Escoamento Atmosférico sobre uma Colina Isolada Revelado a Partir de Dados de um Veículo Aéreo não Tripulado (VANT)

Flow over an isolated hill revealed by multirotor aircraft data

Resumo

Este artigo é uma contribuição do Projeto “uso de VANT para prospecção eólica em sistemas aquáticos”, que consistiu num esforço multi-instrumental e multi-institucional para estudar a camada limite atmosférica influenciada por extensos corpos d’água e pelas feições do entorno como colinas, rampas e mudanças abruptas de rugosidade. O trabalho apresenta o resultado de um experimento específico, realizado em novembro de 2016, que visou estudar a camada limite atmosférica (CLA) influenciada por colinas. Durante os experimentos foram levantados perfis verticais do vento a partir de um VANT, utilizado pela primeira vez no Brasil, para esta finalidade. O escoamento do vento, no topo da colina, apresentou forte intensificação a 20 m de altura. Os resultados foram comparados com um modelo analítico baseado na teoria linear aplicado a um terreno real.

Palavras-chave:
escoamento em colinas; aceleração do vento; energia eólica

Abstract

This paper represents a contribution of the Project “unmanned aerial vehicles to wind assessment in aquatic systems”, a multi-institutional and multi-instrumented experiment carried out to measure, in detail, the characteristics of winds over a large tropical aquatic system and how the flow is modulated by hill, ramp and abrupt roughness changes. It presents results from experiments conducted during november 2016 over a typical hill site that is adequate for installation of wind turbines. During the experiments, both hilltop and upstream wind profile data were obtained using an unmanned rotorcraft, commonly known as a hexacopter. The flow speed at 20 m over the top of hill was found to be increased by a factor of 1.8. The results were compared with an analytical model which makes a careful application of linear theory to real terrain.

Keywords:
hill flow; flow speed-up; wind energy

1.

Introdução

O escoamento atmosférico influenciado por colinas é um tema de pesquisa motivado por diferentes aplicações práticas como a dispersão de poluentes (Manikantan e Pruthviraj, 2010), o aproveitamento eólico (Mattuella et al., 2016) e, mais recentemente, a propagação de queimadas em florestas (Forthofer et al., 2014). Um dos aspectos muito bem documentado na literatura é a acele­ra­ção do escoamento no topo das colinas. Este fenômeno será o foco deste trabalho, devido às suas implicações práticas para a energia eólica, uma vez que a densidade de potência é proporcional ao cubo da velocidade do vento.

Estudos sobre o efeito das colinas para o escoamento do vento são baseados em modelos físicos em escala reduzida ensaiados em túneis de vento (e.g., Vladut et al., 2015), modelagem numérica (e.g., Chaudhari et al., 2014; Schmidt e Stoevesandt, 2014) e, ainda, em escassos expe­rimentos realizados especificamente para levantar dados do escoamento em colinas (e.g., Berg et al., 2011). Em relação aos experimentos em túneis de vento, Athanassiadou e Castro (2001) examinaram o escoamento em condições neutras sobre uma série de colinas bidimensionais e compararam com o escoamento em áreas sem a presença de colinas. Ayotte e Hughes (2004) estudaram o escoamento bidimensional turbulento, em condição de estratificação neutra, sobre regiões com declividades variadas e colinas isoladas e múltiplas, com o objetivo da melhor compreensão da transição de casos onde a teoria linear é válida para o caso onde isto não ocorre. Cao e Tanura (2006; 2007) conduziram medidas relativas ao impacto das mudanças de rugosidade para o escoamento bidimensional em rampas e em colinas. No caso das colinas, ênfases foram dadas para o efeito da mudança de rugosidade sobre o escoamento médio e turbulento. O efeito da aceleração do escoamento e a influência da direção do vento para a aceleração em escoamentos tridimensionais sobre colinas elípticas e circulares foram examinados por Lubitz e White (2007) e Liu et al. (2016). Análises para o escoamento influenciado por colinas, baseadas em modelos numéricos são bem documentadas. Argain et al. (2009) apresentam uma formulação para a velocidade de fricção influenciada por estas feições. Lee et al. (2003) estudaram o efeito da distância entre duas colinas para as caracte­rís­ticas do escoamento e indicaram que uma colina vizinha pode ter um efeito significativo sobre o padrão do escoamento para distâncias de até 6 vezes a largura caracterís­tica da colina. Bitsuamlak et al. (2004) fizeram uma revisão de estudos sobre modelagem numérica aplicados a diferentes tipos de topografia, incluindo colinas, e concluíram que a boa concordância com resultados observados em túnel de vento torna promissora a aplicação dos modelos numéricos em estudos do escoamento atmosféri­co influenciado por colinas. Paiva et al. (2004), fazendo uso do modelo regional atmosférico brasileiro (BRAMS), compararam os resultados deste modelo com os do experimento do projeto Askervein e concluíram que os perfis gerados são fortemente dependentes da velocidade de fase da onda de gravidade interna especificada no modelo. Pellegrini e Bodstein (2005) propuseram uma lei logarítmica modificada para descrever a camada limite planetária (CLP) sobre uma colina bidimensional em condições atmosféricas neutras. Os autores chegaram a uma formulação que depende de um parâmetro que representa a influência da forma da colina para o escoamento.

