Tobias Bleninger MECÂNICA DOS FLUIDOS AMBIENTAL I · • Mixing patterns and residence times-->...

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Tobias Bleninger

Universidade Federal do Paraná (UFPR)

Departamento de Engenharia Ambiental(DEA)

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MECÂNICA DOS FLUIDOS

AMBIENTAL I

Tobias Bleninger

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• Graduação: Engenharia Civil, Karlsruhe Institute of Technology

(KIT), Alemanha (2000)

• Doutorado: Hidráulica Ambiental, KIT, (2006)

• Líder do Grupo de Pesquisa “Environmental Fluid

Mechanics”, KIT, (2007-2011)

• Professor Visitante no DHS, UFPR (2009-2011)

• Professor efetivo no Departamento de Engenharia Ambiental

(DEA), UFPR (desde 2011)

• Vice-Coordenador do Programa de pós-graduação em

Engenharia de Recursos Hídricos e Ambiental (PPGERHA)

• Coordenador do programa de intercambio com KIT

CV

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Graduação Engenharia ambiental:

• Mecânica dos Fluidos Ambiental I

• Mecânica dos Fluidos Ambiental II

• Matemática Aplicada I

• Matemática Aplicada II

Pós-Graduações

• Fenômenos de Transporte

• Hidrodinâmica de Sistemas Ambientais

• Mecânica dos Fluidos Experimental I e II

• Hidráulica de Canais

Cursos de curta duração

• Curso de Delft3D

• Curso de CORMIX

• Mini-curso de MatLab/Octave/Freemat

Disciplinas ofertadas

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Linhas de pesquisa:

• Mecânica dos fluidos ambientais: jatos e plumas,

fenômenos de mistura e transporte, emissários

submarinos, transferência de gases

• Hidráulica ambiental: difusores, rios, tanques de mistura,

hidráulica em tanques de estações de tratamento de água

e esgoto

Métodos:

• Modelagem numérica e modelos físicos: 1D nível de

água, 2D e 3D escoamentos com superfície livre e

modelos de transporte para rios, lagos e águas costeiras,

qualidade de água

• Medição em campo e laboratório de processos

hidrodinâmicos (Particle Image and Particle Tracking

Velocimetry, PIV, PTV)

Pesquisa

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Informações gerais

• Disciplina: Mecânica dos Fluidos Ambiental I

TEA 011, 5° semestre, 6 créditos, disciplina obrigatória, carga horária: 90h

• Professor: Tobias Bleninger

[email protected]

Departamento de Engenharia Ambiental (DEA)

Centro Politécnico, Prédio Administração, 3º andar, sala 13

• Horário aula: Segundas, Quartas e Sextas 9:30-11:10h

• Sala aula: PM02,

• Consultas: Por favor, agendar por email ou telefone

• Home Page:http://www.ambiental.ufpr.br/portal/professores/tobias/teaching/mecfluambi/

ou via www.bleninger.info

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http://www.ambiental.ufpr.br/portal/professores/tobias/teaching/mecfluambi/

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Objetivos

• Habilitar o compreendimento de fenomenos de

escoamentos de fluidos no meio ambiente e em instalaçoes

de controle e redução de emissoes.

• Realizar e compreender modelos quantitativos.

• Realizar simulaçoes e utilizar ferramentas computacionais

para cálculos e projetos de sistemas de fluidos em

movimentos.

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Avaliações

• 2 Provas P1 e P2 (sem consulta)

• 3 Exercícios de casa E1 e E2 (individual), E3 (em grupo com

apresentação oral e arguição)

• Nota N = 1/4P1 + 1/4P2 + 1/8E1 + 1/8E2 + 1/4E3

• se N ≥ 7 aprovado com nota final NF = N

• se N < 4 reprovado

• se 4 ≤ N < 7 prova final F

• se (F+N)/2 ≥ 5 aprovado com nota final NF = (F+N)/2

• se (F+N) < 5 reprovado

• Presença: se faltas maior de 25%: reprovado

• avisem faltas justificadas antes!

