Vertedouro em degraus com aeração induzida : análise do escoamento com sistema aerador em diferentes posições - Ferla, Rute (2022)
Estruturas hidráulicas submetidas a escoamentos em altas velocidades – como é o caso de vertedouros de barragens, por exemplo – são suscetíveis a danos em decorrência da cavitação. Contudo, a inserção de ar no escoamento pode reduzir ou até eliminar a erosão ocasionada por esse fenômeno. O objetivo do trabalho é, considerando um vertedouro com calha em degraus e com sistema aerador, analisar a influência da aeração induzida nas pressões hidrodinâmicas sobre os degraus, bem como avaliar a entrada de ar pelo sistema aerador. Os dados foram adquiridos em uma instalação experimental do Instituto de Pesquisas Hidráulicas (IPH/UFRGS), que representa um vertedouro com ogiva de perfil padrão Waterways Experiment Station (WES, U. S. Army), com 60 degraus (6 cm de altura cada um) distribuídos ao longo de uma calha com 53º de inclinação com relação ao plano horizontal. Avaliou-se o escoamento sobre a referida estrutura considerado a instalação de um sistema aerador (formado por uma câmara de ar e um defletor) em dois locais ao longo da calha inclinada, de forma independente. Os dados adquiridos nessas condições foram comparados com a configuração de aeração natural (isto é, sem a inserção de elementos aeradores na estrutura). Para a aquisição de dados foram utilizados transdutores de pressão nas faces vertical e horizontal dos degraus, ao passo que a medição da entrada de ar no sistema aerador foi feita indiretamente, por meio da medição da velocidade de entrada de ar, com auxílio de uma sonda Pitot-Prandtl acoplada a um transmissor diferencial de pressão. Foram estabelecidas equações para previsão do comprimento do jato formado a jusante do defletor, bem como do coeficiente de entrada de ar proporcionado pelo sistema aerador. Além disso, foi proposto um modelo para previsão da distribuição das pressões hidrodinâmicas ao longo da calha inclinada, para as faces vertical e horizontal do degrau, em termos de pressões médias, do desvio padrão das pressões e das pressões extremas positivas e negativas (associadas às probabilidades de não excedência de 0,1%, 1%, 5%, 95%, 99% e 99,9%). As análises desenvolvidas permitiram concluir que, para garantir a melhor eficiência do sistema aerador, é imprescindível o estudo prévio do local ideal, ao longo da calha, onde este será instalado. A avaliação conjunta entre as pressões extremas negativas (medidas) e a concentração de ar no escoamento (estimada) permitiu concluir que, no caso de um protótipo com degraus de 90 cm de altura cada um, a adoção de um aerador nas proximidades do degrau nº10 permitiria um incremento nas vazões do escoamento (com segurança, sem riscos a danos por cavitação) da ordem de 70% em comparação com uma estrutura submetida à aeração natural ou com o mesmo aerador instalado no degrau nº1.