As escassas campanhas de campo que visaram gerar medidas sobre o escoamento influenciado por colinas são baseadas no histórico Projeto Colina Askervein, que ocor­reu entre 1982 e 1983 e um mais recente (2007 e 2008), realizado na Dinamarca, conhecido como campanha Bolund (Berg et al., 2011).

O projeto Colina Askervein foi um extensivo estudo de escoamento sobre colinas conduzido em 1982, na forma de testes preliminares e, em 1983 como estudos completos. O principal foco foi o estudo das caracterís­ticas espaciais do escoamento médio e turbulento sobre uma colina típica com características que permitem o aproveitamento eólico, localizada em uma cadeia de ilhas na costa oeste da Escócia. Este experimento foi usado extensivamente para estudos de casos com modelagem numérica como em Castro et al. (2003), Paiva et al. (2004), Pellegrini e Bodstein (2005), Lopes et al. (2007), dentre outros. O outro experimento importante foi realizado na colina Bolund que apresenta 12 m de altura e 130 m de extensão, localizada na Dinamarca. Os principais resultados deste projeto podem ser encontrados em Bechman et al. (2009; 2011).

Enquanto o uso de VANTs de asa fixa em várias aplicações é bastante documentado (e.g., Dias et al., 2012), os VANTs de asa móvel (quadricópteros, hexa­cóp­te­ros, etc.), aplicados a estudos geofísicos é bastante re­cen­te. Estes VANTs vêm sendo utilizados para estudos sobre o impacto da poeira para o albedo da neve (Di Mauro et al., 2015), emissão de metano (Brownlow et al., 2016), modelagem da paisagem estatigráfica (Nieminski et al., 2017), estudos sobre qualidade de água (Ore et al, 2015), mapeamento da drenagem glacial (Rippin et al., 2015), mapeamento de corpos d’água intermitentes (Spence e Mengistu, 2016) e aplicações em estudos relacionados à ecologia aquática (Vivoni et al., 2014). O objetivo deste trabalho é descrever o fenômeno de aceleração dos ventos sobre colinas, a partir de dados medidos por um VANT no reservatório hidrelétrico de Furnas, MG. O perfil vertical observado foi analisado e comparado com modelos analíticos desenvolvidos por Pellegrini e Bods­tein (2005). Este estudo soma-se a outros, como Medeiros et al. (2013) que fizeram uso de observações de campo para a melhor descrição da CLP influenciada por terrenos complexos. Até onde se sabe, estas são as primeiras medidas do perfil vertical do vento realizadas através de VANTs no entorno grandes reservatórios no Brasil.

2.

Material e Métodos

Este artigo traz os resultados das medidas de campo realizadas por dois projetos científicos: “Aproveitamento eólico em reservatórios hidrelétricos” e “Uso de VANT para prospecção eólica em sistemas aquáticos”, ambos apoiados pela Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais (FAPEMIG). Estes projetos, que envolveram cooperação entre várias instituições como Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI), Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), Universidade Estadual do Norte Fluminense (UENF), Universidade Federal de São João Del Rei (UFSJ) e Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), representam um esforço para estudar a camada limite atmosférica em extensos sistemas aquáticos brasileiros. Maiores detalhes sobre os projetos, instrumentação utilizada e desenho amostral é dado em Assireu et al. (2019).

