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

• Ano de defesa: 2024
• Autor(a) principal: Steinke Júnior, Renato
• Orientador(a): Teixeira, Eder Daniel
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Palavras-chave em Português: Bacia de dissipação; Ressalto hidraulico; Número de Froude
• Palavras-chave em Inglês: Hydraulic jump; Low Froude number; Stilling basin; FLOW-3D; 4D-PTV
• Link de acesso: http://hdl.handle.net/10183/282219

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.