VENTILAÇÃO NATURAL
AÇÃO DO VENTO
Fernando Marques da Silva
Jornadas de Engenharia de Climatização - 2013
Ventilação natural
revisão dos conceitos fundamentais
equipamentos
processos indutores
aerodinâmica
modelos
Posicionamento de chaminés
O vento
camada limite atmosférica
camada limite urbana
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2013-10-17
LNEC | 2/67
Jornadas de Engenharia de Climatização - 2013
VENTILAÇÃO NATURAL
É ao conjunto de processos que promovem, de forma controlada, os
fluxos de ar entre o interior e o exterior, que se dá o nome de
Ventilação.
A evolução dos conceitos de conforto e de conservação de energia nos
edifícios conduziu à aplicação de sistemas de Utilização Racional de
Energia (URE).
características
locais
tecnologias passivas de
aquecimento/arrefecimento
sistemas de ventilação
controláveis e fiáveis
projecto cuidado
satisfação dos requisitos, mesmo em edifícios complexos
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2013-10-17
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VENTILAÇÃO NATURAL
A dependência das condições climatéricas é, porventura, a maior
condicionante desta tecnologia, já que não permite garantir, em
permanência, os níveis mínimos de ventilação. Estes são, no entanto,
assegurados na maioria dos casos.
A utilização da energia de uma forma natural e racional como método de
projetar edifícios, do ponto de vista do conforto inclui aspetos relacionados
com o ambiente térmico e a QuAI e, portanto, com a ventilação.
consonância com o clima local
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2013-10-17
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VENTILAÇÃO NATURAL
Nos EUA a cidade de Chandigarh (Estado de New
Jersey) foi planeada de modo a que as ruas e o
espaçamento entre edifícios permitisse o varrimento
pelo vento, como forma de evitar situações de stresse
térmico.
No mesmo Estado, as cidades dormitório foram
protegidas do vento frio de Inverno por cinturas
arborizadas, que simultaneamente, canalizavam as
brisas de Verão para o seu interior.
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2013-10-17
LNEC | 5/67
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VENTILAÇÃO NATURAL
a incorporação de elementos de vegetação que,
em conjugação com os edifícios, podem contribuir
para favorecer a VN, orientando o escoamento
para determinadas aberturas, ou servindo de
barreira aos ventos excessivos
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2013-10-17
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VENTILAÇÃO NATURAL
equipamentos
CHAMINÉS SOLARES
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VENTILAÇÃO NATURAL
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VENTILAÇÃO NATURAL
WINDCATCHERS
casa de Bayt
Mahib-al-Din
(1350), no
Cairo, incluindo
o malkaf , a
fonte para o
arrefecimento
evaporativo e
uma chaminé
solar
YAZD, IRÃO
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2013-17-17
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VENTILAÇÃO NATURAL
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VENTILAÇÃO NATURAL
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VENTILAÇÃO NATURAL
Montfort Univ., Leicester, UK
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VENTILAÇÃO NATURAL
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VENTILAÇÃO NATURAL
EDIFÍCIO H – Office Park Expo
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VENTILAÇÃO NATURAL
PNC Financial Services Group - Pittsburgh
…moves away from the traditional closed airconditioned environment…
…using a double-skin facade ….feature operable doors and
windows that admit fresh air into the building during optimal
conditions.
A solar chimney is another component of the structures passive
system: it pulls air in through the open windows, rather than
sucking air out as usually occurs in a high rise building, the air
then travels across the floors, is heated and exhaled through the
roof shaft.
http://www.gizmag.com/gensler-pnc-breathing-buildingpittsburgh/25568/
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2013-10-17
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VENTILAÇÃO NATURAL
Arrefecimento evaporativo no
Zion Park visitor’s centre, USA
Universidade do Qatar, Doha
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processos indutores
O movimento de uma dada massa de ar é induzido por um diferencial de
pressões
vento; ventilação.
Nos edifícios é a diferença de pressão entre os dois lados de uma qualquer abertura
(frinchas, janelas, portas, chaminés, ou aberturas específicas para ventilação) que
promove o fluxo de ar que constitui a ventilação.
 Térmico – devido à impulsão com origem na diferença de temperaturas entre
o interior e o exterior;
 Eólico – devido à conversão da energia cinética do vento em pressão estática
sobre a envolvente do edifício.
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processos indutores
Os caudais de ventilação são estimados a partir da aplicação das
equações de conservação da massa e conservação da energia entre
os dois lados de uma abertura.
2
G  AU  A 
p

p - diferença de pressão
entre os dois lados da
abertura
m3 / s
 - coeficiente de dissipação de
energia
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1
U