A região de estudo compreende o reservatório de Furnas, situado no interior do estado de Minas Gerais (Fig. 1a). A barragem da Usina Hidrelétrica de Furnas está localizada no curso médio do rio Grande, no trecho denominado “Corredeiras das Furnas”, entre os municípios de São José da Barra e São João Batista do Glória, em Minas Gerais. A represa cobre uma superfície de 1440 km² com a cota máxima de 762 m em relação ao nível do mar e abrange 34 municípios de Minas Gerais. O braço do reservatório em estudo, correspondente ao município de Guapé (MG), que vem sendo alvo de estudos que visam ou visaram estimativas do potencial eólico da região. O experimento foi realizado entre os dias 21 e 25 de novembro de 2016 em diferentes setores do reservatório. No dia 22 de novembro as 09:00h (HL) foi amostrada uma colina com condições morfométricas e de acesso que poderiam receber um parque eólico (Fig. 1). Um mastro anemométrico de 10 m já havia sido instalado no topo da colina (Fig. 1b). O perfil vertical com o VANT, até 100 m, consistiu de medidas a partir de 3 m e, a partir daí, a cada 5 m. Em cada um dos níveis o VANT realizou medições de 1 minuto de duração. Como a taxa amostral foi de 10 s, cada medida de vento, para cada altura, representa a média de 6 valores.

Figura 1
Colina situada no braço do reservatório de Furnas onde foram levantados os perfis com o VANT (a) (seta indica direção do vento prevalente). Mastro anemométrico de 10 m situado no topo da colina (b).

O uso de um hexacóptero, ao invés dos mais comuns quadricópteros, é devido a maior estabilidade do primeiro em relação ao último. Os seis motores trabalham em sincronia de forma a compensar eventuais perturbações causadas por turbulência. O controle de altitude é feito por um barômetro e os motores operam de forma a manter a pressão e, consequentemente, a altitude constante. O anemômetro utilizado e hospedado como carga útil no VANT foi um modelo do tipo copo da marca Lambrecht. Um datalogger modelo CR1000 da Campbell, instalado pró­ximo às baterias do VANT, foi utilizado para o armazenamento dos dados medidos (maiores detalhes vide Assireu et al., 2018). O anemômetro foi preso pelo cabo elétrico de conexão a 4 m abaixo do VANT. Esta distância foi empiricamente obtida como a distância a partir da qual a esteira dos motores não influencia as medidas do anemômetro. Isto evitou problemas como aqueles relatados por Palomaki et al. (2017), que reportaram medidas influenciadas pela esteira do VANT. Como o anemômetro foi fixado ao VANT pelo próprio cabo de comunicação com o dataloger, o esperado movimento pendular ocorre apenas imediatamente a decolagem, e estabiliza após, sem comprometer as medidas. A Tabela 1 traz a especificação do VANT e do anemômetro utilizado neste trabalho.

Tabela 1
Especificações do VANT e anemômetro utilizados neste trabalho.

Especificações do VANT e anemômetro utilizados
Tipo	Hexacóptero X700
Dimensões	1057 x 723 x 462 mm
Distância entre os rotores	361.5 mm
Peso	1750 g (com bateria)
Autonomia	20 a 25 minutos
Tempo de recarga da bateria	120 minutos
Anemômetro	Copo (marca Lambrecht)
Peso	0,9 kg
Intervalo	0,7 a 50,0 m s-1
Resolução	0,26 m s-1

1.

