Simulação do escoamento em bacias hidrográficas utilizando o método do reticulado de Boltzmann

Autor: Galina, Vanderlei
Přispěvatelé: Gramani, Liliana Madalena, 1964, Lobeiro, Adilandri Mércio, Universidade Federal do Paraná. Setor de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Métodos Numéricos em Engenharia, Kaviski, Eloy
Jazyk: portugalština
Rok vydání: 2017
Předmět:
Zdroj: Repositório Institucional da UFPR
Universidade Federal do Paraná (UFPR)
instacron:UFPR
Popis: Orientador : Prof. Dr. Eloy Kaviski Coorientadores : Profª. Drª. Liliana Madalena Gramani e Prof. Dr. Adilandri Mércio Lobeiro Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Métodos Numéricos em Engenharia. Defesa: Curitiba, 01/12/2017 Inclui referências : f. 129-135 Resumo: Nesta tese desenvolve-se um esquema de simulação numérica unidimensional do escoamento super?cial em bacias hidrográ?cas, por meio do método do reticulado de Boltzmann (LBM) com operador de colisão BGK (Bhatnagar, Gross e Krook). O LBM recupera as equações do modelo onda cinemática sem realizar a discretização das equações macroscópicas utilizando uma descrição simpli?cada modelada pela teoria cinética dos gases. Para isto, desenvolveu-se um modelo computacional onde, de acordo com a heterogeneidade, a bacia hidrográ?ca pode ser subdividida em uma ou várias sub-bacias, em que cada sub-bacia possui uma forma em "V" segmentada em dois planos laterais e um canal principal. A simulação considera a precipitação efetiva que escoa sobre a bacia hidrográ?ca por unidade de largura na saída de cada um dos planos que representam a superfície da bacia. Em cada sub-bacia, a água que escoa dos planos entra no canal sob a forma de contribuição lateral. Na saída de cada sub-bacia, obtém-se um hidrograma, que será utilizado para ajustar as condições de contorno na junção de dois segmentos de canal. Quando o escoamento super?cial em todas as sub-bacias for totalmente processado, tem-se o hidrograma total, o qual fornece a variação da vazão em relação ao tempo correspondente a resposta da bacia hidrográ?ca a precipitação efetiva no evento simulado. São utilizadas duas funções de distribuição de equilíbrio desenvolvidas por meio da expansão de Chapman-Enskog, uma adequada para o escoamento na superfície da bacia e outra para o canal principal, visando obter as variáveis de interesse em cada caso. Várias simulações foram realizadas em escoamentos governados pelas equações de águas rasas com reticulado D2Q9, e escoamentos descritos pelo modelo onda cinemática com os reticulados D1Q3 e D1Q5. Os resultados numéricos foram comparados com o modelo hidrológico KINEROS2 e com dados medidos em campo, e demonstram que o LBM é e?ciente na simulação de escoamentos em bacias hidrográ?cas. Palavras-chaves: Método do reticulado de Boltzmann. Escoamento em bacias hidrográ- ?cas. Escoamento super?cial. Modelo onda cinemática. Abstract: In this thesis, a one-dimensional numerical simulation scheme of the surface runo? in river basins was developed by means of the lattice Boltzmann method (LBM) with the BGK collision operator (Bhatnagar, Gross e Krook). The LBM can recover the equations of the kinematic wave model without performing the discretization of the macroscopic equations using a simpli?ed description modeled by the kinetic theory of gases. A computational model was developed for this purpose, in which, according to heterogeneity, the river basins can be subdivided into one or several sub-basins, in which each sub-basin is "V" shaped and segmented into two lateral planes and a main channel. The simulation considers the e?ective precipitation that ?ows over the river basin per unit of width at the exit from each of the planes that represent the basin surface. In each sub-basin the water that ?ows from the planes enters the channel in the form of a lateral contribution. At the exit of each sub-basin there is a hydrograph that will be used to adjust the boundary conditions at the junction of two channel segments. When the surface runo? in all sub-basins is fully processed, there is a total hydrograph, which supplies the variation of ?ow in relation to the time corresponding to the response of the river basin to e?ective precipitation in the simulated event. Two equilibrium distribution functions developed by means of the Chapman Enskog expansion were used, one appropriate for surface runo? in the basin, and the other for the main channel, aiming to obtain the variable of interest in each case. Several simulations were carried out in ?ows governed by the shallow water equations with D2Q9 lattice, and the ?ows described by the kinematic wave model with the D1Q3 and D1Q5 lattices. The numerical results were compared with the KINEROS2 hydrological model and with data measured in the ?eld, and demonstrate that the LBM is e?cient in the simulation of ?ows in watersheds. Key-words: Lattice Boltzmann method. Runo? in watersheds. Overland ?ow. Kinematic wave model.
Databáze: OpenAIRE
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