Análise da macroturbulência do escoamento sobre vertedouro em degraus com aeração induzida por defletor e câmara de ar

Abstract

Os vertedouros em degraus possuem como principais vantagens a dissipação de energia ao longo da calha, que proporciona a utilização de estruturas de dissipação de jusante de menor porte, e também a facilidade e baixo custo de construção através de técnicas como o concreto compactado com rolo (CCR). Apesar disso, essas estruturas tem sua utilização limitada a vazões da ordem de 15 m²/s/m, devido à possibilidade de ocorrência de danos por cavitação, fenômeno relacionado às baixas pressões desenvolvidas nos espelhos dos degraus e das altas velocidades do escoamento. É consenso que a inserção de ar próximo à superfície da estrutura de concreto proporciona proteção contra o efeito de cavitação. Essa solução é amplamente adotada em estruturas de calha lisa e vem sendo objeto de estudos também para calhas escalonadas. Nesse contexto, o presente trabalho objetiva verificar se um aerador do tipo defletor, posicionado no início dos degraus e associado a uma câmara de ar, é capaz de proporcionar a introdução de quantidades suficientes de ar junto ao fundo de forma a ampliar a faixa de vazões possíveis de escoamento em um vertedouro em degraus sem que ocorram danos por cavitação. O estudo, que faz parte do projeto de Pesquisa e Desenvolvimento intitulado Análise da Macroturbulência em Vertedouros em Degraus com Aeração Forçada (Pré-Aeração) em parceria entre Furnas Centrais Elétricas S.A. e Universidade Federal do Rio Grande do Sul foi realizado através de modelagem física, utilizando três modelos de vertedouros em degraus com diferentes características. Dois modelos encontram-se no Laboratório de Obras Hidráulicas (IPH/UFRGS) e um no Laboratório de Hidráulica Experimental (LAHE/Furnas). Nos ensaios foram coletados dados de pressões ao longo da calha, junto às quinas dos degraus e na bacia de dissipação junto ao pé do vertedouro, bem como dados referentes às alturas de escoamento e medições de velocidade de entrada de ar utilizando como sistema aerador defletores de diferentes comprimentos em conjunto com uma câmara de ar. Os dados obtidos foram comparados a dados provenientes de ensaios com aeração natural e também foi estimada teoricamente a concentração de ar junto ao fundo da calha. De forma geral as pressões analisadas, com diferentes probabilidades de não excedência, com exceção da região de impacto do jato, não apresentaram diferenças significativas em relação às mesmas pressões com aeração natural. Porém foi observada concentração de ar ao longo de todo o contato do escoamento com a calha. A concentração de ar foi maior utilizando o defletor de maior comprimento, sendo superior a 3% em todos os pontos da calha para as vazões até 0,4 m³/s/m (referente a cerca de 23 m³/s/m em protótipo) o que representa uma vantagem significativa em relação à aeração natural, que tem início de inserção de ar no escoamento apenas a jusante do ponto de início de aeração. Também foi realizada uma análise de dissipação de energia que indicou que não houve alteração na dissipação de energia com a indução de ar no escoamento devido às concentrações não serem suficientes para reduzir significativamente o coeficiente de atrito.

Stepped spillways have the main advantages of energy dissipation along the chute, which provides the use of smaller downstream dissipation structures, and, also the low cost and easy of construction through techniques such as roller compacted concrete (RCC). Despite the advantages, these structures have their utilization limited to discharges to the order of 15 m²/s, due to the risk of damage by cavitation, a phenomenon related to the low pressures developed in vertical faces of steps and high flow velocities. There is a general agreement that the air insertion into the flow near the surface of the concrete structure provides protection against cavitation effect. This solution is already widely adopted in smooth chutes structures and has been the subject of studies also for stepped chutes. In this context, the present study aims to verify if an aerator type deflector, positioned at the beginning of the steps and associated with an air chamber is able to provide the introduction of sufficient amounts of air near the bottom of the channel in order to increase the discharges capable of flowing over stepped spillway without cavitation damage. This study, wich is part of the research project named Analisys of Macroturbulence in Stepped Spillways with Forced Aeration (Pre – Areation) in partnership between Furnas Centrais Elétricas S.A. e Universidade Federal do Rio Grande do Sul, was carried out through physical modeling, using three stepped spillway models with different physical characteristics. Two of the models are localized in Laboratório de Obras Hidráulicas (IPH/UFRGS) and one in Laboratório de Hidráulica experimental (LAHE/Furnas). During the tests were collected pressures data along the chute and in the dissipation basin, near the chute, as well as data related to flow depths and measurements of velocity of air entrance in the flow utilizing, as aerator system different length deflectors associated with an air chamber. The obteined data were compared to data from natural aeration tests and also was made a theoretical estimation of air concentration near the bottom of the chute. In general, the pressures analyzed, with different non-exceedance probabilities, except the jet impact region, have not presented significant changes in relation to the same pressures with natural aeration. However, some air concentration was observed throughout the entire contact between flow and structure. The air concentration was higher using the biggest extension deflector, being superior than 3% throughout the chute extension for discharges up to 0,4 m³/s/m (approximately 23 m³/s/m in prototype) which represents a significant advantage in relation to natural aeration, which air insertion beginning just downstream from the inception point. An analysis of energy dissipation was also performed and has indicated that there is no alteration in energy dissipation with the air induction in the flow due to the air concentrations not being enough to reduce, significantly the friction factor.