Descrição da colina e modelo conceitual

A Fig. 2 traz as principais características morfométricas da colina estudada aqui, obtidas a partir do modelo digital de terreno. Os principais parâmetros geométricos para descrição da colina são sua altura (h ~ 50 m), o raio de curvatura superficial (R_h ~ 90 m) e sua escala de comprimento horizontal (L_h ~ 150 m), na direção do vento predominante. O comprimento de escala L_h é definido como a distância horizontal da face da colina até o ponto correspondente a metade da altura da colina (h/2) (Fig. 2). A linha de fluxo é suposta suficientemente próxima à superfície o que é equivalente a assumir que o escoamento é paralelo à curvatura, conforme demonstrado experimen­talmente por Salmon et al. (1988). O estado da arte do desenvolvimento da teoria empregada para análises do es­coa­mento influenciado por colinas está muito bem docu­mentado em Pellegrini e Bodstein (2005) e Bitsuamlak (2004) e maiores detalhes podem ser encontrados nestes tra­balhos.

No perfil do vento à esquerda da Fig. 2, o termo u₀(z) corresponde à região a barlavento não influenciada pela colina e será denominado daqui em diante como perfil de referência (PR). No topo da colina, o perfil médio é dado por u(x,z) = u₀(z) + δu(x,z), onde a aceleração δu é causada por variações da topografia. Esta aceleração é positiva no topo da colina (TC) devido à condição de continuidade do escoamento do fluído. Uma abordagem formal para este efeito pode ser encontrada em Kilpatrick (2016). A razão entre a aceleração δu(x,z) e a velocidade de referência u₀(z), define a aceleração relativa δS(x,z):

(1) $$\text{δ}S\left(\text{x},\text{z}\right)=\frac{\text{δ}u\left(\text{x},\text{z}\right)}{u_0\left(\text{x},\text{z}\right)}=\frac{u\left(\text{x},\text{z}\right)}{u_0\left(\text{x},\text{z}\right)}-1$$

Figura 2
Morfometria da colina analisada e os respectivos parâmetros geométricos.

A altura (l) onde ocorre o máximo aumento relativo da ve­lo­cidade (δS_máx) é de especial interesse, pois fornece subsídios para definições como alturas de chaminés, aerogeradores, máximo arrasto sobre estruturas, dentre outros aspectos relacionados ao escoamento sobre colinas. Algumas expressões utilizadas para a estimativa de δS e l podem ser encontradas em Walmsley e Taylor (1996) e Poggi et al. (2008), que fizeram uma boa revisão sobre este assunto. Este trabalho focará em duas expressões para estimativa de l e para δS. Uma, proposta por Finnigan (1992) e que leva em conta aspectos geométricos da colina anteriormente definidos:

(2) $$\frac{L_h}{R_h}\ln \left(l\right)=C_1{k}^2$$

onde a constante C₁ é determinada a partir de comparação com dados observados. A outra equação a ser utilizada foi proposta por Pellegrini e Bodstein (2000):

(3) $$l\ln \left(l\right)=2,41k^2{L}_h$$

neste caso l é obtido a partir de iterações que assegurem convergência entre os termos do lado esquerdo e direito de (3).

Hunt (1980) propõe a seguinte expressão para uma colina 2D:

(4) $$\text{δ}S\approx 2\frac{h}{L_h}$$

Enquanto Taylor e Lee (1984) sugerem:

(5) $$\text{δ}S\approx 1,6\frac{h}{L_h}$$

Para inferências sobre a condição atmosférica durante os experimentos foram utilizados os dois formalismos mais comumente empregados para esta finalidade: Número de Richardson Bulk (R_b) e Gradiente (R_i).

2.2

Modelo a partir do Número de Richardson Bulk

Neste método, as medições da temperatura do ar e da água são usadas em conjunto com a intensidade do vento a uma determinada altura (Shimada et al., 2014):

(6) $$R_b=-\frac{g}{{\text{θ}}_v}\frac{z\delta {\text{θ}}_v}{U^2}$$

em que U é a velocidade do vento, θ_v é a média da temperatura potencial virtual entre os dois níveis na atmosfera, e δθ_v indica a variação da temperatura potencial virtual entre o ar e a água (θ_v(ar) - θ_v(água)). O parâmetro de estabilidade por meio do número de Richardson Bulk tem grande aplicação em regiões de transição terra-água, pois leva em consideração não só a temperatura do ar, mas também a temperatura superficial da água.

