INFLUÊNCIA DE EFEITOS HIDRÁULICOS DISTINTOS NA AVALIAÇÃO DAS PRESSÕES

MÉDIAS ATUANTES EM BACIAS DE DISSIPAÇÃO POR RESSALTO HIDRÁULICO

Comitê Brasileiro de BarragensVIII Simpósio sobre Pequenas e Médias Centrais Hidrelétricas

Porto Alegre – RS – 01 a 04 de maio de 2012

POR RESSALTO HIDRÁULICO

Mauricio Dai Prá (UFPel)Aline Saupe Abreu (UFPel)Rafael André Wiest (CEEE)Marcelo Giulian Marques (UFRGS)

Introdução; Objetivo;

TÓPICOS

Objetivo; Revisão bibliográfica; Resultados e discussões; Conclusões; Trabalhos Futuros.

INTRODUÇÃO

A construção de barramentos traz preocupações de ordemtécnica notadamente com relação à estabilidade do maciço,uma vez que um eventual rompimento pode acarretarconsequências desastrosas;consequências desastrosas;

A garantia da estabilidade do maciço passa pela adoçãocuidadosa e criteriosa de parâmetros de projeto quando dasua concepção;

O sistema extravasador e a solução de dissipação deenergia adotada passa a ser o foco principal de interesse,especificamente, aqui, os dissipadores por ressaltohidráulico;

INTRODUÇÃO

hidráulico;

A identificação e previsão das pressões médias, flutuantes eextremas no ressalto hidráulico deve ser conduzida emlaboratório visando fornecer subsídios para o projeto deestruturas hidráulicas.

Avaliar as pressões médias atuando junto ao piso de bacias

OBJETIVO

Avaliar as pressões médias atuando junto ao piso de baciasde dissipação por ressalto hidráulico, a partir de umaabordagem que considera o ressalto hidráulico como umacomposição de efeitos hidráulicos identificadosindividualmente a partir de distintas condições deescoamento.

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

RESSALTO HIDRÁULICO:Aspectos Gerais

Fenômeno rapidamente variado responsável pela transição Fenômeno rapidamente variado responsável pela transiçãodo regime rápido para o regime lento em escoamentos asuperfície livre.

Fenômeno hidráulico ao qual estão associados altos níveisdissipativos e partir de componentes dinâmicas de pressõese velocidades.

RESSALTO HIDRÁULICO:Aspectos Gerais

Transição intensamente turbulenta, com forte incorporação

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Transição intensamente turbulenta, com forte incorporaçãode ar e consequente oscilação nos níveis d’água.

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

RESSALTO HIDRÁULICO:Aspectos Gerais

Classificação quanto à posição. Classificação quanto à posição.

RESSALTO HIDRÁULICO:Pressões Médias, Flutuantes e Extremas

Representam os esforços atuantes sobre a bacia de

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Representam os esforços atuantes sobre a bacia dedissipação.

Flutuações de pressão: originária da característicaturbulenta do ressalto hidráulico.

Reflete o processo de dissipação de energia ao longo doressalto hidráulico.

RESSALTO HIDRÁULICO:Pressões Médias, Flutuantes e Extremas

Marques et al. (1996) – adoção de parâmetros

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Marques et al. (1996) – adoção de parâmetrosadimensionais para avaliar os esforços de pressão embacias de dissipação, associando as pressões médias com aaltura conjugada rápida e as flutuações de pressão com aperda de carga ao longo do ressalto.

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

1- Máxima flutuação de

pressão

Pressões Médias

3- Final do rolo

2- Ponto de descolamento

pressão

4- Final do ressalto

1 2 3 4

−=

−−

121

12

1

YYX

fYYYPx

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

1- Máxima flutuação de

pressão

Flutuações de Pressão

3- Final do rolo

2- Ponto de descolamento

pressão

4- Final do ressalto

1 2 3 4

−=

σ

122

1

2X

YYX

fYY

Ht

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

RESSALTO HIDRÁULICO:Pressões Médias, Flutuantes e Extremas

Marques (1999) – fator de submergência (S) na análise da Marques (1999) – fator de submergência (S) na análise dadistribuição longitudinal das pressões médias e flutuantes,agrupando situações de ressaltos hidráulicos tipos A e B.

2YTw

S =

−−

=ΨTw

Y

YY

YPx 2

12

1

σ=ΩTw

Y

Y

Y

Htx 2

1

2

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

RESSALTO HIDRÁULICO:Pressões Médias, Flutuantes e Extremas

Teixeira (2003) – apresenta o coeficiente estatístico de Teixeira (2003) – apresenta o coeficiente estatístico dedistribuição de probabilidades (N) para determinação depressões extremas com distintas probabilidades.