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Calendário

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Calendário

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Bibliografia

• Apostila de Mecanica dos Fluidos Ambiental I, M. Gobbi, N. L. Dias, F.

Mascarenhas, E. Valentine, UFPR

• Fischer, H.B., E.J List, R.C.Y. Koh, J. Imberger and N.H. Brooks (1979)

Mixing in inland and coastal waters, Academic Press, San Diego, CA

• Roberson, J.A., Crowe, C.T., Engineering Fluid Mechanics, Houghton-

Miffin, Boston, 1993

• Mecânica dos Fluidos. Frank White, 4 ed., McGraw-Hill

• Introdução a Mecânica dos Fluidos. Fox & MacDonald, 6ed. (biblioteca)

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http://www.lemma.ufpr.br/wiki/images/4/4c/Main.pdf

http://200.17.203.155/index.php?codigo_sophia=226764

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O que é?

Mecânica

dos Fluidos

ambiental

I

http://hydro.ifh.uni-karlsruhe.de/links.htm

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http://hydro.ifh.uni-karlsruhe.de/links.htm

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Estudos em laboratório:

Medição e analise de processos hidrodinamicos e de transporte

de lançamentos de esgoto, águas de refrigeração, efluentes

industriais ou da dessalinização

Mecânica dos fluidos ambiental

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Enseada

Santos

Praia Grande 1

Praia Grande 2

Emissários da Baixada Santista

Municipality Population Collect Treatment

Santos/S.Vincete

Praia Grande

856.726

562.376

80

46

80

46

Guarujá 432.586 55 55

Fonte: Brambilla, SABESP

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Long outfall pipes

Rio de Janeiro, Brazil, 4 km, concrete

2.4 m

8 m

Antalya, Turkey, 2.6 km, HDPE Boston, USA, 16 km, tunnel

1.6 m

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Santos Harbout, Brazil

So

urc

e: P

refe

itura

de

Pra

ia G

ran

de

, Bra

zilSantos, Brasil

Nov. 2003 (epoca alta!): 78 de128 praias monitoradas: „impropria“

emissario

Source: WHO, UNEP

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Buoyant Jet

in Crossflow

Modelagem do transporte e mistura.

Acoplamento de modelos

Analogias: Jatos e Plumas na atmosfera

( ) = + − 2 2cos cos 1 cos cosa D

dM Eu F

ds

( )

= −−

2

2 2

cos sin coscos sin

1 cos cosD

dM F

ds

( )

= −−

2 2

2 2

sin cos cossin

1 cos cosc D

dM b g F

ds

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www.tobias.bleninger.infoMistura ativa: Jatos e Plumas

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www.tobias.bleninger.infoMistura ativa: Jatos e Plumas

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Todos métodos requerem

1. Entendimento dos processos e

fenômenos (descrição qualitativa)

2. Descrição quantitativa (física /

modelagem)

3. Solução (matemática)

4. Interpretação

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www.tobias.bleninger.infoHidráulica Fluvial

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13%

25%

4%

11%

81%

43%46%

53%43%

32%43%

50%37%

58% 17%25%

Russia

Canad

a

Austral

ia

EUA

China

Brazil

8% 11%

Railways Highways Hydroways, and others

Source: National Logistics

and Transport Plan –

Ministry of Transportation of

Brazil

Transportation Statistics (2005)Brazil:

- The principal transport

model based on

highways;

- Ministry of

Transportation of

Brazil elabored in 2006

the Nacional Logistics

and Transport Plan to

change this scenario.

2005 2008 2011 2012 2014 2018 2020 2025

Highways58%

Highways52%

Highways36%

Railways…

Railways30%

Railways30%

coastal shipping8%

coastal shipping8%

coastal shipping16%

Waterways5%

Waterways5%

Waterways13%

Pipeways4%

Pipeways5%

Pipeways5%

- Double the waterways

transportation until 2025

Hidrovias no Brasil

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Medições com

ADCP

Grid Computacional

da Região

Cálculo das

Velocidades Médias

Exemplo 3D de Delft3D na UFPR:

validação e calibração do modelo

Trabalhos feitos pelos alunos:

Gustavo Pacheco: Mestr. e Dout.