Em reservatórios tropicais, a pequena variação da temperatura da água, causada por sua elevada capacidade térmica, faz com que a mesma se aqueça mais lentamente em relação à superfície terrestre adjacente. Como consequência, durante o dia a atmosfera próxima à superfície da água se apresenta mais fria em relação à níveis mais elevados da atmosfera, favorecendo condições de estabi­li­dade e, durante a noite, esta região superficial se mantém mais aquecida, o que favorece a instabilidade (Assireu et al., 2011).

A turbulência na CLP depende das condições de es­tabilidade atmosférica conduzidas pelo aquecimento ou resfriamento da superfície terrestre e das características da interação entre o campo de velocidade e a superfície. Um indicador dessas condições de estabilidade é o número de Richardson Gradiente (Johnson e Kelley, 2000).

Neste método, temperatura potencial virtual e velocidade do vento em duas alturas diferentes são usadas para estimar o número de Richardson Gradiente (Stull, 1991):

(7) $$Ri=\frac{g}{{\text{θ}}_{\text{v}}}\frac{\left(\frac{{\text{δθ}}_{\text{v}}}{\text{δ}z}\right)}{{\left(\frac{\text{δ}u}{\text{δ}z}\right)}^2}$$

Na Eq. (7), g corresponde à aceleração da gravidade (9,8 m s^-2), δu/δz (1/s) é o cisalhamento vertical do vento, θ_v (K) é a média da temperatura potencial virtual entre os dois níveis e o termo δθ_v/δz é o gradiente vertical da temperatura potencial virtual.

Newman e Klein (2014) utilizaram parte da subdi­visão criada por eles, considerando Ri < -0,2 como atmosfera fortemente instável, -0,2 ≤ Ri < -0,1, instável, -0,1 ≤ Ri < 0,1, atmosfera neutra, 0,1 ≤ Ri < 0,25, estável e, valores superiores a 0,25, fortemente estável.

As rotinas utilizadas em todos os cálculos acima são descritas em Johnson e Kelley (2000) e são disponíveis em (https://www.nrel.gov/wind/data-tools.html).

3.

Resultados e Discussão

Como antecipado na literatura (e.g., Paiva et al., 2004; Pellegrini e Bodstein, 2005), o escoamento no topo de colinas tende a ser intensificado devido a conservação de massa associado ao adensamento das linhas de fluxo ao contornarem a colina. O perfil de vento obtido pelo VANT (Fig. 3a) confirmam experimentalmente este fato e apontam para um aumento de até 90%, próximo a 20 m de altura, quando comparado ao PR (Fig. 3b). As medidas com o VANT apresentam acurácia de 0,5 m s^-1 (Assireu et al., 2018), portanto, as diferenças observadas entre o perfil de referência (barlavento da colina) e o perfil no topo da colina, são significativamente diferentes, chegando a 4 m s^-1 (Fig. 3a). Os perfis apresentados na Fig. 3 são muito parecidos aos obtidos por Paiva et al. (2004) (vide Fig. 7) via RAMS e corroborado com os dados experimentais para a colina de Askervein. Conforme pode ser visto, o perfil verificado na colina não segue o clássico crescimento logarítmico da velocidade com a altura esperado para terrenos planos. Assim, a existência de velocidades máximas em torno de 20 m indica que turbinas muito altas não necessariamente deverão reverter em maiores aproveitamentos energéticos. Aerogeradores de menor altura (porte) possivelmente alcancem maiores fatores de capacidade, também reduzindo custos e dificuldades logísticas.

Figura 3
(a) Perfis de velocidade no topo da colina (TC) e na base da colina a barlavento (perfil de referência - PR) (b) Perfil do aumento relativo da velocidade.

A inclinação média da colina (θ) do lado barlavento pode ser estimado por 50 m / 250 m, o que resulta em θ = 0,2. Se assumido o θ_c (ângulo crítico) de 0,3 (Wood, 1995) como sendo o limiar para a aplicação da teoria li­near (fluxos sobre a colina representados por linhas de corrente), percebe-se que a colina em estudo se enquadra nesta suposição. Assim, as eqs. (2) a (5) podem ser aplicadas. Para efeito de comparação, os valores de θ para a colina de Askervein são indicados na literatura como va­rian­do entre 0,35 e 0,53. Portanto, a colina neste estudo é mais suave do que Askervein.