2
P

processos indutores
m/s
Aberturas de bordos retos – Cd = 0,6 0,1
Para aberturas horizontais Cd (<5º)=0,15, aumentando progressivamente até
Cd (>20º)=0,6.
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processos indutores
 = 15º ; 30º ; 45º ; 60º ; 90º
 = 31 ; 25 ; 19.5 ; 14 ; 2,5
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G  AU  A 
2
p

Abertura única
m3 / s
processos indutores
processo térmico
P T  0,021 H12 T
G T  135 A T h
Pa
m3 / h
influência do tipo e do grau de
abertura de janelas pode ser
contabilizado através de um factor
multiplicativo, J()
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Aberturas a diferentes cotas
na mesma fachada
processos indutores
processo térmico
G T   C d A1 T H12
  956
m3 / h

1   
2
Aberturas a diferentes cotas
“cruzadas”
G Tcz  956 (Cd A)eq
1
A eq
T2

C
T H12
T
1
A  CD3 A 3 
D1 1
2

C
m3 / h
1
A 2  CD 4 A 4 
D2
1
3
T
Função do calor libertado, Q G And  133 (QH12 ) (Cd A1 )
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2
2
3
m3 / h
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processos indutores
processo eólico
A ação do vento sobre um edifício:
 forma do próprio edifício,
 da incidência do vento
 das características da sua vizinhança - obstáculos, orografia e rugosidade
De uma forma genérica
envolventes de barlavento – Cp>0
todas as outras
– Cp<0
A variação da distribuição de pressão nas envolventes, quer no espaço quer no tempo, é portanto a
questão central neste processo de ventilação.
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processos indutores
aerodinâmica
corpos fuselados
corpos rombos
(“aerodinâmicos”)
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(bluff bodies)
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LNEC | 24/
Jornadas de Engenharia de Climatização - 2013
processos indutores
aerodinâmica
O resultado da interação entre o escoamento e um edifício é exemplo de complexos
escoamentos tridimensionais dependentes das características do escoamento incidente.
O escoamento que contorna o edifício sofre o efeito de
separação, devido aos gradientes de pressão adversos que
encontra nas arestas, gerando zonas de recirculação que
cobrem as fachadas laterais e a cobertura, e se estendem
para jusante formando uma esteira.
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2013-10-17
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Jornadas de Engenharia de Climatização - 2013
processos indutores
aerodinâmica
o escoamento pode
recolar às fachadas
laterais e à cobertura
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Cp
CLA :  = 0,2
0.7
processos indutores
CLA :  = 0,4
0.6
0.5
- 0.14
aerodinâmica
Cp
0.7
0.6
0.5
0.4
0.4
0.3
0.3
0.2
0.2
0.1
0.1
0
0
-0.1
-0.1
-0.2
-0.2
-0.3
-0.3
-0.4
-0.4
-0.5
-0.6
-0.5
-0.15
-0.6
-0.7
-0.7
-0.8
-0.8
-0.9
-0.9
-1
-1
0º
0º
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LNEC | 27/67
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CLA :  = 0,2
Cp
processos indutores
aerodinâmica
0.7
0.6
0.5
cobertura : 1 água a 15º
0.4
1.00
0.3
INCIDÊNCIA : NW / NE
FACHADA : NASCENTE / POENTE
0.2
0.1
0
0.90
-0.1
-0.2
-0.3
Cp
-0.4
-0.5
0.80
0.80
0.70
0.70
-0.6
-0.7
-0.8
-0.9
-1
-1
-1.5
0.60
Z/H
0.50
0.50
-2
Z/H
0.60
-2.5
-3
-3.5
0.40
0.40
0.30
0.30
-4
30º
-4.9
-4.5
-5
0.20
0.20
0.10
0.10
0.10
0.20
AÇÃO DO VENTO Fernando Marques da Silva
0.30
0.40
0.50
0.60
2013-10-17
0.70
0.80
0.90
1.00 X/L
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Jornadas de Engenharia de Climatização - 2013
processos indutores
aerodinâmica
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2013-10-17
LNEC | 29/67
Jornadas de Engenharia de Climatização - 2013
processos indutores
processo eólico
G  AU  A 
2
p

m3 / s
Abertura única
G E  1800A 0,001U 2  0,01
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2013-10-17
m3 / h
LNEC | 30/67
Jornadas de Engenharia de Climatização - 2013
processos indutores
processo eólico
Aberturas a diferentes cotas
“cruzadas”
G Ecz  3600 (Cd A)eq U Cp
E
1
A eq
E2

