4. Types 1 and 2: Dwelling houses with wide-spaced trestles
4.2 Analysis of house features
O formato.NetCDFpermitiu o armazenamento de uma elevada quantidade de variáveis para cada dia durante o período de medição da Campanha de Perdigão. Este formato (.NetCDF ou Network Common Data Form) é uma interface que permite o acesso e o armazenamento de dados na forma matricial (Rew et al., 1997). Assumindo a dimensão do projeto, o elevado número de dados e o formato complexo dos ficheiros, optou-se por descartar a utilização do programa Microsoft Office Excel, pois a abertura dos ficheiros torna-se extremamente difícil e a sua análise não é prática.
Os programas que permitem a manipulação de ficheiros com o formato descrito são C, C++, Fortran, Python, MATLAB, R e IDL. Devido à familiarização com o MATLAB, este foi o programa de eleição.
Perante a problemática do formato dos ficheiros foi necessário utilizar um pacote da biblio- teca .NetCDF presente no MATLABque realiza a abertura deste tipo de ficheiros e a sua leitura. Destaca-se o comando ncread que permite a leitura da variável de interesse no ficheiro para deter- minado dia de medição. Este comando foi a base para a leitura de toda a informação. Na figura 2.5apresenta-se o código para a leitura das variáveis de interesse e, na figura ?? está representado um gráfico ilustrativo desse código base.
Posteriormente à abertura dos ficheiros das medições foram criados algoritmos de raiz, pre- sentes no anexo A, com o intuito de otimizar o processo de tratamento dos dados, filtração das
2.5 Mapas de Contorno 13
variáveis de interesse e apresentação dos resultados sob a forma de gráficos e tabelas.
clc;clear;
% Introduzir Data no formato YYYYMMDD :
data_dados='20170507';
% Criar String com nome do ficheiro
ficheiro_nc=strcat('isfs_qc_tiltcor_',data_dados,'.nc');
% Introduzir Variável de acordo com ISFS, Altura e Código da Torre
var='spd'; alt='100m'; torre='tse04'; var_nome=strcat(var,'_',alt,'_',torre);
% Leitura dos dados da variável para dia específico
dados=ncread(ficheiro_nc,var_nome);
Figura 2.5: Código base para leitura da informação.
2.5
Mapas de Contorno
Para evidenciar a variação espacial das diversas variáveis optou-se por criar mapas de contorno em função das torres meteorológicas. Decidiu-se analisar os ventos que apresentam uma direção perpendicular às colinas, ou seja, direções Sudoeste e Nordeste.
Para realizar esta análise foi necessário criar um programa de raiz, de modo a filtrar dados de acordo com os diversos parâmetros e. Posteriormente criaram-se mapas de contorno para obter uma visualização gráfica dos dados.
Os dados relativos aos diversos mapas de contorno estão presentes no anexo B para cada variável e direção, em função da altura e das diversas torres.
2.5.1 Torres de referência
Inicialmente, decidiu-se utilizar como referência a torre 16 para vento SO. Para vento NE foram utilizadas as torres de referência 1 para os 20 metros e a 17 para os 10 e 30 metros. Foi realizada a leitura da direção do vento para as torres em questão e, de seguida, retirados os instantes de tempo cuja direção estava compreendida entre 45◦±12.5◦para ventos NE e 225.5◦±12.5◦para ventos SO.
O parâmetro da escolha das torres de referência para cada direção do vento teve em conside- ração a sua localização. A escolha do melhor local para a torre de referência seria a montante da colina em função da direção do vento.
Portanto, para ventos NE a escolha sensata é a torre 16. Para o caso de vento SO a escolha seria a torre 17, mas esta torre só contém anemómetros ultra-sónicos para as alturas de 10 e 30 metros. De modo a ultrapassar esta problemática considerou-se utilizar a torre 17 para as alturas de 10 e 30 metros em conjunto com a torre 1 ou 20 para a altura de 20 metros.
Na tabela2.4 apresenta-se a quantidade de instantes de tempo dos dados do período IOP em que se verificou a direção para 225.5◦± 12.5◦ (vento SO), em função da torre e da altura para o
período IOP.