A aplicação dos parâmetros da colina em estudo na Eq. (2) permitiu a obtenção da constante C₁ tendo indicado o valor de 0,79. Porém, a constante não é universal e dependente das condições de estabilidade da atmosfera. Pellegrini e Bodstein (2005) apontaram variação de cerca de 400% nesta constante durante o experimento de Askervein. Assim, a formulação proposta por Pellegrini e Bods­tein (2005) (Eq. 3) parece mais adequada para fins práticos e foi aqui resolvida iterativamente. O valor teórico de l que resultou em melhor convergência foi 19,5 m. Esta refere-se à altura teórica onde ocorre o máximo aumento relativo da velocidade. é surpreendente a aderência do valor previsto com aquele observado pelo VANT (Fig. 3b). O mo­delo proposto por Pellegrini e Bodstein (2005) deveria, a rigor, apresentar melhor desempenho em condições de atmosfera neutra e para escoamentos bi-dimensionais, ou seja, pouco influenciados por convergência lateral.

No momento que os perfis sobre a colina foram levantados não se dispunha de dados que permitissem ava­liar a condição atmosférica quanto à estabilidade. Porém, tendo em vista inferir sobre a condição atmosférica no momento das medidas, será analisada a evolução diurna típica do Número de Richardson (Ri) para a área de estudo. Os dados a serem analisados são provenientes de um estudo realizado na região de estudo entre os dias 19 e 22 de setembro de 2016, quando foi utilizado um LIDAR montado sobre uma bóia flutuante para medidas do vento até 200 m e balões cativos para o levantamento do perfil de temperatura e umidade. As medidas de temperatura e umidade a partir do balão, realizadas a cada minuto, foram baseados em sensores muito compactos e leves, chamados Ibutton (Modelo DS1923) com resolução de 0,5 °C e intervalos de medidas entre -20 a 85 °C. Maiores detalhes sobre este campo vide Assireu et al. (2018). A Fig. 4 traz a série temporal, com média de 10 min, da intensidade e direção de vento, temperatura (ar e água) e do Número de Richardson. Para a direção, ventos de norte são definidos com zero grau e aumentam seguindo a rotação horária. A intensidade do vento, no início (16:30 h - 19:00 h), mostra-se bastante variável, com valores flutuando entre 2 e 6 m s^-1 e moderada variação vertical (cisalhamento), e com direção predominante de NW. A partir daí, até apro­ximadamente 22:00 h, há um giro dos ventos coincidindo com expressivo aumento do cisalhamento, com ventos des­de 2 m s^-1 em superfície até 8 m s^-1 a partir de 150 m. Na sequência, observa-se uma inversão na direção, quando o vento passa a incidir a partir de S com valores mais intensos desde a superfície até 200 m. Este vento, que ocorreu em 21/09 entre 00:00 e 07:00h, coincide com expressiva área de água sobre a qual o vento escoa (fetch) antes de atingir a plataforma de medida. O fetch é conhe­cido como área favorável a intensificação do vento (Holman et al., 2017).

A Fig. 4c traz a evolução diurna da temperatura da superfície da água, e da temperatura do ar a 10 e 80 m. Estes dados foram utilizados nas estimativas do número de Richardson Bulk (Ri_B) e Richardson Gradiente (Ri_G) seguindo as formulações de Verburg e Antenucci (2010) e Johnson e Kelley (2000).

Figura 4
Evolução diurna típica da intensidade e direção do vento (a, b), temperatura do ar e da água(c) e do Número de Richardson (d), para a área de estudo.

As condições atmosféricas neste campo e no período de coleta com o VANT eram muito similares, com poucas nuvens (Fig. 5a) e onde a evolução diurna da forçante radiativa modulou as condições atmosféricas em superfície, já que nenhum sistema sinótico atuava na região (Fig. 5b). Assim, a evolução temporal indicada na Fig. 4 é considerada como representativa para o período analisado aqui e será utilizado para inferir a condição atmosférica quanto a estabilidade no momento da medida. Como os perfis da Fig. 3 foram levantados próximo às 10:00 h, será focado a discussão em torno da Fig. 4 entre o início da madrugada e às 10:00 h do dia 21/09/2016. Como as estimativas do RiB mostraram-se numericamente mais estáveis do que o Ri_G, as discussões em torno da Fig. 4b ficaram centradas nas estimativas do Richardson Bulk.

