inside the vegetation, while the simplified geometric elements method can capture those processes.

Aperfeiçoamento de modelo de estimativa da eficiência de remoção de turbidez da água em floculadores tubulares helicoidais / Model improvement for estimating of water turbidity removal efficiency in helical tubular flocculators

RESUMO Estudos científicos têm demonstrado que os floculadores tubulares helicoidais (FTHs) têm alta eficiência na formação de flocos e baixo tempo de retenção hidráulica, quando comparados aos floculadores comumente usados em tratamento de água e esgoto. No entanto, sua aplicação prática é limitada, pois ainda existe demanda significativa por avanços na compreensão da relação entre a hidrodinâmica da unidade e o processo de floculação, bem como critérios e metodologias para auxiliar em projeto racionais de FTH. Nesse contexto, este estudo teve por objetivo propor um aperfeiçoamento no modelo de estimativa de eficiência de remoção de turbidez apresentado por Oliveira (2014), o qual leva em conta um conjunto de parâmetros geométricos, hidráulicos e hidrodinâmicos relevantes ao processo de floculação nesse tipo de reator, pela incorporação de um dos parâmetros mais representativos de processos de floculação, o gradiente de pressão normal (GPp), como uma de suas variáveis independentes. O desenvolvimento do trabalho empregou dinâmica dos fluidos computacional (CFD) no estudo de 84 configurações de FTH, contemplando regimes de escoamento laminar e turbulento. Como resultado, chegou-se a uma nova versão de modelo de estimativa da eficiência de remoção de turbidez da água que, em relação à versão original: tem menor número de variáveis independentes; apresenta melhor ajuste aos dados experimentais; e é mais simples do ponto de vista operacional.

ABSTRACT Scientific studies have been demonstrating that helical tubular flocculators (HTFs) have high efficiency in floc formation and low hydraulic retention time when compared to flocculators commonly used in water and wastewater treatment. However, its practical application is still limited because there is still a significant demand for advances in the understanding of the relationship between the hydrodynamics of the unit and the flocculation process, as well as for criteria and methodologies in support to the rational design of HTF. In this context, the objective of this study was to propose an improvement in the model of turbidity removal efficiency developed by Oliveira (2014), which takes into account a set of geometric, hydraulic and hydrodynamic parameters relevant to the flocculation process in this type of reactor, by incorporating one of the most representative parameters of flocculation processes, the normal pressure gradient, as one of its independent variables. The development of the work employs computational fluid dynamics (CFD) in the study of 84 HTFs configurations, considering laminar and turbulent flow regimes. As a result, a new model version for estimating water turbidity removal's efficiency in helical tubular flocculators was obtained, which, in relation to the original version, has a smaller number of independent variables, presents better fit to the experimental data and is simpler from the operational point of view.