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Título: Desenvolvimento de ferramentas computacionais para simulação da dispersão de gases liberados por veículos espaciais no Centro de Lançamento de Alcântara
Autor(es): Nascimento, Erick Giovani Sperandio
Orientador: Moreira, Davidson Martins
Coorientador: Albuquerque, Taciana Toledo de Almeida
Data do documento: 11-Out-2016
Editor: Universidade Federal do Espírito Santo
Resumo: Durante o lançamento de foguetes e veículos espaciais, grandes e quentes nuvens de exaustão são geradas próximo ao solo, e são compostas por poluentes atmosféricos tais como alumina, monóxido de carbono e cloreto de hidrogênio. Este processo leva alguns segundos para ocorrer, e geralmente áreas povoadas localizadas próximas ao centro de lançamento podem ser expostas a grandes níveis de concentração de poluentes em uma janela de tempo de poucos minutos a menos de poucas horas. Devido à especificidade da representação do termo fonte que neste caso é a nuvem de exaustão e uma vez que um receptor pode ser impactado em menos de uma hora, modelos de qualidade do ar usuais não foram projetados para lidar com tal problema único. Além disso, a nuvem pode ser transportada a locais mais distantes, podendo assim impactar receptores em escalas de tempo e espaço maiores. Portanto, os centros de lançamento ao redor do mundo precisam avaliar operacionalmente o impacto de curto e longo alcance de eventos de lançamento de foguetes no ambiente através da modelagem meteorológica e de qualidade do ar. Para este fim, este trabalho apresenta o desenvolvimento de um novo modelo computacional denominado MSRED ―Model for Simulating the Rocket Exhaust Dispersion‖, que em português significa ―modelo para simulação da dispersão da exaustão de foguetes‖. Ele foi concebido com base numa solução tridimensional semi-analítica da equação de difusão-advecção, incorporando uma moderna parametrização tridimensional da turbulência atmosférica, tendo sido projetado para simular a formação, ascensão, expansão, estabilização e dispersão de nuvens de exaustão de foguetes, com o objetivo de avaliar seu impacto de curto alcance, sendo capaz de ler dados meteorológicos diretamente da saída do modelo WRF (Weather Research and Forecasting). E, para a modelagem de longo alcance e do transporte químico, o MSRED foi construído para se integrar ao modelo CMAQ (Community Multiscale Air Quality) através da geração do arquivo de condições iniciais pronto para entrada no modelo. Foram realizadas simulações e análises a fim de avaliar a aplicação deste sistema integrado de modelagem para diferentes casos de lançamento de foguetes e em diferentes condições atmosféricas, para a região do Centro de Lançamento de Alcântara (CLA, o portal espacial brasileiro). Este sistema híbrido, moderno e multidisciplinar é a base de uma estrutura de modelagem que pode ser utilizada operacionalmente em qualquer centro de lançamento do mundo para simulações e análises pré e pós-lançamento dos efeitos ambientais de operações de lançamento de foguetes.
During the launch of rockets and spacecrafts, huge and hot clouds are generated near the ground level, and are composed by buoyant exhaust products, such as alumina, carbon monoxide and hydrogen chloride. This process takes a few minutes to occur, and generally populated areas nearby the launching center may be exposed to high levels of hazardous pollutant concentrations within few minutes to less than a couple of hours. Due to the specificity of the representation of the source term – which is the rocket exhaust cloud – and since a receptor can be impacted in less than one hour, common air quality models were not designed to deal with such a unique problem. Furthermore, the cloud may be transported to farther distances and impact receptors in longer time and space scales. Thus, the launching centers around the globe, like spaceports, need to operationally assess the short and long range impacts of rocket launch events in the environment through meteorological and air quality modeling. For this end, this work presents the development of a new model called Model for Simulating the Rocket Exhaust Dispersion – MSRED. It is based on a semi analytical three dimensional solution of the advection-diffusion equation, incorporating a modern three dimensional parameterization of the atmospheric turbulence, designed to simulate the formation, rise, expansion, stabilization and dispersion of rocket exhaust clouds for short range assessment, being able to directly read meteorological data from WRF (Weather Research and Forecasting) model output. And, for the long range and chemical transport modelling, the MSRED was built to be integrated to the Community Multi-scale Air Quality (CMAQ) model, by generating a ready-to-use initial conditions file to be input to CMAQ. Simulations and analysis were carried out in order to evaluate the application of this integrated modeling system for different rocket launch cases and atmospheric conditions, for the Alcântara Launching Center (CLA, the Brazilian gate to the space) region. This hybrid, modern and multidisciplinary system is the basis of a modeling framework that can be operationally employed at any launching center in the world, for pre- and post-launching simulations of the environmental effects of rocket operations
URI: http://repositorio.ufes.br/handle/10/9455
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