Wiest (2008) – identifica a importância do estabelecimentoda posição de início do ressalto hidráulico tipo B e incorporaefeitos da curva de concordância vertical.

XX%X .NPP σ±=

ESCOAMENTO LIVRE:Curva de Concordância Vertical

Chow (1959) – abordagem clássica das pressões médias

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Chow (1959) – abordagem clássica das pressões médiascomo somatório de uma parcela hidrostática (Ps) e outradevida à força centrífuga (Pc).

PcPsP ±=

YPs γ=

RV

gY

Pc2γ=

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

ESCOAMENTO LIVRE:Curva de Concordância Vertical

LinFu e Jie (1985) – avaliam teoricamente as pressões na

YHP

Cp CMCM −

γ=

LinFu e Jie (1985) – avaliam teoricamente as pressões nacurva de concordância devida à força centrífuga a partir deum coeficiente de pressão.

Os trabalhos experimentais foram desenvolvidos noLaboratório de Hidráulica Experimental e Recursos Hídricosda Eletrobrás Furnas;

MATERIAIS E MÉTODOS

Estrutura com perfil vertente livre, sem comportas e sempilares com toda a largura do canal de ensaios e com pisohorizontal a jusante, sem a presença de soleira terminal;

Característica DimensãoVolume da cuba de tranquilização (m³) 15

Comprimento total do canal de aproximação (m) 10Comprimento total da bacia de dissipação (m) 12

MATERIAIS E MÉTODOS

Comprimento total da bacia de dissipação (m) 12

Comprimento da zona de medição na bacia de dissipação (m) 3,250

Largura do canal de aproximação e da bacia de dissipação (m) 1,150

Desnível entre a soleira do vertedouro e a bacia de dissipação (m) 0,562

Desnível entre a soleira do vertedouro e o piso do canal de aproximação (m)

0,375

Equação do perfil vertente tipo Creager (m) Y = -0,9686.X1,85

Raio da curva de concordância vertical (m) 0,390Concordância entre o perfil vertente e a curva de concordância

vertical (graus)45o (1:1)

As pressões médias e os níveis médios d’água foramtomadas em 20 posições fixas ao longo de um únicoalinhamento longitudinal centralizado na largura do canal;

MATERIAIS E MÉTODOS

12

0.101 0.202 0.303

3.235

0.37

5

0.56

3

R0.

3901

1

Y= -0,9686.X

MATERIAIS E MÉTODOS

Condições de Ensaio:

Vazões:

(43 < q < 217 L/s/m)(43 < q < 217 L/s/m)

Submergências:

(1,1 < S < 1,7)

Pre

ssõe

s M

édia

s

Pressões MédiasEfeitos Dissociados e Sobrepostos

MATERIAIS E MÉTODOS

DISSOCIAÇÃO DE EFEITOS

Pre

ssõe

s M

édia

s

Curva de Concordância Vertical e Bacia de Dissipaçã oEfeitos Sobrepostos

Escoamento Livre sobre a Bacia de Dissipação

Curva de Concordância Vertical

Ressalto Hidráulico Clássico - Tipo A

Submergência do Ressalto Hidráulico

0,8

1,0

1,2Fr = 9,26 (Dai Prá, 2011)Fr = 7,53 (Dai Prá, 2011) g2

V5,0Lc

21=

RESULTADOS E DISCUSSÕES

Curva de Concordância Vertical

-0,2

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

Cp

C/ C

pC

M

L / [ V 12/(2.g) ]

Fr = 6,90 (Dai Prá, 2011)Fr = 5,74 (Dai Prá, 2011)Fr = 4,97 (Dai Prá, 2011)Fr = 4,38 (Dai Prá, 2011)

g2

743,01

CM LcY

05,1Cp−

=

YHP

Cp CMCM −

γ=

+=ΨPx

PcPsC

0,04

0,05

RESULTADOS E DISCUSSÕES

Curva de Concordância Vertical

0,00

0,01

0,02

0,03

0,04

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20

KC. ΨΨ ΨΨ

C

Y/R

Dai Prá (2011) - P1Dai Prá (2011) - P2Dai Prá (2011) - P3

RY

41

K CC =Ψ

( ))(sen1Fr

)cos(K

21

Cβ+

α=

RESULTADOS E DISCUSSÕES

Escoamento na Bacia de Dissipação

−=

−−

1212

1 0028,0YY

X

YY

YY

RESULTADOS E DISCUSSÕES

Ressalto Hidráulico Livre (Tipo A)

