Escoamentos transientes bifásicos em sistemas de drenagem urbana : uma investigação experimental sobre a relevância das singularidades geométricas do sistema

Abstract

Escoamentos transientes bifásicos em sistemas de drenagem urbana e as interações entre as fases ar-água podem causar danos estruturais severos aos sistemas. Os danos na estrutura de parte do sistema do Conduto Forçado Álvaro Chaves (Porto Alegre – Brasil), ocorridos em fevereiro de 2013, motivaram a implantação de um modelo físico de detalhe em escala reduzida no Pavilhão Fluvial do Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Um longo trecho do sistema do Conduto Forçado Álvaro Chaves foi reproduzido no modelo reduzido, incluindo a representação detalhada de suas singularidades geométricas: mudança de direção em ângulos vivos com diminuição da seção transversal, desníveis na base e no topo do conduto, estreitamentos e diminuição da área da seção transversal na direção de jusante. A escala de redução geométrica adotada foi de 1:15, resultando em um modelo de 30 m de comprimento, com alturas (16 – 42 cm) e larguras variáveis (20 – 50 cm). O modelo foi construído com placas de acrílico de 10 mm de espessura, para possibilitar a visualização do escoamento. O procedimento experimental consistiu no estabelecimento de condições iniciais de regime permanente e, em seguida, na propagação de uma frente de enchimento através da abertura de um registro esfera. As variáveis experimentais testadas incluíram: condições de jusante, nível inicial d’água e condições de ventilação do sistema. A instrumentação utilizada durante os experimentos era composta por medidores de vazão eletromagnéticos, 10 transdutores de pressão, 3 sensores de velocidade (Velocímetro Acústico Doppler – ADV) e 5 câmeras de vídeo de alta resolução. A metodologia de análise dos dados baseou-se nas seguintes etapas: (i) avaliação das imagens de vídeo previamente editadas, visando à identificação dos fenômenos hidráulicos de interesse; (ii) avaliação dos dados de pressão, visando identificar padrões de variação de pressão e associá-los aos fenômenos hidráulicos identificados nos vídeos; (iii) avaliação dos dados de velocidade, buscando perceber os efeitos dos fenômenos hidráulicos e do padrão de variação da pressão observado no transdutor de pressão TP06. Os dados coletados durante a realização dos experimentos no modelo físico permitiram o estabelecimento de três conjuntos de resultados: (i) mecanismos de aprisionamento de ar; (ii) processo de enchimento, movimentação dos bolsões de ar e seus impactos no comportamento hidráulico do sistema de drenagem; (iii) efeitos da restrição da ventilação dos pontos altos do sistema no processo de pressurização do escoamento. Dois mecanismos de aprisionamento de ar ainda não reportados na literatura foram identificados e denominados de Interface de Pressurização e Impacto da Frente de Enchimento. Esses resultados evidenciam a importância das singularidades geométricas presentes no sistema, apontando suas influências no estabelecimento de diversos fenômenos hidráulicos. Um modelo de coluna rígida foi adaptado, para representar a pressurização do sistema em função da restrição das condições de ventilação.

Severe structural damages in stormwater systems are related to biphasic unsteady flows and interactions between air and water phases. The damage to the structure of part of the Álvaro Chaves stormwater system (Porto Alegre – Brazil), occuried in February 2013, encouraged the implementation of a physical model at the Institute of Hydraulic Research of the Federal University of Rio Grande do Sul. A long section of the stormwater system was reproduced in the hydraulic physical model, including detailed representations of its geometric singularities, e.g. sharp bends, drop sections, decrease cross sectional area in the downstream direction. The geometric scale factor adopted was 1:15, resulting in a 30 m length, variable height (16 – 42 cm) and width (20 – 50 cm). The apparatus was built in Plexiglas panels (10 mm-thick) to allow for flow visualization. The experimental procedure consisted in establishing initial steady-state conditions and then propagating a filling front through the opening of a ball valve. Experimental variables tested included downstream conditions, initial water level and system’s ventilation conditions. Electromagnetic flowmeters, 10 pressure transducers, 3 ADV probes and 5 high-resolution video cameras comprised the instrumentation used during the experiments. The data analysis methodology was based on the following steps: (i) evaluation of previously edited video images aiming at identifying the hydraulic phenomena of interest; (ii) evaluation of pressure data in order to identify patterns of pressure variation and to associate it with the hydraulic phenomena identified during video analysis; (iii) evaluation of the velocity data seeking to understand the effects of hydraulic phenomena and the pressure variation pattern observed in a specific pressure transducer. The data collected during the experiments allowed the establishment of three sets of results: (i) air entrapment mechanisms; (ii) filling process, air pocket movement and its impacts on the hydraulic behavior of the system; (iii) effects of the ventilation restriction of the higher points during the pressurization process. Two air entrapment mechanisms not yet reported in the literature were identified during experiments and named Pressurization Interface and Impact of the Filling Front. These results highlight the relevance of the geometric singularities present in the system, pointing out its influence in the establishment of several hydraulic phenomena. A rigid column model was adapted to represent the overall pressurization process as a function of the restriction of the ventilation conditions.