Influência da aeração induzida por pilares no escoamento sobre vertedouros em degraus

Abstract

Vertedouros em degraus apresentam vantagens quando comparados aos vertedouros com calha lisa, em virtude da macrorrugosidade imposta pelos degraus, que faz com que uma maior quantidade de ar seja incorporada ao escoamento. Apesar das suas vantagens, os vertedouros em degraus estão limitados a vazões específicas da ordem de 15 a 20 m³/s/m, devido ao risco de ocorrência de cavitação nos degraus em escoamentos com maiores vazões. Como há demanda por vertedouros com possibilidade de extravasamento de maiores vazões, procurou-se aumentar a concentração de ar do escoamento, através da aeração induzida, para, assim, reduzir o risco de ocorrência de cavitação nos degraus. Desta forma, o objetivo deste trabalho é avaliar as características do escoamento e os esforços hidrodinâmicos em vertedouros em degraus com aeração induzida por pilares e pilares + defletores, através da análise experimental das pressões médias, flutuações de pressões e pressões extremas máximas e mínimas atuantes nas quinas dos degraus ao longo da calha, comparando com a aeração natural do escoamento. Os estudos experimentais deste trabalho foram desenvolvidos em dois modelos físicos de vertedouros em degraus com escala de 1:10 e declividade de 1V:0,75H. O modelo do vertedouro em degraus instalado no Laboratório de Obras Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (LOH I) possui degraus com altura de 0,06 m e a largura da calha de 0,40 m e o outro modelo, instalado no Laboratório de Hidráulica Experimental de FURNAS Centrais Elétricas (LAHE), possui degraus com altura de 0,09 m e calha com largura de 1,15 m. Para caracterizar a aeração induzida foram instalados pilares nas laterais a partir do início da ogiva até o primeiro degrau e defletores no primeiro degrau da calha. No modelo do LOH I foi instalado um único defletor com espessura de 6 mm e no modelo do LAHE foram instalados defletores com espessuras de 0, 3, 6 e 9 mm. A partir da análise visual do comportamento do escoamento verificou-se que, independente do modelo físico, a aeração induzida por pilares e defletores permitiu a incorporação de ar na parte inferior do escoamento a montante da região em que ocorre a aeração superficial. No entanto, para o modelo do LOH I, em virtude da distância entre pilares ser pequena, a concentração de ar é maior, quando comparado ao modelo do LAHE, que possui uma distância entre pilares representativa da distância em protótipos. E, isso influenciou as cargas de flutuações de pressões e de pressões extremas mínimas e máximas, as quais foram atenuadas nessa região, quando comparada à aeração natural, para o modelo do LOH I. No modelo do LAHE, através da análise visual do escoamento, constatou-se que a aeração induzida por pilares apresentou concentração de ar inferior mais uniforme a partir do início da calha em degraus, quando comparada às configurações de aeração induzida com pilares + defletores, as quais são caracterizadas pela formação de um jato, que é lançado sobre os degraus, aeração inferior e aeração superficial do escoamento. As cargas de pressões apresentaram-se mais extremas, quando comparada à aeração natural, até a região de início de aeração superficial do escoamento, no entanto, a concentração de ar na parte inferior do escoamento, que está em contato com a estrutura, aumentou, e isso, pode proteger o concreto de possíveis danos por cavitação, porém, é necessário realizar análises de concentração de ar no escoamento.

Stepped spillways present advantages when compared to smooth chute spillways, due to macro roughness in the steps, which allows higher air incorporation in the flow. Despite their advantages, stepped spillways are limited to specific flow rates in the order of 15 to 20 m3/s/m, due to the risk of occurrence of cavitation in the steps with higher flow rates. Since there is a demand for spillways with the possibility of overflow of higher flow rates, an attempt was made to raise the air concentration in the flow through induced aeration, in order to reduce the risk of occurrence of cavitation in the steps. Thus, the objective of this study is to evaluate flow characteristics and the hydrodynamic efforts in stepped spillways with aeration induced by pillars + deflector, through experimental analysis of average pressures, pressure fluctuations and maximum and minimum pressures on the corners of the steps along the chute, comparing with natural flow aeration. The experimental studies of this work were developed in two physical models of stepped spillways of scale 1:10 and slope 1V:0,75H. The stepped spillway model installed in the Laboratório de Obras Hidráulicas of the Universidade Federal do Rio Grande do Sul (LOH I), has steps of 0.06 m in height and 0.40 m in chute width and the other model, installed in the Laboratório de Hidráulica Experimental of FURNAS Centrais Elétricas (LAHE), has steps of 0.09 m in height and 1.15 m in chute width. To characterize induced aeration pillars were installed on the sides from the beginning of the ogee till the the first step and deflector on the first step of the chute. In the LOH I model, a single baffle with 6 mm thickness was installed, and in the LAHE model, deflector with 0.3 and 0.9 mm thickness were installed. From the visual analysis of flow behavior, it was verified that, regardless of the model, aeration induced by pillars and deflector allowed for air incorporation on the lower part of the flow upstream of the region where superficial aeration occurs. However, in the LOH I model, due to the small distance between the pillars, the air concentration is higher when compared to the LAHE model, which has a distance between pillars that is representative of prototypes. This influenced the pressure fluctuation loads as well as the maximum and minimum extreme pressure loads, which were attenuated in this region when compared to natural aeration in the LOH I model. In the LAHE model, through visual analysis of flow, it was found that aeration induced by pillars presented lower and more uniform air concentration from the beginning of the stepped chute, when compared to configurations of aeration induced by pillars + deflector, which are characterized by formation of a jet, which is released on the steps, lower aeration and superficial flow aeration. The pressure loads were more extreme, when compared to natural aeration, till the region where natural aeration begins, however, air concentration in the lower part of flow, which is in contact with the structure, increased, and this can protect the concrete from possible cavitation damage, but it is necessary to perform air concentration analysis in the flow.