Stepped spillways with aerators : hydrodynamic pressures and air entrainment

Abstract

The possibility of damage due to the phenomenon of cavitation leads the design of stepped spillways considering maximum specific discharges of 15 to 30 m2/s, a limit considerably lower than that practiced on smooth chutes. Aerators promote the insertion of air in the flow, allowing for the increase of specific flow rates. This work analyzes the pressures on the vertical faces of the steps and the air entrainment coefficient in the flow, through an experimental study in a physical model with a stepped chute angle of 53.13o, considering the installation of aerators in different places of the channel. Comparing the tested conditions with the natural aeration, it is concluded that the installation of the aerator does not change the magnitude of the minimum extreme hydrodynamic pressures, but anticipates the beginning of the flow aeration. A new equation is proposed to estimate the air entrainment coefficient, as well as a methodology for forecasting extreme pressures on the vertical faces of the steps, both valid in the range 3.0 ≤ Fr ≤ 6.0.

Devido à possibilidade de danos em decorrência do fenômeno da cavitação, o projeto de vertedouros em degraus considera vazões específicas máximas de 15 a 30 m2/s, limite consideravelmente inferior ao praticado em calhas lisas. Aeradores promovem a inserção de ar no escoamento e podem viabilizar o incremento das vazões específicas. Este trabalho analisa as pressões sobre as faces verticais dos degraus e o coeficiente de entrada de ar no escoamento, através de estudo experimental em modelo físico de calha em degraus com ângulo de 53,13o, considerando a instalação de aerador em diferentes posições na calha. Comparando-se os resultados com a aeração natural, conclui-se que a instalação do aerador não altera a magnitude das pressões extremas mínimas na estrutura, mas antecipa o início da aeração no escoamento. Propõe-se nova equação para estimativa do coeficiente de entrada de ar no escoamento, bem como metodologia para previsão de pressões extremas nas faces verticais dos degraus, válidas no intervalo 3,0 ≤ Fr ≤ 6,0.