C
1
A  CD 2 A 2 
D1 1
2

C
1
A 3  CD 4 A 4 
D3
AÇÃO DO VENTO Fernando Marques da Silva
2
2013-10-17

m3 / h
1
1

2
2
A bv Asv
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processos indutores
modelos
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2013-10-17
LNEC | 32/67
Jornadas de Engenharia de Climatização - 2013
processos indutores
modelos
VENTIL
http://www.bfrl.nist.gov/IAQanalysis/CONTAM/overview/1.htm
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LNEC | 33/67
Jornadas de Engenharia de Climatização - 2013
processos indutores
Posicionamento de chaminés
A ação do vento pode condicionar o bom desempenho da conduta de exaustão, sendo necessário
posicionar corretamente a boca de saída da conduta, processo que deve ser avaliado segundo os
seguintes critérios:
 Eficácia da exaustão;
 Evitar a “exportação” de emissões para a vizinhança ou para admissões de ventilação do
próprio edifício (auto poluição).
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LNEC | 34/67
Jornadas de Engenharia de Climatização - 2013
processos indutores
Posicionamento de chaminés
AÇÃO DO VENTO Fernando Marques da Silva
2013-10-17
LNEC | 35/67
Jornadas de Engenharia de Climatização - 2013
processos indutores
Posicionamento de chaminés
Coberturas inclinadas
a) inclinações até 10º Hch> 0,5 m acima
da cumeeira
b) prolongar as linhas das águas, a partir
da cumeeira, até X=0,5R e na horizontal
a partir deste ponto
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2013-10-17
LNEC | 36/67
Jornadas de Engenharia de Climatização - 2013
processos indutores
Posicionamento de chaminés
Cobertura em terraço
Traçar a linha que limita a zona I, de acordo com:
(X1=0 , h=0); (X1=0,1R , h=0,6H1); (X1=0,2R , h= 0,7H1); (X1=0,4R , h= 0,9H1); (X1=0,5R , h= H1);
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LNEC | 37/67
Jornadas de Engenharia de Climatização - 2013
processos indutores
Posicionamento de chaminés
AÇÃO DO VENTO Fernando Marques da Silva
2013-10-17
LNEC | 38/67
Jornadas de Engenharia de Climatização - 2013
processos indutores
Posicionamento de chaminés
Alturas máximas da zona I, em função das dimensões da fachada frontal
L
H
3
6
9
12
15
18
21
24
27
30
33
36
39
42
45
6
9
12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54 57 60 63 66
1.2
1.5
1.6
1.5
1.7
1.8
2.0
2.3
2.1 2.2
2.5
2.6
2.5
2.8
2.9
2.8
3.0
3.2
3.3
3.0
3.2
3.4
3.5
3.0
3.2
3.4 3.5
3.7
3.8
3.2
3.4
3.5
3.7 3.8
4.0
4.1
3.6
3.8
4.0
4.2
4.3
3.7
4.0
4.1
4.3
4.5
4.6
3.9
4.0
4.2
4.3
4.5
4.7
4.8
4.0
4.2
4.4
4.6
4.8
5.0
4.2
4.4
4.5
4.7
4.9
5.0
5.2
4.3
4.5
4.7
4.9
5.0
5.2
5.3
5.5
os espaços em branco nas colunas correspondentes a L=6 e L=9, correspondem a
configurações pouco plausíveis.
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2013-10-17
LNEC | 39/67
Jornadas de Engenharia de Climatização - 2013
processos indutores
Posicionamento de chaminés
Edifício “isolado”
L
6
9
12
15
18
21
24
27
30
33
36
39
4
45 8
42
51
54
57
60
63
66
H
3
1.2
6
1.5
9
1.8
12
2.1
1.5
H=45 m (15 pisos)
L= 27 m
R=32
L/H=0,6
hI = 4,7 m
XII = 2,7 x 32 = 86 m
1.6
1.7
2.0
2.2
2.3
2.5
2.6
15
2.5
2.8
18
2.8
3.0
21
3.0
2.9
3.2
3.2
24
3.0
3.2
3.4
27
3.2
3.4
3.5
3.3
3.4
3.5
3.5
3.7
3.7
3.8
3.8
