Hidráulica dos descarregadores em degraus: estudo experimental-numérico-teórico

摘要

O estudo de escoamentos turbulentos em descarregadores em degraus temsido um desafio para os investigadores. A macro-rugosidade do leito, aondulação da superfície livre, a intermitência da localização da secção inicialde entrada de ar e o escoamento bi-fásico a jusante da secção inicial deentrada de ar fazem com que a caracterização do escoamento deslizantesobre turbilhões em descarregadores em degraus não seja simples.Actualmente, é possível combinar técnicas de medição fiáveis com simulaçõesnuméricas e análise teórica.Nesta dissertação, o estudo experimental baseia-se em resultadosexperimentais obtidos em duas instalações experimentais: a instalação A, doLaboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC), dotada de um descarregadorem degraus com declive de 1V:0.75H e a instalação B, do Instituto SuperiorTécnico (IST), dotada de um descarregador em degraus com declive de1V:2H. Uma sonda de ar, um tubo de Pitot modificado e vários hidrómetrospermitiram o estudo do escoamento deslizante sobre turbilhões mono- e bifásicoao longo do descarregador em degraus da instalação A. Na bacia dedissipação de energia, a observação visual do escoamento foi auxiliada pelasleituras efectuadas em tomadas de pressão localizadas na soleira da bacia epelas leituras da altura do escoamento efectuadas em réguas graduadaslocalizadas nas paredes da bacia. Na instalação B foram utilizados um tubo dePitot e vários hidrómetros para estudar a região não arejada do escoamentodeslizante sobre turbilhões no descarregador em degraus.O estudo numérico é baseado em simulações numéricas da região nãoarejada do escoamento deslizante sobre turbilhões sobre descarregadores emdegraus com o código comercial de CFD FLOW-3D® de modo a reproduzir ascondições ensaiadas experimentalmente. As simulações beneficiaram datécnica de blocos múltiplos (multi-block) num sistema de coordenadascartesianas, da determinação da superfície livre pelo método TruVOF e dautilização de dois modelos de turbulência: os modelos k- e RNG k-.Por último, o estudo teórico consistiu em desenvolver um modelo simplificado1D para determinar as características hidráulicas principais do trecho nãoarejado do escoamento deslizante sobre turbilhões em descarregadores emdegraus. O modelo foi desenvolvido a partir das equações de Navier-Stokes,conjuntamente com resultados experimentais e numéricos.Os resultados apresentados nesta dissertação contribuem para oconhecimento do escoamento deslizante sobre turbilhões em descarregadoresem degraus, nomeadamente na região não arejada, na secção inicial deentrada de ar e na região arejada. A hidráulica dos dissipadores de energia ajusante de descarregadores em degraus, em particular das bacias tipo III doUSBR, é também objecto de estudo.Em relação à região não arejada do escoamento em descarregadores comdeclive acentuado, e com base em resultados experimentais e numéricos, sãopropostas expressões para estimar o desenvolvimento da altura equivalente deágua, da espessura da camada limite, da concentração média de ar, docoeficiente de energia cinética, da dissipação de energia, do factor deresistência e do coeficiente n da fórmula de Manning. São ainda propostasexpressões adimensionais para a energia cinética turbulenta e sua dissipação.Para declives moderados, são propostas expressões para estimar odesenvolvimento da altura equivalente de água, do coeficiente de energiacinética e da energia específica residual. São ainda apresentados valores doexpoente 1/N da expressão adimensional da distribuição de velocidades, querpara descarregadores com declive acentuado quer com declive moderado.Em conformidade com outros estudos centrados em escoamentos de parede ecom derivações teóricas, para a região não arejada do escoamento emdescarregadores em degraus de acentuado declive, observa-se que o factorde resistência depende da macro-rugosidade criada pelos degraus e dageometria da secção transversal e que o coeficiente n da fórmula de Manningaumenta com a rugosidade. A descrição estatística da turbulência doescoamento é igualmente explorada, contribuindo para o conhecimento daestrutura do escoamento. Observou-se que para números de Reynolds rugosonão superiores a 6.8x104 a energia cinética turbulência e a sua dissipaçãocumprem leis de semelhança. Estas expressões adimensionais estão deacordo com os resultados obtidos por outros autores para escoamentoscompletamente desenvolvidos em canais abertos e no escoamento em rioscom leito de gravilha. Em acréscimo, a taxa de dissipação de energia, querpara descarregadores de declive acentuado quer de moderado declive, ébaixa. Por último, observa-se que os valores da média temporal daconcentração de ar entre 0 e 1 medidos na região não arejada do escoamentodizem respeito não só ao ar capturado entre ondas de água, na zona deondulação da superfície livre, mas também ao ar emulsionado no escoamento,i.e., sob a forma de bolhas de ar, quando perto da secção média inicial deentrada de ar, devido à diferença entre localizações instantânea e médiatemporal.Foram revistas metodologias e fórmulas para estimar a localização da secçãoinicial de entrada de ar e apresentadas expressões para estimar aconcentração média de ar e a altura equivalente de água nessa secção.Relativamente à região de escoamento arejado em descarregadores emdegraus com declive acentuado, os resultados experimentais apresentadosnesta dissertação permitiram estimar a influência da definição da superfícielivre nos parâmetros hidráulicos da região do escoamento arejado e estimar amáxima elevação do escoamento nesta região do escoamento.Com base nos resultados experimentais obtidos na bacia de dissipação deenergia do tipo III do USBR localizada a jusante do descarregador em degrausda instalação A, observou-se que os perfis da altura piezométrica e da alturado escoamento tendem a seguir o perfil recomendado pelo USBR para baciastipo III. A excepção ocorre à entrada da bacia, onde as alturas piezométricasapresentadas nesta dissertação excedem largamente as apresentadas peloUSBR. É ainda observado que, tal como entre as bacias tipo I e tipo III doUSBR, o ressalto hidráulico estabiliza muito mais rapidamente numa bacia tipoIII a jusante de um descarregador em degraus do que uma bacia tipo I ajusante do mesmo descarregador em degraus. Finalmente, observa-se que osblocos de amortecimento a colocar no descarregador não têm influência visívelnos resultados da altura piezométrica nem da altura do escoamento ao longoda bacia.Relativamente às simulações numéricas do escoamento não arejado, aproximidade entre resultados experimentais e numéricos permite validar omodelo teórico e a integração numérica usados no FLOW-3D®. As simulaçõesdesenvolvidas também mostraram que o modelo de turbulência k- permiterepresentar as características do escoamento não arejado emdescarregadores em degraus, uma vez que não foram observadas diferençassignificativas entre as simulações com este modelo e com o modelo RNG k-.Finalmente, observou-se que o modelo de entrada de ar usado no FLOW-3D®é válido para estimar a localização da secção inicial de entrada de ar.Por último, a proximidade entre os resultados obtidos da aplicação do modeloteórico desenvolvido no âmbito desta dissertação e os resultadosexperimentais indica que as hipóteses e simplificações consideradas nodesenvolvimento do modelo são adequadas.