Para as torres 17 e 1 observa-se que a quantidade de instantes é semelhante. A torre 20 apre- senta quase o dobro dos instantes de tempo para a condição da direção do vento em comparação com as outras duas torres, pois apresenta-se a uma maior altitude (a.n.m). Para analisar os ventos que sejam obrigados a subir a colina optou-se pela escolha como torres de referência a torre 17 em conjunto com a 1 para a direção do vento SO. Note-se ainda que entre a torre 1 e 20, a que apresenta maior homogeneidade com os instantes de tempo para a torre 17 é a torre 1.
Tabela 2.4: Quantidade de instantes de tempo para vento SO para o IOP Altura Torre 17 Torre 1 Torre 20
[m]
10 1151 1238 2083
20 1243 0 2143
30 0 1088 2022
Posteriormente são aplicados esses instantes de tempo para todas as torres meteorológicas da serra, consoante a direção das torres de referência e, retirada informação para os parâmetros da velocidade horizontal (spd), componentes do vento u, uu, v, vv, w, ww.
De seguida é realizada a média diária dos instantes de tempo diários das torres de referência para todas as torres, em função dos parâmetros e alturas desejadas. Com os valores das 46 médias diárias obtidas para todo o IOP, é calculada a média final para esse período, consoante a torre, altura e parâmetro.
Por último foram criados os mapas de contorno em função da direção do vento para 3 altu- ras, 48 torres e 5 variáveis. As variáveis estudadas foram a velocidade horizontal do vento, as componentes do vento u, v, w e, a Energia Cinética Turbulenta (ECT).
Na figura2.6, verifica-se todo este processo na forma de um fluxograma, que ilustra o pro- cesso realizado para se obter dados para os mapas de contorno. No algoritmo realiza-se um ciclo para cada um dos 46 dias, 48 torres, 4 alturas (10, 20, 28, e 30 metros) e 6 variáveis, pelo que o algoritmo realiza 61824 ciclos, de modo a obter os dados só para uma única direção.
2.5 Mapas de Contorno 15 Inicio Definir: Torre de Referência Direção do Vento v = 1 : 7 a = 1 : 4 t = 1 : 48 d = 1 : 46 d 46 ?< Obter instantes de tempo em que se verifique a direção do vento definido , para a torre de referência.
±12.5∘
Calcular média para o período IOP da torre "t"; altura "a" ; e variável "v"
Média IOP de todas as torres,altura "a", e variável "v"
Média IOP, todas as torre, todas as altura , para a variável "v"
1. ler dados para a variável "v"; altura "a" ; torre "t" ; e dia "d". 2. Obter dados para os instantes de
tempo onde se verificou direção definida para a torre de referência. 3. Calcular média do dia "d"
variavel{v}={spd,u,v,w,T,uu,vv,ww} altura{a}={10m,20m,28m,30m} torre{t}={tnw,tse,rsw,rne,v} d = d + 1 t = t + 1 a = a + 1 v = v + 1 Verdadeiro Verdadeiro Verdadeiro Verdadeiro Falso Falso t 48 ?< a 4 ?< v 7 ?< Falso Falso
Dia{d}={01 Maio 2017, 02 Maio 2017,(...) ,15 Junho 2017}
Média IOP, todas as torres, todas as alturas,
e para todas as variáveis
2.6
Perfil de Velocidades
Com o intuito de obter resultados significativos, a análise do perfil de velocidades das medições está condicionada pela existência de torres meteorológicas de altura elevada. Devido a este fator, as únicas torres consideradas foram as que atingem uma altura de 100 metros, ou seja, as torres 20 (tse04), 25 (tse09) e 29 (tse13), figura2.7. Na figura2.8é apresentado o perfil da velocidade horizontal para as torres em questão.
Observou-se que as torres 20 e 29 são as que apresentam uma velocidade horizontal maior, contrariamente à torre 25 que apresenta uma grande discrepância em termos de velocidade em relação às outras duas torres. Este facto deve-se à localização das torres 20 e 29 ser no cume da colinas, Sudeste e Noroeste, respetivamente, locais onde se verifica uma maior velocidade hori- zontal (fenómeno já referido previamente na secção1.3). No caso da torre 25, esta está localizada no sopé da colina norte, onde a velocidade horizontal é menor relativamente às torres situadas no cume das colinas.