4.0
4.1
30
3.6
3.8
4.0
33
3.7
4.0
4.1
36
3.9
4.0
39
4.0
4.2
4.4
4.6
42
4.2
4.4
4.5
4.7
4.9
5.0
45
4.3
4.5
4.7
4.9
5.0
5.2
4.2
4.2
4.3
4.3
4.3
4.5
4.5
4.6
4.7
4.8
4.8
5.0
AÇÃO DO VENTO Fernando Marques da Silva
5.2
5.3
2013-10-17
5.5
LNEC | 40/67
Jornadas de Engenharia de Climatização - 2013
processos indutores
Posicionamento de chaminés
L
6
9
12
15
18
21
24
27
30
33
36
39
42
45
48
51
54
57
60
63
66
H
3
1.2
6
1.5
9
1.8
12
2.1
1.5
Zona urbanizada
H= 0,7 x Hed = 0,7 x 9
=6m
L= 180 m
R=1,2 x H = 7 m
L/H= 30
hI = 1,7 m
XII = 2,7 x 6 = 16 m
1.6
1.7
2.0
2.2
2.3
2.5
2.6
15
2.5
2.8
18
2.8
3.0
21
3.0
2.9
3.2
3.2
24
3.0
3.2
3.4
27
3.2
3.4
3.5
3.3
3.4
3.5
3.5
3.7
3.7
3.8
3.8
4.0
4.1
30
3.6
3.8
4.0
33
3.7
4.0
4.1
36
3.9
4.0
39
4.0
4.2
4.4
4.6
42
4.2
4.4
4.5
4.7
45
4.3
4.5
4.7
4.9
4.2
4.2
4.3
4.3
4.3
4.5
4.5
4.6
4.7
4.8
4.8
5.0
4.9
5.0
5.0
5.2
AÇÃO DO VENTO Fernando Marques da Silva
5.2
5.3
2013-10-17
5.5
LNEC | 41/67
Jornadas de Engenharia de Climatização - 2013
processos indutores
Posicionamento de chaminés
L
6
9
12
15
18
21
24
27
30
33
36
39
42
45
48
51
54
57
60
63
66
H
3
1.2
6
1.5
9
1.8
12
2.1
1.5
1.6
1.7
2.0
2.2
2.3
2.5
2.6
15
2.5
2.8
18
2.8
3.0
21
24
3.0
3.0
3.2
2.9
3.2
3.2
3.4
3.3
3.4
3.5
3.5
3.7
Zona urbanizada
27
30
3.2
3.4
3.6
3.5
3.7
3.8
3.8
3.8
4.0
4.0
4.1
4.2
4.3
H= 33 m L= 70 m
L/H= 2,1 R= 1,2x33=40m
hI = 4,6 m XII = 2,7 x 33 = 89 m
33
3.7
4.0
4.1
36
3.9
4.0
39
4.0
4.2
4.4
4.6
42
4.2
4.4
4.5
4.7
4.9
5.0
45
4.3
4.5
4.7
4.9
5.0
5.2
4.2
4.3
4.3
4.5
4.5
4.6
4.7
4.8
4.8
5.0
AÇÃO DO VENTO Fernando Marques da Silva
5.2
5.3
2013-10-17
5.5
LNEC | 42/67
Jornadas de Engenharia de Climatização - 2013
processos indutores
Posicionamento de chaminés
L
6
9
12
15
18
21
24
27
30
33
36
39
42
45
48
51
54
57
60
63
66
H
3
1.2
6
1.5
9
1.8
12
2.1
1.5
1.6
1.7
2.0
2.2
2.3
2.5
2.6
15
2.5
2.8
18
2.8
3.0
21
24
3.0
3.0
3.2
2.9
3.2
3.2
3.4
3.3
3.4
3.5
3.5
3.7
3.8
Zona27urbanizada
3.2
3.4
3.5
3.7
3.8
4.0
30
4.0
H= 0,7
x 33 = 3.623m 3.8
L= 804.2m
33
3.7
4.0
4.1
4.3
L/H= 363,3 R=3.91,2 x4.0 23 =4.2 28m4.3
4.5
39
4.0
4.2
4.4
4.6
hI = 3,8
m X
II = 2,7 x 23 = 62 m
4.1
4.3
4.5
4.6
4.7
4.8
4.8
5.0
42
4.2
4.4
4.5
4.7
4.9
5.0
45
4.3
4.5
4.7
4.9
5.0
5.2
AÇÃO DO VENTO Fernando Marques da Silva
2013-10-17
5.2
5.3
5.5
LNEC | 43/67
Jornadas de Engenharia de Climatização - 2013
A Camada Limite Atmosférica
•A camada limite atmosférica (CLA) é a parte da
troposfera que é diretamente influenciada pela
presença da superfície da Terra.
• A camada de ar acima da camada limite chama-se
atmosfera livre.
•A CLA tem uma espessura variável que pode ir das
centenas de metros a alguns quilómetros.
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A Camada Limite Atmosférica
Lei logarítmica (Prandtl) vulgarmente designada por lei de parede,
u*
z
U z  ln
k z0
u*   0 / 
z representa uma cota,
z0 representa o comprimento de rugosidade na superfície,
u* representa a velocidade de atrito no solo,
0 é a tensão de corte à superfície da Terra e
k a constante universal de Von Kármán (=0,41)
O perfil de velocidades médias de uma CL turbulenta pode ser também descrito por uma lei do
tipo potência permitindo calcular valores de velocidade a partir de um valor de referência:
U( z)  z
 
