Análise computacional do efeito de escala em bacias de dissipação de energia por ressalto hidráulico

Abstract

O efeito de escala é um fenômeno inerente aos modelos físicos hidráulicos. Este fato ocorre, pois, se os mesmos fluidos que são utilizados nos modelos são os observados no protótipo, para o atendimento do critério de semelhança de Froude, comumente utilizado quando modelados escoamentos a superfície livre, outros critérios de semelhança entram em detrimento, como é o caso dos critérios de Reynolds e Weber, impossibilitando a garantia de uma semelhança dinâmica completa entre modelo e protótipo. A presente pesquisa tem por objetivo investigar o efeito de escala nas pressões médias no fundo uma bacia de dissipação de energia por ressalto hidráulico utilizando simulações com CFD com fluidos hipotéticos, os quais possuem viscosidade cinemática e tensão superficial fluido-ar alteradas a fim de garantir que os critérios de semelhança de Reynolds e Weber sejam respeitados, além do critério de Froude, já garantido nos modelos físicos hidráulicos que foram avaliados. Para a validação do modelo computacional, foram utilizados dados medidos em modelos físicos nas escalas 1:32, 1:50 e 1:100, além de dados medidos em escala de protótipo, representativos do sistema extravasor de cheias da UHE Porto Colômbia. Nas simulações computacionais foi utilizado o solver Ansys CFX, que resolve numericamente as equações RANS e da continuidade através do método dos volumes finitos. Para a modelagem da turbulência foi utilizado o modelo RNG 𝜅 − 𝜀 e para a modelagem do escoamento bifásico foi utilizado o método VOF. Os resultados desta dissertação são apresentados em dois artigos. No primeiro foram realizadas comparações entre os resultados obtidos nas simulações que utilizaram água como fluido principal com dados adquiridos nos modelos físicos hidráulicos. Neste artigo foram obtidos resultados satisfatórios para quatro de seis variáveis analisadas e observou-se grande influência do fenômeno de aeração nas outras duas variáveis. No segundo artigo foi realizada a análise do efeito de escala nos valores de pressão média através da utilização de fluidos hipotéticos. Verificou-se que a representação dos efeitos viscosos nos modelos, através da preservação do critério de semelhança de Reynolds, possui maior influência na prevenção do efeito de escala.

The scale effect is an inherent phenomenon in hydraulic physical models. This occurs because when the same fluids used in the models are observed in the prototype to meet the Froude similarity criteria, which is commonly used when modeling freesurface flows, other similarity criteria such as Reynolds and Weber criteria are compromised, making it impossible to ensure complete dynamic similarity between the model and full-scale structure. The objective of this research is to investigate the scale effect on mean pressures at the bottom of a hydraulic jump stilling basin using CFD simulations with hypothetical fluids. These fluids have altered fluid-air kinematic viscosity and surface tension, ensuring that the Reynolds and Weber similarity criteria are respected, in addition to the Froude criterion, which is already guaranteed in the hydraulic physical models that have been evaluated. For the validation of the computational model, data obtained from physical models at scales of 1:32, 1:50, and 1:100, as well as full-scale data representing the spillway and stilling basin of the Porto Colômbia Hydroelectric Power Plant, were used. The Ansys CFX solver was employed in the computational simulations, numerically solving the RANS and continuity equations using a finite volume method. The RNG 𝜅 − 𝜀 turbulence model was used for turbulence modeling, and the VOF method was applied for two-phase flow modeling. The results of this study are presented in two papers. In the first paper, comparisons were made between the results obtained in the simulations that used water as the main fluid and data acquired from hydraulic physical models. Satisfactory results were obtained for four out of six analyzed variables, with significant influence observed from the aeration phenomenon on the other two variables. In the second paper, an analysis of the scale effect on mean pressure values was conducted using hypothetical fluids. It was found that preserving the Reynolds similarity criterion in the models, through the representation of viscous effects, has a greater influence in preventing the scale effect.