2.6 Perfil de Velocidades 17 0 1 2 3 4 5 Velocidade Horizontal [m/s] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 A lt u ra (a .n .s ) [m ] Torre 20 Torre 25 Torre 29
Capítulo 3
Discussão de Resultados
Os objetivos do presente capítulo são a análise dos resultados das medições de campo realiza- das na serra do Perdigão para os 46 dias do IOP e a compreensão da variabilidade de cada variável ao longo da serra para as direções de vento predominantes Nordeste e Sudoeste.
Para comparação optou-se por utilizar os resultados adquiridos nas torres meteorológicas e as simulações realizadas porda Silva(2018).
3.1
Velocidade Horizontal
Vento Sudoeste
Em primeira análise, para os resultados representados na figura3.1para todas as alturas, na colina sul é perceptível que a velocidade do vento para as torres 17 e 18 sofre um desaceleramento (no sopé, a montante da colina) seguido por uma brusca aceleração até ao cume, evidente nas torres 18 para 20. É no topo da colina que a velocidade atinge o seu máximo, desacelerando posteriormente a jusante.
No vale, a velocidade diminui de forma significativa em comparação com a colina sul devido a processos de recirculação do ar e turbulência.
Para o caso da colina situada a norte esta sofre o mesmo processo que a colina a sul. O vento desacelera a montante, aumenta a sua velocidade quando atinge o cume e, seguidamente diminui a sua velocidade a jusante. Note-se que a montante da colina norte, no vale, a desaceleração da velocidade horizontal é maior para as torres localizadas na região sul do vale do que para as torres localizadas a noroeste no vale, independentemente da altura.
Na torre 6 ocorre uma significativa elevação do relevo relativamente às torres vizinhas (ver tabela 2.2), na qual se origina um aumento de velocidade horizontal comparativamente com as torres 5 e 7.
Note-se que entre a torre 2 e a torre 4, as quais se encontram a 20 metros (figura3.1b), verifica- se uma velocidade muito abaixo da esperada para a sua localização. A velocidade permanece constante em consequência da inexistência de anemómetros sónicos para esta altura. Este facto não
só se verifica para esta torre, mas também para outras torres. Na figura2.1e na tabela2.1pode-se interligar a altura que cada torre pode medir e a cor representativa de cada torre. Exemplificando, as torres de cor púrpura na figura referenciada apresentam aparelhos de medição até os 10 metros e torres de cor azul até aos 20 metros. Por esta razão, o mapa de contorno reduz de dimensão à medida que se aumenta de altura, quanto maior for a altura, menor é a disponibilidade de aparelhos de medição no terreno.
Para compreender quais as torres que apresentam equipamentos para as diferentes alturas definiu-se nos mapas de contorno a legenda das torres na serra com a cor cinzenta para torre sem aparelho de medição e cor vermelha para torres com aparelhos de medição. Exemplificando com a torre 3 para a altura de 10 e 20 metros nas figuras3.1ae3.1b, observa-se esta mudança de cor da legenda representativa da existência ou não de aparelhos de medição em função da altura.
Com o aumento da altura, figuras3.1aaté3.1cverifica-se o aumento de velocidade para todas as torres de medição. Para além disso, a variação da velocidade com a altura está de acordo com o perfil de velocidades presente na figura2.8. Isto é, a variação da velocidade é maior dos 10 para 20 metros de altura do que para os 20 para 30 metros.
Vento Nordeste
Para o vento NE, representado na figura3.2, verifica-se, de modo similar ao que se constatou para o vento SO, a velocidade horizontal é maior no cume das colinas e decresce a jusante e a montante destas.
É no topo das colinas sul e norte que se observa o valor máximo da velocidade horizontal. A jusante das colinas sul e norte ocorre novamente uma diminuição da velocidade devido à presença de separação do escoamento e possível aumento da turbulência. Igualmente para o vento SO, o vento NE aumenta a sua velocidade horizontal para todas as torres meteorológicas. Este aumento é maior dos 10 para os 20 metros do que dos 20 para os 30 metros, o que está de acordo com o perfil de velocidades presentes na figura2.8.
A sotavento da colina norte, no vale, observa-se que a velocidade é maior a noroeste quando comparada com o sudeste. Na torre 6 é também evidenciado o aumento da velocidade em relação com as torres na sua vizinhança possivelmente devido ao aumento da altitude (a.n.m).
Independentemente da direção do vento identifica-se que a colina sul apresenta uma maior velocidade horizontal do que a colina norte.
