Escoamento sobre vertedouros em degraus de alta declividade : análise de incertezas com uma abordagem computacional

Abstract

Estudos experimentais desenvolvidos ao longo dos anos caracterizaram o escoamento sobre diferentes configurações de vertedouros em degraus. Por outro lado, a modelagem computacional tem se mostrado uma importante ferramenta para a análise de escoamentos, com potencial para complementar estudos experimentais, os quais são suscetíveis aos efeitos de escala, de medição e do próprio modelo ou método aplicado. Nesse sentido, essa tese investigou possíveis efeitos de simplificações e limitações das metodologias tradicionalmente aplicadas à modelagem física. Para tanto, utilizou-se uma abordagem com fluidodinâmica computacional aplicada a vertedouros em degraus com alta declividade (1V:0,75H) para investigar os efeitos de medição em pressões, os efeitos de escala e os efeitos de simplificações adotadas em estudos de dissipação de energia quando aplicados ao dimensionamento de bacias de dissipação de energia por ressalto hidráulico. Foram desenvolvidos dois modelos computacionais com geometrias semelhantes, utilizando-se técnicas com RANS. Para o estudo de efeitos de medição em pressões e efeitos de escala, o vertedouro foi modelado no software Ansys CFX, com modelo de turbulência k–ε, modelo multifásico homogêneo e modelo de superfície livre na interface. Para o estudo de dissipação de energia, duas estruturas foram modeladas no software Ansys Fluent, sendo um vertedouro em degraus com aeração natural e outro com aeração induzida por defletor e câmara de ar. Nesses casos, utilizou-se o modelo de turbulência SST k-ω, modelo multifásico Euleriano e modelo Symmetric para interação entre fases. A partir dos resultados obtidos, foram sugeridos valores de frações de água que melhor definem a superfície livre nas diferentes regiões do escoamento, foram sugeridas regiões para instalação de medidores de pressão de forma que as pressões extremas sejam capturadas nos degraus, foi sugerida uma nova abordagem computacional com fluidos hipotéticos para estudos de efeitos de escala, verificou-se que a indução de ar por defletor e câmara de ar não altera significativamente a dissipação de energia ao longo da calha e verificou-se que diferentes simplificações e incertezas comuns aos estudos experimentais de dissipação de energia ao longo da calha não representam impactos significativos no dimensionamento de bacias de dissipação de energia por ressalto hidráulico.

Studies developed among the years with physical modeling were used to characterize skimming flow over stepped spillways with different configurations. In the other hand, Computational Fluid Dynamics (CFD) has been shown an important tool to analyze hydraulic structures, with a great potential to complement physical modeling studies, which are susceptible to scale, measurement, and model effects. In that sense, this thesis investigated possible effects of simplifications and limitations of methodologies traditionally applied to physical modeling. For that, it was used and approach with CFD applied to steeply sloping stepped spillways (1V:0,75H) to investigate measurement effects on pressure data, scale effects and effects of methodologies simplifications adopted at energy dissipation studies applied to hydraulic jump stilling basins design. Two numerical models were developed for different geometries both using RANS techniques. For the studies of measurement effects on pressure and of scale effects, the spillway was modeled in Ansys CFX, with the turbulence model k–ε, multiphase homogeneous model and free surface at the interface. For the energy dissipation study, two spillways were modeled in Ansys Fluent, being one a self-aerated stepped spillway and other a stepped spillway with aeration induced by deflector and air chamber. In these cases, the SST k-ω turbulence model and the Eulerian multiphase model were used, together with the Symmetric model for the interaction between phases. The obtained results showed the best values of water fraction to define free surface in the nonaerated and aerated regions and the best regions for installing pressure gauges to capture extreme pressures in the steps. A new CFD approach with hypothetical fluids was suggested for scale effects studies. It was verified that the induction of air by deflector and air chamber does not significantly alter the energy dissipation along the chute and it was verified that different simplifications and uncertainties common to the experimental studies of energy dissipation along the chute do not represent significant impacts on the design of hydraulic jump stilling basins.