U ref  z ref




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= f(rugosidade)
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A Camada Limite Atmosférica
 z0 
 
 10 
0,2
1  0,55 log U10 
em campo “aberto”
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A Camada Limite Atmosférica
z 0  0,003m
z 0  0,01m
z 0  0,05m
z 0  0,1 hrug
z 0  0,3m
z 0  1,0m
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A Camada Limite Atmosférica
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A Camada Limite Atmosférica
Influência da orografia
Depende do declive a barlavento:
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A Camada Limite Atmosférica
Quando deve ser avaliado
Locais nas vertentes a barlavento de colinas, falésias e escarpas
Locais nas vertentes a sotavento de colinas
Locais nas vertentes a sotavento de falésias e escarpas
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A Camada Limite Atmosférica
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A Camada Limite Atmosférica
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A Camada Limite Atmosférica
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A Camada Limite Atmosférica
Rosa de rumos %
NO
Rosa de vel.
N
N
30
5,00
25
NE
20
NO
15
NE
3,00
10
2,00
5
O
4,00
1,00
E
0
O
SO
E
0,00
SE
SO
SE
S
S
Ocorrências percentuais por rumos e as velocidades correspondentes , registados em
Lisboa entre 1985 e 1997
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A camada limite urbana
u
ccu
camada de cobertura urbana
(urban canopy layer)
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A camada limite urbana
A camada rugosa que se estabelece para cotas z<u (u é a espessura da camada limite
urbana), constitui a região que distingue uma camada limite urbana (CLU) de qualquer outra
O perfil de velocidades na CLA, num dado local e instante, depende de um conjunto de
fatores tais como a velocidade média do vento acima da subcamada de rugosidade, das
propriedades locais do solo, e a montante do local, do fluxo de calor, da presença de nuvens
e do estado da CLA nas últimas seis a oito horas
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A camada limite urbana
Na região inferior da subcamada de inércia, onde
z/hrug não é grande, só é possível manter a
validade da lei da parede na descrição do perfil de
velocidade substituindo z por (z-d), e onde d é o
deslocamento do plano de referência .
O valor d=0,7 hrug constitui uma boa aproximação
significado físico: em superfícies cobertas por rugosidade densa, apenas uma parte do atrito
superficial é transportado verticalmente.
O perfil logarítmico inicia-se na cota onde se situa a tensão de atrito média do topo da rugosidade
(roughness canopy).
se z0 é a escala de comprimentos para a tensão de atrito total na superfície, isto é, uma medida do
arrastamento, d é a escala da distribuição vertical dessa tensão de atrito na “superfície” exterior da
rugosidade, ou seja, do bloqueamento imposto ao escoamento.
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A camada limite urbana
A CLU divide-se em duas partes:
 inferior, que constitui a camada de cobertura urbana (urban canopy
layer), CCU, de espessura da ordem de grandeza da altura média dos
elementos de rugosidade (ccu h rug) e com um campo próprio de velocidades,
gerado, e condicionado na sua intensidade, pelo escoamento adjacente. A
distribuição de velocidades depende das condicionantes locais (edifícios,
trânsito, arranjo urbano, etc.), cuja parametrização é muito complexa;
 superior, de mistura ou de inercia, com origem na turbulência gerada pelos
elementos de rugosidade, que se inicia aproximadamente em z=d e que tem
uma espessura de (u-d)3 a 5 ( h rug  h rug ), ou 20 a 35 z0, com máximos de
u=50 – 100 m.
 O escoamento tridimensional da camada subjacente é transformado um
escoamento essencialmente bidimensional com perfil de velocidades do tipo
do de uma CL sobre uma superfície rugosa
max
min
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A camada limite urbana
mudança de rugosidade
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A camada limite urbana
após 3 “quarteirões” ≈ 100 a 200 m
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A camada limite urbana
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A camada limite urbana
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A camada limite urbana
Z<ccu
ou uma escala representativa da velocidade na CLU
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A camada limite urbana
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A camada limite urbana
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A camada limite urbana
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OBRIGADO PELA ATENÇÃO
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