Figura 5
Imagem IR GOES-13 da região de estudo delimitada pelo círculo (a) e carta sinótica de superfície para o horário mais próximo do experimento.

Devido as grandes diferenças de capacidade térmica da água e do ar, observa-se grandes diferenças entre a temperatura do ar (T_ar) e da água (T_água) a partir de ~21:00 h com máxima diferente ocorrendo aproxi­ma­damente às 05:30 h (Fig. 4c), quando a temperatura do ar está ao redor de T_ar = 15 °C e a da água T_agua = 25 °C. Neste período ocorre também as menores diferenças de temperatura entre as alturas 10 e 80 m. Este período é ca­racterizado por condições fortemente instáveis refletidas nos valores de RiB < -0,2 (Fig. 4d). A partir daí até apro­ximadamente as 09:00 h, a temperatura a 80 m fica maior do que a 10 m, tendência esta que inverte a partir das 10:00 h, quando a temperatura a 10 m fica maior do que a 80 m. A partir do nascer do Sol (~ 06:00 h) inicia-se um processo de aquecimento da T_ar que, aproximadamente às 10:00 h se iguala à T_água o que gera uma condição de atmosfera neutra (Fig. 4d). Assim, o fato do perfil do vento a partir do VANT ter sido realizado por volta das 10:00 h, que corresponde a condições de atmosfera neutra, deve explicar o surpreendente ajuste entre o valor de l estimado pelo modelo de Pellegrini e Bodstein (2005) e o observado a partir do VANT.

4.

Conclusões

Este estudo fez uso, pela primeira vez no Brasil, de um VANT equipado com anemômetro, para medir, dire­ta­mente, o perfil vertical do vento influenciado por colinas. Também é inédito no Brasil o uso da morfometria real da colina em estudo, construído a partir dos dados de modelo digital de terreno, como entrada para os modelos. O au­mento relativo da velocidade no topo da colina mostrou ser função de sua altura, o que confirma a teoria. Este valor atingiu 90% da aceleração a 20 m de altura, a partir do topo da colina. Embora o experimento tenha sido realizado sob condições ótimas: vento ortogonal ao eixo principal da colina e em condições de estabilidade neutra, a comparação dos valores medidos com os previstos por um modelo analítico amplamente aplicado em colinas, indicou uma surpreendente concordância entre os valores medidos e modelados. Porém, ressalta-se a necessidade de maior coletânea de perfis, com diferentes direções e sob dife­ren­tes condições atmosféricas, para um teste mais conclusivo desta teoria. Embora a amostragem necessite ser ampliada e estudos sobre o perfil vertical da turbulência ainda precisam ser realizados, os resultados indicam que a colina em estudo pode ser um local promissor para a instalação de aerogeradores, e que estes poderiam ter alturas próxi­mas a 20 m, o que reduz sensivelmente os custos e dificuldades logísticas. O uso do VANT para o mapeamento do escoamento ao redor de colinas é muito promissor, especialmente pelo fato de que a tecnologia LIDAR de varredura cônica possui limitações de uso em terrenos com topografia irregular. Os resultados apresentados aqui podem fornecer subsídios para outros estudos como dispersão de poluentes em plantas industriais instaladas em colinas, propagação de incêndios nestes terrenos e dispersão de agrotóxicos lançados a partir de avião.

Agradecimentos

à FAPEMIG (Projeto APQ 1575/14). ATA e FMP agradecem o apoio financeiro do CNPq, respectivamente, pelos projetos CNPq (309315/2015-8) e CNPq (406801/2013-4, 465672/2014-0, 311930/2016-6). à Equinócio Geoambiental pelo fornecimento e suporte ao uso do VANT. Os autores agradecem aos dois revisores pelas importantes sugestões e correções.

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  5 Ago 2019
• Data do Fascículo
  Apr-Jun 2019

Histórico

• Recebido
  25 Set 2017
• Aceito
  10 Dez 2017