Plumas em escoamento uniforme com estratificação de duas camadas / Plumes in uniform flow with two-layer stratification

RESUMO

RESUMO Plumas ocorrem quando um fluido é descarregado em outro fluido com densidade diferente, como poluentes na atmosfera. Neste trabalho, desenvolveu-se um estudo experimental em um tanque de água e modelagem matemática usando a abordagem integral com o intuito de investigar o escoamento gerado por plumas salinas em escoamento uniforme e com estratificação de duas camadas. Os resultados indicaram que a altura da camada superior (menos densa) aumentou com a vazão de retirada da camada inferior e diminuiu com o fluxo de empuxo da pluma, corroborando os resultados disponíveis na literatura para sistemas alimentados por fontes pontuais (não uniformes). Após ajuste de parâmetros presentes na teoria clássica para plumas turbulentas, foi possível prever a altura da interface com desvios máximos de ±8% e coeficiente de Nash-Sutcliffe de 0,98. Isso indica que o escoamento uniforme não afetou significativamente a hidrodinâmica das plumas em comparação a estudos anteriores. Por outro lado, diferentemente dos sistemas alimentados por fontes pontuais, as linhas de fluxo obtidas por meio da injeção de corante no escoamento uniforme seguiram padrão de escoamento potencial, com toda a vazão sendo direcionada para a pluma e não havendo, portanto, mistura na interface entre as duas camadas. Dessa forma, partindo do princípio de conservação de massa, foram propostas equações para gerar as linhas de fluxo ao redor das plumas, as quais foram confirmadas com os dados experimentais. Finalmente, foram apresentadas aplicações práticas do modelo proposto em sistemas de ventilação natural em edifícios e descarga de poluentes na atmosfera sob condição de inversão térmica.

ABSTRACT

ABSTRACT Plumes occur when a fluid is discharged into another fluid with different density, such as pollutants in the atmosphere. In this work, an experimental study was carried out in a water tank and a mathematical modelling using the integral approach was performed to investigate the flow generated by saline plumes in uniform flow with two-layer stratification. The results indicated that the upper layer's height (less dense) increased with the outflow from the lower layer, and decreased with the buoyancy flux of the plume, confirming the results available in the literature for systems supplied by point sources (non-uniform sources). After fitting the parameters of the classical theory for turbulent plumes, it was possible to predict the interface's height with a maximum deviation of ±8%, and a Nash-Sutcliffe coefficient of 0.98. This indicates that the uniform flow did not affect significantly the plumes' hydrodynamics compared to previous studies. On the other hand, unlike the systems supplied by point sources, the streamlines obtained through the injection of dye into the uniform flow followed a potential flow pattern, with all the flow being directed to the plume, therefore not mixing at the interface between the two layers. Thus, based on the principle of mass conservation, equations were proposed to generate the streamlines around the plumes, which were validated with the experimental data. Finally, practical applications of the proposed model in natural ventilation in buildings and pollutant discharges in the atmosphere were presented.