NUMERICAL INVESTIGATION OF FLOW WITHIN AND ABOVE FOREST CANOPY

• Main Author: REGINALDO ROSA COTTO DE PAULA
• Other Authors: MARCOS SEBASTIAO DE PAULA GOMES
• Language: Portuguese
• Published: PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO DE JANEIRO 2007
• Online Access: http://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/Busca_etds.php?strSecao=resultado&nrSeq=11570@1; http://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/Busca_etds.php?strSecao=resultado&nrSeq=11570@2

CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO === Neste trabalho três métodos foram utilizados para estudar o escoamento turbulento em regiões de florestas. No primeiro método, a influência da vegetação no escoamento foi modelada através da adição de termos fontes nas equações de quantidade de movimento, energia cinética turbulenta e sua taxa de dissipação. No segundo, a vegetação foi considerada um meio poroso homogêneo. Finalmente, a camada do dossel foi representada por modelos 3-D de árvores, consideradas como obstáculos individuais. As equações foram resolvidas através do modelo de turbulência k −E padrão com o programa comercial FLUENT 6.2.16. As previsões dos perfis verticais da velocidade do vento médio, da intensidade da turbulência e dos tensores de Reynolds, foram comparadas com dados de experimentos de túnel de vento. Os resultados preditos dos perfis verticais da velocidade média e intensidade da turbulência, na primeira e na segunda metodologias, apresentaram boa concordância com os valores experimentais, porém, foram observadas discrepâncias nos perfis modelados do tensor de Reynolds. Entretanto, qualitativamente, a modelagem consegue capturar o comportamento físico do tensor de Reynolds no interior de florestas. Uma possível explicação para este fato, é que o modelo considera a isotropia para a viscosidade turbulenta, implicando na incapacidade de prever qualquer forte anisotropia do campo turbulento. Na terceira metodologia, as previsões dos perfis verticais de velocidade média e intensidade da turbulência apresentaram discrepâncias em relação às medições. Porém, os perfis verticais do tensor de Reynolds apresentaram boa concordância. Todos os perfis verticais da velocidade média apresentaram um ponto de inflexão na interface vegetação-atmosfera, característico de uma camada de mistura. Nas duas primeiras metodologias, este padrão foi confirmado nos perfis de tangente hiperbólica de uma camada de mistura. === This work investigates different procedures in order to study the turbulent flow over the scale model of a forest region. Initially, the canopy flow was modeled by using source terms in the momentum, turbulent kinetic energy and its dissipation rate equations. After that, the forest canopy was considered a homogeneous porous medium. In the last step, the canopy boundary layer was modeled by artificial 3-D tree models. This was done by using the standard k−E turbulence model with the FLUENT commercial program. The modeled profiles of mean velocity, turbulence intensity and Reynolds stress were compared against data from wind tunnel experiments. In the two first methodologies, the model predictions of the vertical profiles of the wind speed and turbulence intensity showed good agreement with the experimental data. It was found that predictions of the Reynolds tensor were sensitive to the parameterization scheme of the standard k −E model. However, qualitatively, the model was capable of predicting the physical behavior of the Reynolds stress tensor in the canopy flow. A possible explanation for this behavior is the omission of any anisotropic eddy-viscosity effects within the k - E modelling approach. When it was considered the tree array, the model predictions for the wind speed and turbulence intensity were less satisfactory. However, it was found that the predicted results of the Reynolds stress tensor agreed well with the measured data. All the vertical profiles of the mean velocity contained an inflection point, something which is a necessary criterion for the mixing layer flow. In the tree array, the modeled results failed to the capture this behavior of the canopy flow. In the 2-D numerical simulations, it was found the characteristic hyperbolic tangent profile of a mixing layer.