3.1 Velocidade Horizontal 21
(a) Altura de 10 metros.
(b) Altura de 20 metros.
(c) Altura de 30 metros.
(a) Altura de 10 metros.
(b) Altura de 20 metros.
(c) Altura de 30 metros.
3.2 Componente u 23
3.2
Componente u
A componente u representa o fluxo de vento paralelo à latitude com direção Oeste ou Este. Esta componente é positiva para o vento de direção Oeste e negativa para vento de direção Este.
Na figura3.3 e3.4 estão representados os mapas de contorno para o IOP desta variável em função do vento SO e NE.
Vento Sudoeste
Para vento SO, para todas as alturas, verifica-se que a montante da colina a sul apresenta uma velocidade com sinal positivo e, a jusante não só a componente u é negativa, como diminui a velocidade absoluta, figura3.3. Esta inversão do sentido nos mapas de contorno é caracterizada pela mudança de sinal, a qual representa uma zona de recirculação em que existe separação do escoamento. Os fenómenos de recirculação do vento podem ser explicados pelas características íngremes da colina.
Posteriormente, o sinal da componente u permanece negativo, atingindo a velocidade máxima na zona de recirculação entre as torres 4, 5 e 22 até um máximo de cerca de 0, 6 m · s−1na torre 4 para a altura 20 metros, figura3.3b. A componente u perde gradualmente intensidade à medida que se aproxima do conjunto de torres 47 até 53 (i.e, conjunto de torres de código v, ver figura 2.2).
Dentro da zona de recirculação, à medida que se segue para nordeste a velocidade da compo- nente u perde gradualmente intensidade.
Após este local, o escoamento inverte novamente o sentido com rumo a Este, aumentando progressivamente a sua velocidade até um máximo no topo da colina norte. Para o topo desta colina os resultados máximos ocorreram entre as torres 29 até à 41, e da 11 até à 46, o que representa a saída do escoamento do vale maioritariamente por estes locais.
Para a colina norte, da torre 11 até à torre 16 ocorre uma mudança instantânea da direção deste parâmetro. Na figura3.3, não é realmente muito visível esta mudança dado que a legenda ilustrativa de cada torre para este local cobre muita informação. No anexoBestá presente os dados referentes aos mapas de contorno e na tabelaB.2estão expostos os dados para a componente u.
Note-se que para a torre 21 para a altura de 10 metros (figura3.3a), a velocidade da compo- nente u apresenta-se positiva, mas deveria ser negativa por se situar no vale. A razão pelo qual a velocidade é positiva neste local é devido à inexistência de dados nessa torre para as alturas estudadas. Assim, o programa MATLAB realizou uma interpolação linear entre a torre 20, 35 e 22. Como a velocidade das torres 20 e 35 está compreendida entre 1.2 e 1.6 m/s e a torre 22 é de aproximadamente de -0.4 m/s, espera-se que o efeito da interpolação linear faça com que logo a seguir ao cume (região da torre 21) a componente u seja positiva. Da torre 3 para a 4 pode-se visualizar como deveria ser o mapa de contorno para a torre 20 até 21. Para as alturas de 20 e 30 metros, figuras3.3be3.3c, este erro só está presente para a torre 21 como para outras como por exemplo, para a torre 3 e 43 que não apresentam dados para estas alturas.
A jusante da torre 45 observa-se que o escoamento não sofre inversão, o que pode também ser explicado por um erro de interpolação, por não existirem torres a jusante que comprovem a inversão do sentido apresentando uma interpolação linear irrealista.
3.2 Componente u 25
(a) Altura de 10 metros.
(b) Altura de 20 metros.
(c) Altura de 30 metros.
Vento Nordeste
Os resultados para o vento NE, figura3.4, apresentam muitas semelhanças com os resultados para o vento SO, mas na forma inversa. A sotavento da colina norte e da colina sul observa- se uma variação do sentido deste parâmetro, o que representa uma mudança de direção desta componente ocorrendo separação do escoamento nessas zonas. Por exemplo da torre 11 situada no topo da colina norte para a torre 10, a jusante da mesma colina observa-se uma mudança de direção instantânea para uma componente u positiva.
Tal como ocorreu para vento SO, a velocidade máxima na zona de recirculação a jusante da colina sul está situada na encosta sul da colina. A região de recirculação do vento é limitada até meio do vale, especificamente desde o topo da colina norte até a sul do conjunto de torres 47 até 53.