1,2

12

LR YY

PxPx−

γ−γ=Ψ

+Γπ=Ψ 566,12688,30

2senR

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

ΨΨ ΨΨR

ΓΓΓΓ

Fr = 9,26 (Dai Prá, 2011)Fr = 7,53 (Dai Prá, 2011)Fr = 6,90 (Dai Prá, 2011)Fr = 5,74 (Dai Prá, 2011)Fr = 4,97 (Dai Prá, 2011)Fr = 4,38 (Dai Prá, 2011)

0,300,350,400,45

−γ−γ=Ψ

12

AA YY

PxPx

RESULTADOS E DISCUSSÕES

Afogamento do Ressalto Hidráulico

0,000,050,100,150,200,250,30

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

ΨΨ ΨΨA

. KA

ΓΓΓΓFR=7,56 - S=1,12 FR=7,79 - S=1,18 FR=6,73 - S=1,29 FR=6,21 - S=1,39FR=6,00 - S=1,60 FR=5,14 - S=1,78 FR=7,20 - S=1,10 FR=6,43 - S=1,19FR=5,43 - S=1,31 FR=5,53 - S=1,44 FR=4,75 - S=1,62 FR=5,71 - S=1,12FR=5,09 - S=1,20 FR=4,87 - S=1,34 FR=4,33 - S=1,46 FR=4,91 - S=1,10FR=4,42 - S=1,18 FR=3,91 - S=1,32 FR=3,52 - S=1,42 FR=4,34 - S=1,09FR=3,95 - S=1,18 FR=3,41 - S=1,31 FR=3,72 - S=1,10 FR=3,45 - S=1,16

− 12 YY

25,0

A 1S1

1S1

K

+

−=

2AA.314,01

.361,0K.

Γ+Γ=Ψ

Os efeitos da curva de concordância sobre as pressõesmédias estendem-se ao longo de uma distância equivalentea 50% da energia cinética do escoamento, a partir do pontocentral da curva de concordância.

CONCLUSÕES

central da curva de concordância.

Estabelecimento de um fator de correção para adeterminação das pressões médias na curva deconcordância vertical.

( ))(sen1Fr

)cos(K

21

Cβ+

α=

Comportamento semelhante entre as pressões médias e osníveis médios da superfície livre d’água ao longo da baciade dissipação.

CONCLUSÕES

A dissociação dos efeitos da curva de concordância verticale do escoamento em regime rápido sobre a bacia dedissipação diminuiu a dispersão dos dados nas seçõesiniciais do ressalto hidráulico.

A influência do ressalto hidráulico sobre as pressões médiasatuantes na estrutura estende-se até posição adimensionalΓ = 8.

CONCLUSÕES

O comportamento longitudinal das pressões médias devidasao afogamento do ressalto mostrou-se função exclusiva dofator de submergência (S=Tw/Y2) e apresentou crescimentoacentuado até a posição de máxima flutuação de pressãona posição adimensional Γ = 1,75.

CONCLUSÕES

0,350,400,450,50

0,25

0,30

0,35

0,000,050,100,150,200,250,300,35

-0,3 0,0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8

P/ γγ γγ

(mH

2O)

X (m)

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

-0,3 0,0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8

P/ γγ γγ

(mH

2O)

X (m)

Fr1 = 4,91; S=1,10 Fr1 = 3,52; S=1,42

Estimativas adequadas para menores números de Froude emenores submergências.

CONCLUSÕES

Diferenças percentuais entre os resultados experimentais eestimados crescentes com o aumento da submergência.

Submergências superiores a 1,5 apresentam valoressuperestimados na região da curva de concordância verticale subestimados na região a jusante.

OUTROS RESULTADOS

Ánálise semelhante para as flutuações de pressão;

Metodologia para determinação da posição de início do Metodologia para determinação da posição de início doressalto hidráulico;

Metodologia para determinação de pressões com distintasprobabilidades de ocorrência a partir da avaliaçãoindividualizada de efeitos hidráulicos (coeficiente N);

ESTUDOS FUTUROS

Análise da linha de separação do escoamento (escoamentoprincipal x rolo).

Avaliação das pressões flutuantes no domínio dasfrequências.

Incorporação de parâmetros bifásicos na análise dos dadosexperimentais.

Instituto de Pesquisas Hidráulicas da UFRGS

Laboratório de Hidráulica Experimental e

AGRADECIMENTOS

Laboratório de Hidráulica Experimental e Recursos Hídricos da “Eletrobrás – Furnas”

Universidade Federal de Pelotas

Contatos: mdaipra@gmail.com