Induced aeration flow over stepped spillways: mean pressures, air entrainment and flow behavior

Abstract

Stepped spillways can dissipate a great amount of energy during the flow passage over the chute, however these structures have limited operation due to the risk of cavitation damage. The induced aeration may protect the concrete chute through the air concentration near the channel bottom. Furthermore, some research studies have indicated that the presence of air in flows may reduce the mean pressures. The present research aims to analyze mean pressures, air entrainment coefficient and flow behavior over a stepped spillway with aeration induced by two different deflectors, comparing the results to natural aeration flow. Despite the jet impact influence, the induced aeration does not change significantly the mean pressures compared to natural aeration flow. The air entrainment coefficient, as well as the jet impact position, is higher for the deflector with the longer extension and, although air bubbles can be seen throughout the extension of the chute due to the air entrainment through the inferior flow surface, the induced aeration did not anticipate the boundary layer inception point position.

Vertedouros em degraus dissipam uma grande quantidade de energia durante a passagem do escoamento pela calha, porém essas estruturas tem sua operação limitada devido a riscos de danos por cavitação. A aeração induzida pode agir protegendo a calha de concreto através da concentração de ar próximo ao fundo do canal. Além disso, algumas pesquisas têm indicado que a presença de ar em escoamentos pode reduzir as pressões médias. A presente pesquisa tem por objetivo analisar as pressões médias, coeficiente de entrada de ar e o comportamento do escoamento sobre uma calha em degraus com dois diferentes defletores, comparando os resultados com um escoamento com aeração natural. Além da influência no ponto de impacto do jato, a aeração induzida não alterou, significantemente, as pressões medias em relação a um escoamento com aeração natural. O coeficiente de entrada de ar, assim como a posição de impacto do jato, é maior para o defletor mais extenso e, embora bolhas de ar possam ser identificadas ao longo de toda a extensão da calha, devido à entrada de ar através da superfície inferior do escoamento, a aeração induzida não antecipou a posição de afloramento da camada limite.