Para a colina a sul, a jusante, verifica-se novamente a variação de sentido, mas de maneira diferente para a altura de 10 metros, figura 3.4a. Observa-se que para a torre 20 o sentido do escoamento deveria ser negativo por se situar no topo da colina e, finalmente só na torre 18 haveria de sofrer a inversão de sentido. Nos resultados obtidos o que ocorre não é exatamente o que foi descrito. Na torre 20 apresenta uma direção Este quando deveria apresentar direção Oeste, figura 3.4a. Para as alturas de 20 e 30 metros já se verifica esta condição, figuras 3.4be 3.4c. A torre de referência que caracteriza os instantes de tempo em que ocorre vento NE é a 16. Sincronizou- se estes instantes com o resto das torres, não tendo em conta o tempo que demora para o vento registado na torre 16 chegar às outras torres. Deste modo é possível que quanto maior for distância das torres meteorológicas à torre 16, maior é o erro associado aos instantes de tempo caracterizados por vento NE.
Para a torre 20, a 20 metros é identificável que a jusante não sofre inversão do sentido da com- ponente u. Tal facto é explicado novamente pelas torres 18 e 17 não apresentarem anemómetros sónicos para esta altura, na qual apresenta uma realidade enganadora devido à interpolação feita pelo MATLAB, já que nesses locais, a componente u deveria de ser positiva.
É possível que o escoamento presente no vale saía na colina sul no local entre as torre 35 e 34, e entre as torres 34 e 35 pela velocidade deste ser significativamente mais elevada do que para o resto da colina sul.
A jusante da colina norte ocorre recirculação, exceto a sotavento da torre 45. Não se observam condições de recirculação nesse local devido à ausência de torres, o que faz com que o MATLAB
faça interpolações com outras torres, resultando num mapeamento não correspondente à realidade. Verifica-se de igual forma este defeito para o transecto perpendicular às colinas às torres 39, 34, 33, 32 devido à falta de torres meteorológicas.
3.2 Componente u 27
(a) Altura de 10 metros.
(b) Altura de 20 metros.
(c) Altura de 30 metros.
3.3
Componente v
A componente v do vento, também designado de vento meridional, representa o vetor do vento transversal com sentido Norte-Sul. Esta componente do vento é positiva quando apresenta uma direção de sul para norte, e negativa quando se move para sul.
Vento Sudoeste
A componente v para vento SO, figura3.5apresenta valores positivos a montante das colinas sul e da colina norte e valores negativos a jusante das duas colinas, o que representa inversão, escoamento de direção norte para sul.
A zona onde se verifica uma maior intensidade da inversão do sentido para vento SO é logo a jusante da colina sul, no vale, no qual para a altura de 10 metros se atinge velocidades máximas até aproximadamente 0, 6 m · s−1 na torre 4, figura3.5ae com o aumento da altura ocorre uma diminuição da velocidade até à altura de 30 metros, figura 3.5ccom velocidade máxima neste sentido de aproximadamente 0, 2 m · s−1. Constata-se também a diminuição da zona de inversão do sentido (região de cor azul na figura3.5) com o aumento da altura no vale, sendo que para a altura de 30 metros não é tão representativo devido à maior ausência de torres.
Os resultados sugerem que para a região sul do vale e a jusante da colina sul são preenchidos pelo escoamento proveniente de norte, e para a parte norte do vale é preenchido por escoamento de origem sul.
As zonas de inversão do sentido parecem coincidir em grande parte com as zonas de recircu- lação do escoamento já observado na secção3.2. De acordo com estes resultados, é possível que quando ocorra zonas de recirculação para vento SO, o escoamento dentro delas tenha efeito na componente v.
Vento Nordeste
A componente v para o vento NE assemelha-se ao vento SO. Desta forma, a montante das colinas observa-se sinal negativo para esta componente, sentido do vento de norte para sul. Para o caso a jusante das colinas a componente v adquire a direção de sul para norte o que corresponde inversão do sentido, figura3.6.
A velocidade máxima para este parâmetro com rumo para sul ocorre no sopé a norte da colina sul e a velocidade máxima com direção para norte ocorre na face sul da colina norte. Realizando uma análise dos dados obtidos para estes parâmetros é identificável que independentemente de