Modelagens física e numérica das flutuações de pressão e velocidade em bacias de dissipação por ressalto hidráulico com baixo número de froude

Abstract

Ressaltos hidráulicos com baixos números de Froude (inferiores a 4,5) são frequentemente encontrados em bacias de dissipação de barragens de baixas quedas, as quais podem estar associadas a rios caudalosos de baixas declividades. Apesar de inúmeros estudos existentes sobre o ressalto hidráulico, que abordam diversos aspectos da sua descrição nas mais variadas formas e condições nas quais o fenômeno pode ocorrer, ainda há lacunas quanto à caracterização dos campos de pressões e velocidades em ressaltos hidráulicos com baixos números de Froude. O conhecimento destas grandezas e parâmetros derivados é importante para o projeto de novas estruturas, bem como para a manutenção de estruturas já existentes, que devem resistir aos esforços hidrodinâmicos a elas transmitidos pelo ressalto hidráulico. Neste sentido, esta tese buscou contribuir para uma compreensão mais profunda de propriedades médias e turbulentas associadas às velocidades que ocorrem no interior de um ressalto hidráulico e às pressões que ocorrem na interface entre este e a sua estrutura de contenção, valendo-se, para isso, de abordagens tanto experimentais quanto computacionais. A técnica das Simulações de Grandes Escalas no software FLOW-3D® foi empregada para simular três ressaltos hidráulicos com baixo número de Froude ocorrendo a jusante de um vertedouro de baixa queda. Verificou-se que esta técnica é apropriada para gerar séries de pressões instantâneas com parâmetros de estatística, como desvios-padrão e pressões extremas, concordantes com valores provenientes de experimentos físicos. A combinação dos conjuntos de dados experimentais e numéricos possibilitou o ajustamento de nove equações aplicáveis ao dimensionamento e verificação de bacias de dissipação enquadradas nesta faixa. Velocidades instantâneas foram coletadas em quatro ressaltos hidráulicos ocorrendo sobre uma bacia de dissipação, por meio de um Velocímetro Acústico por Doppler. Os dados foram comparados com resultados de um outro estudo obtidos em ressaltos hidráulicos ocorrendo a jusante de uma comporta de fundo, em termos de valores médios, seus desvios-padrão e tensões de Reynolds. Observou-se que ressaltos hidráulicos com baixos números de Froude ocorrendo a jusante de vertedouros apresentam comprimento maior do que ressaltos hidráulicos a jusante de comportas de fundo. A investigação conjunta de parâmetros associados às velocidades e pressões flutuantes de ressaltos hidráulicos com baixos números de Froude permitiu estabelecer correlações práticas entre elas, que também podem vir a ser empregadas no dimensionamento e na verificação de bacias de dissipação. Por fim, também é apresentado um estudo sobre o ressalto ondulado conduzido com uma técnica de instrumentação recente, baseada em Velocimetria por Rastreamento de Partículas e capaz de grande discretização espacial e temporal. Os dados medidos possibilitaram a análise tridimensional de grandezas como médias, desvios-padrão, tensões de Reynolds, intensidades de turbulência, energia cinética turbulenta, taxa de dissipação de energia e escalas integrais de tempo e comprimento. Características deste tipo de ressalto, como a presença de uma zona de baixas velocidades sob a crista da primeira onda e de ondas laterais de choque na superfície, foram relacionadas a efeitos nas grandezas analisadas. Também são evidenciadas limitações de outras técnicas de medição, como Velocímetros Acústicos Doppler e Velocímetros por Imagem de Partículas.

Low Froude number (below 4.5) hydraulic jumps often occur, among other situations, in the stilling basins of low head dams, which can be associated with high-discharge, low-sloped rivers. Despite numerous existing studies on the hydraulic jump, addressing various aspects of its description in the most varied forms, geometries and conditions in which the phenomenon can occur, there are still gaps in the characterization of pressure and velocity fields of low Froude numbers hydraulic jumps. Knowledge of these quantities and derived parameters is important for the design of new structures, as well as for the maintenance of existing structures, which must withstand the hydrodynamic forces transmitted to them by the hydraulic jump. In this sense, this thesis sought to contribute to a deeper understanding of the mean and turbulent properties associated with the velocities that occur inside a hydraulic jump and the pressures that occur on the interface between it and its containment structure, using both experimental and computational approaches. The Large Eddy Simulation technique was used in FLOW-3D to simulate three conditions of low Froude number hydraulic jumps occurring downstream of a low head spillway. This technique was found to be suitable for generating series of instantaneous pressures with statistical parameters (such as standard deviation and extreme pressures) that agree with results obtained from physical experiments. The combination of experimental and numerical datasets made possible the fitting of nine equations applicable to the design and verification of stilling basins within said range. Instantaneous velocities were collected in four hydraulic jumps occurring over a stilling basin, using an Acoustic Doppler Velocimetry probe. The data series were compared with results obtained in hydraulic jumps occurring downstream of a sluice gate, in terms of mean values, their standard deviations and Reynolds stresses. Low Froude number hydraulic jumps occurring downstream of spillways were verified to be longer than hydraulic jumps downstream of sluice gates. The joint investigation of parameters associated with both the fluctuating velocities and pressures in low Froude number hydraulic jumps allowed for the introduction of practical correlations between them, which can also be employed in the design and verification of stilling basins. Finally, a study is also presented on the undular jump, conducted with a relatively new instrumentation technique based on Particle Tracking Velocimetry, which is capable of great spatial and temporal discretization. The measured data allowed for the three-dimensional analysis of quantities such as the mean, standard deviations, Reynolds stresses, turbulence intensities, turbulent kinetic energy, energy dissipation rate and integral time and length scales. Features of this type of jump, such as a low velocity zone under the first wave crest and lateral shockwaves on the surface, were associated with effects over the analyzed quantities. Limitations of other techniques such as Acoustic Doppler Velocimetry and Particle Image Velocimetry were also highlighted.