Henrique Guarneri: Mestr.

Nikolas Toyonaga: TCC e IC

Anderson Frigo: Dout.Ni

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Fonte: Gustavo Pacheco e ITTI, UFPR

Exemplo 3D da UFPR:

validação e calibração do modelo

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www.tobias.bleninger.infoHidráulica Ambiental

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www.tobias.bleninger.infoFloods: Natural or man-made?Land-use between 1896 and today, Stuttgart-Cannstatt (Neckar) region

1896 today

Flood1990 - Elz junction 3D-visualization of flood-simulation

Flood damage 2002 (MunichRe)

Germany: 9.200 Mio. €

Europe: > 20.000 Mio. €

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Municipal Water Supply: Storage Tank Optimisation

• Drinking water safety --> bacteriological contamination

• Mixing patterns and residence times

--> Numerical simulations, physical experiments

--> Real-time optimization models

intake

outfall

Partner

- Georgia Tech, USA

- Stadtwerke Karlsruhe, Germany

Funded by BMBF

Fenomenos

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www.tobias.bleninger.infoModelos

▪ Tank in lab made of glas, scale 1:10 (nature: 8,2 x 6,1 x 4 m³)

Inlet

Outlet

Outlet

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www.tobias.bleninger.infoFenomenos dominantes

top view

front view

view from left

(fast replay, 40x faster than real-time)

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Simulation period: 17/07/2012 à 27/02/2013;

Data base: weather station and initial conditions measured;

Δt=2min; Δz=0,5 m; (modelo)

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www.tobias.bleninger.infoModelagem do reservatório Vossoroca

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Source: http://myweb.dal.ca/kelley/SLEIWEX/index.php

Ondas internas

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Waste water treatment and reuse

Membrane technology and optimisation of conventional systems

• Physical and numerical simulations of treatment plant flows

• Integrated Water Resources Management

intake

outfall

Wastewater Treatment settling tank (source: www.HydroGrav.de)

BMBF / Industry

Fenomenos

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www.tobias.bleninger.infoTurbulencia

Shallow flows

▪ Development and stability of shallow flows

and theoretical analysis.VS = vortex street

UB = unsteady bubble

SB = steady bubble

Source: IfH, KIT

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http://www.ifh.uni-karlsruhe.de/science/envflu/Research/shallow-flows/img/vd2101.jpg

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Bottom : 50 cm x 50 cm

Height : 65 cm

Interfaces

Gas Transfer at the Air-Water Interface

Source: Herlina, IfH, KIT

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www.tobias.bleninger.infoInterfaces


▪ Experiments on oxygen gas transfer at the air/water interface under the influence of

turbulence.


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▪ Experiments on oxygen gas transfer at the air/water interface under the influence of

turbulence.


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Gravel bed stability

▪ Experiments on the hydrodynamical loads

within and above a porous gravel layer

Sediment motion

Source: Detert, IfH, KIT

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Gravel bed stability

▪ Experiments on the hydrodynamical loads

within and above a porous gravel layer

Sediment motion

Source: Detert, IfH, KIT

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Valvulas, bombas e turbinas

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Camada limite atmosferica

Courtesy: Bodo Ruck, KIT, http://www.ifh.uni-karlsruhe.de/science/aerodyn/

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Corpos imersos


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Corpos imersos


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Corpos imersos


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Corpos imersos


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Corpos imersos


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Corpos imersos


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Corpos imersos


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Corpos imersos


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Wind tunnel

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Fluid Mechanics everywhere

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http://news.sciencemag.org/sciencenow/2010/11/cats-tongues-employ-tricky-physi.html

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Gas Dynamics Laboratory, Pennsylvania State University

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National Geographic: https://www.youtube.com/watch?v=8lThsSJU328

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Stanford University: https://www.youtube.com/watch?v=nJWz0PaMlkI

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