Hidrodinâmica


Hidrodinâmica de Sistemas Ambientais / Hydrodynamics of Environmental Aquatic Systems

TEA767, PPGERHA e PPGEA, 3 créditos, disciplina optativa, carga horaria: 45h

Ofertado geralmente no 3o trimestre

Professores : Tobias Bleninger (contato) e Michael Mannich (contato)
Horários e sala de aula: Segundas (LEA1) das 13:30-15:10h, Quartas (LEA1) das 15:30-17:10h
Horário de consultas: Por favor, agendar por email ou telefone (contato1, contato2)


Ementa

Revisão das equações de movimento e continuidade: Sistemas uni, bi e tridimensionais. Escoamentos estratificados.  Correntes de densidade. Modelagem física e numérica de processos de mistura e transporte em Sistemas Ambientais. Exemplos em rios, lagos, reservatórios, águas costeiras e atmosfera.

Revision of continuity and momentum equations for 1, 2 and 3-dimensional system considerations. Stratified Flows, and density currents. Physical and numerical modeling of mixing and transport processes in Environmental Aquatic Systems. Examples for rivers, lakes and estuaries, as well as coastal waters.


Objetivos

Criar a habilidade de fazer revisão critica e deduzir modelos e conceitos existentes de estudos de sistemas ambientais relacionados a fenômenos de transporte e mistura com efeitos de densidade. Poder planejar e avaliar experimentos em campo e no laboratório. Aplicação de métodos e medições em modelos reduzidos para investigação de problemas típicos (lock-exchange, ondas internas, jatos e plumas). Aplicação de métodos e medições em modelos numéricos.

Create the ability of critical revisions, and developing model conceptions using existing equations for environmental systems, related to transport phenomena including density effects. Be able to plan, execute and analyze physical and numerical experiments. Apply measurement methods to scaled models for specific applications (lock-exchange, stratification, …). Apply numerical methods for hydrodynamic models.


Pré-requisitos recomendados / Recommended pre-requisites: Mecanica dos Fluidos I e II ou avançado, Processos de Dispersão no Meio Ambiente / Fluid Mechanics I and II or advanced, Dispersion Processes.


Programa/calendário

No. Dia Data Conteúdo / Content
1 seg. 10-9-18 Introdução e calendário / Introduction. Calendar.
2 qua. 12-9-18 sem aula
3 seg. 17-9-18 Definitions. Stratified flow (movie, course presentatiton, course notes of KIT and Texas A&M,  especially chapter 8 to 11, inclcuding exercises). Hydrostatics of stratified systems
4 qua. 19-9-18 Dynamics  of stratified systems. Governing equations.
5 seg. 24-9-18 Lab 1: Density/conductivity/phenomena/instruments. Density currents and lock-exchange experiment. 
6 qua. 26-9-18 Density currents. Internal hydraulics of stratified flows (ppt). 
7 seg. 1-10-18 Introduction to field measurements in limnology (sensors, samples, analysis, ADCP, WQ-Probes, CTD, LISST, Secchi) Submission of lab1 results L1.
8 qua. 3-10-18 Processing of field data (non-dimensional numbers, thermocline, etc.) using Lake Analyzer and other tools (pdf, matlab-files, 1DModel and processing files). Auxiliary data for lake modeling (Hidroweb, HidroSAT (ANA), SAR (ANA), InMet, Windy, COPEL, Mudak, Bacia Rio Verde, Dados oceanograficos, SurfaceWater changes, LakeViz, FloodRiskAnalyzer, ClimateApp)
9 seg. 8-10-18 no class – field check
10 qua. 10-10-18 Discussion of results of lab1. Introduction to numerical modeling approaches and modeling applications (numerical methods, lake modeling). Lake modelling (theory, grid, simulation, GLM).
11 seg. 15-10-18 Estudo dirigido e preparação seminário
12 qua. 17-10-18 Estudo dirigido e preparação seminário
13 seg. 22-10-18 Estudo dirigido e preparação seminário
14 qua. 24-10-18 Lab 2: Field measurements (WQ-Probes, CTD, LISST, Van Dorn)
15 seg. 29-10-18 Apresentação seminário S1
16 qua. 31-10-18  Exercise class – data compilation for boundary conditions
17 seg. 5-11-18  Exercise class – model setup
18 qua. 7-11-18  Exercise class – data compilation for calibration
19 seg. 12-11-18  Exercise class – model calibration and validation
20 qua. 14-11-18  Exercise class – model runs and scenario development
21 seg. 19-11-18  Exercise class – reporting
22 qua. 21-11-18 open class for discussion – handover exercise E1 (não compulsório) – preliminary version. Discussion of preliminary version of E1
23 seg. 26-11-18 no class – UFPR closed due to vestibular
24 qua. 28-11-18  Exercise class – post-processing with lake analyzer and others
25 seg. 3-12-18 Exercise class – post-processing with lake analyzer and others – handover exercise E1 – final version (latest until 4.12.2018, 17h via Email, report as pdf and model files as zip attached).
26 qua. 5-12-18 Presentation of Exercices and Exam P1

 


Provas

  • 20%: 1 relatórios de laboratório L1 (individual, hand-written or printed notes, graphs, results and analysis)
  • 20%: uma apresentação oral de 15min. de um artigo científico  S1 (individual) com arguição de 5min.
  • 30%: 1 Homework E1
  • 30%: 1 Prova P1 (apresentação e arguição oral, sem consulta)
  • Grade N = L1 * 0.2 + S1*0.2 + E1*0,3 + P1*0,3
    • if N ≥ 7 approved
    • if N < 7 failed
  • Attendance: if missing more than 25% -> failed

Referencias e informações adicionais

  • Livros texto:
    • 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
    • Bird, R.B., Stewart, W.E., Lightfoot, E.N. Fenomenos de Transporte. Rio de Janeiro, LTC, 2004
    • Incropera, F.P., DeWitt, D.P. Fundamentos de Transferencia de Calor e de Massa, Rio de Janeiro, LTC Editora, 2003
    • Peter G. Baines, Topographic effects in stratified flows, Cambridge University Press, 1998, ISBN 0521629233, Link do titulo http://200.17.203.155/index.php?codigo_sophia=271893
  • Software:
    • MatLab (programa computacional, existem licenças acadêmicas). Tutoriais! e Mini-Curso! ou Octave (alternativa grátis parecido com MatLab)
    • Maple (programa matemático, profissional, especialmente para operações simbólicas) ou Maxima (alternativa grátis parecido) ou Wolfram Alpha (online)
    • UltraEdit (editor de texto professional, pode editar colunas) ou PSPad (editor de texto gratis, pode editar colunas)
    • Microsoft Excel (programa de calculo em tabelas) ou Calc (program de calculo em tabelas gratis, do sistema OpenOffice)
    • Sketchup (Programa para desenho tecnico)
    • Delft3D – Modelo 3D hidrodinamico e de transporte e qualidade de agua / 3D Hydrodynamic and transport and water quality modeling suite (open source)
    • OpenFOAM – The Open Source Computational Fluid Dynamics (CFD) Toolbox (Programa para Mecanica dos Fluidos Computacional) (Curso com informacoes adicionais)
    • CAELinux – Distribuicao de Linux com pre- e pos-processadores e solver para CFD / Linux distribution including pre- and post-processors and solvers for CFD
  • Materiais adicionais e interativos:
  • Elaboração de textos (veja guia de orientação)
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