Caracterização das pressões em bacias de dissipação por ressalto hidráulico livre com baixo número de Froude

Abstract

Estruturas hidráulicas vêm sendo, há algumas décadas, tema de grande interesse por parte da comunidade técnico-científica. Apesar dos avanços feitos nessa área, ainda há muito o que se investigar para atingir um grau de conhecimento adequado no projeto e execução dessas obras. Prova disso são os recentes danos ocorridos principalmente nas estruturas de extravasamento de barragens. Devido ao potencial hidrelétrico brasileiro e às tendências de crescimento econômico e populacional previstas para as próximas décadas, evidencia-se a importância de serem investigados os efeitos hidrodinâmicos do escoamento sobre estruturas hidráulicas. Assim, esta pesquisa teve por objetivo investigar o comportamento das pressões provenientes de ressaltos hidráulicos com baixo número de Froude, de forma a contribuir para o dimensionamento e projeto de bacias de dissipação seguras e econômicas. Após a implementação de uma instalação experimental constituída de vertedouro e bacia de dissipação, foram coletados valores de pressão instantânea ao longo da extensão do ressalto hidráulico para diferentes vazões. As amostras de dados foram analisadas por meio de parâmetros estatísticos adimensionais: média, desvio padrão, coeficientes de assimetria e curtose, valores extremos e coeficiente de distribuição de probabilidade. A análise também contemplou uma etapa de comparação com dados provenientes de outras pesquisas, tanto para ressaltos operando com baixo número de Froude quanto para ressaltos estáveis. Constatou-se que muitos desses parâmetros se comportam diferentemente para ressaltos com baixo número de Froude, em especial as flutuações de pressão. Além disso, foram testadas metodologias de previsão de pressões extremas existentes na literatura. Verificou-se que algumas das equações introduzidas pelos outros autores não descreviam suficientemente bem o comportamento dos valores de pressão provenientes de ressaltos com baixo número de Froude. Diante disso, foram propostos novos ajustes, os quais foram testados por meio de sua aplicação em amostras de pressão coletadas em outro modelo. O equacionamento proposto descreveu com maior precisão a tendência geral dos dados, especialmente na região final do ressalto. Por fim, como estudo de caso, as contribuições da presente pesquisa foram aplicadas no dimensionamento real de uma bacia de dissipação.

Hydraulic structures have been, for some decades, a topic of interest for the technical and scientific community. Despite the advances in the field, there is still a lot to investigate in order to reach a reasonable state-of-the-art on the design and construction of these structures. The recent damages occurred mainly in discharge structures of dams are a proof of this. Due to the Brazilian hydropower potential and due to the trends of economic and populational grow foreseen for the next decades, the importance of investigating hydrodynamic effects over hydraulic structures becomes clear. Thus, the objective of this study was to investigate the behavior of pressures generated by low Froude number hydraulic jumps, contributing to the design of safe and economic stilling basins. After the assembly of a physical model, composed by a spillway and a stilling basin, instantaneous pressures were sampled along the hydraulic jump for different flowrates. The data were analyzed using dimensionless statistical coefficients: mean, standard deviation, skewness and kurtosis coefficients, extreme values and probability distribution coefficients. The analysis also comprised a comparison with data from other researches, for both stable jumps and low Froude number jumps. Results show that many of these parameters behave differently in low Froude number hydraulic jumps, especially pressure fluctuations. In addition, methodologies already existent in the literature for the estimation of extreme pressure were tested. It was verified that some of the equations proposed by other authors do not describe the behavior of pressure values occurring in low Froude number jumps properly. Therefore, novel equations were proposed and tested, by applying them in pressure samples from another model. The proposed equations describe the data behavior more accurately, especially in the final part of the jump. Finally, as a case study, the contributions of the present research were applied on the design of an actual stilling basin.