Uso de simulação numérica para avaliação de grandezas associadas a patologias no concreto de vertedouros salto esqui

Abstract

Vertedouros são estruturas hidráulicas que têm por objetivo garantir a segurança de uma barragem, permitindo a passagem do excesso de água para jusante. Os vertedouros estão sujeitos a manifestações patológicas nas estruturas de concreto devido a passagem de fluxos em altas velocidades. Este estudo teve como objetivo avaliar a utilização de simulações numéricas do escoamento para analisar grandezas hidráulicas associadas a manifestações patológicas no concreto da calha de vertedouros salto esqui. Foi estudado o vertedouro da UHE Furnas, que possui largura total de 80,5 m. As simulações foram feitas em escala de protótipo para uma geometria com juntas de concretagem distribuídas ao longo da calha e uma geometria sem juntas. Foram avaliadas vazões iguais a 2089 m³/s, 1684 m³/s e 779 m³/s, que representam vazões de vertimento observadas na estrutura real. As simulações foram feitas no software Ansys – CFX, que utiliza o método dos volumes finitos para resolver as equações do escoamento. A turbulência foi modelada utilizando a decomposição de Reynolds (RANS - Reynolds Averaged Navier-Stokes). O modelo de turbulência utilizado foi o k-. Para a discretização do domínio geométrico, foi definida uma malha não estruturada, tetraédrica, com aproximadamente 105 elementos na geometria sem juntas de concretagem e 106 elementos na geometria com juntas de concretagem. Para as duas estruturas analisadas, foram obtidos resultados para cinco pontos distribuídos ao longo da calha do vertedouro. Os perfis de velocidade obtidos numericamente foram comparados com perfis de velocidade na camada limite para escoamento sobre placa plana. A comparação de velocidade entre as duas geometrias mostra que não há variação significativa na velocidade com a inserção das juntas. Já para pressão, nota-se o surgimento de pressões negativas junto ao vértice das juntas. Foram calculados os índices de cavitação, que indicaram a região final da calha com juntas de concretagem com maior possibilidade de haver cavitação.

Spillways are hydraulic structures that ensure the safety of a dam, allowing the passage of excess water downstream. Spillways are subject to pathological manifestations of concrete structures due to the passage of flows with high speeds. This study aimed to evaluate the use of numerical simulations of the flow to analyze hydraulic aspects associated with pathologies in the concrete of the ski jump spillway. The Furnas Hydroelectric Power Plant ski jump spillway was studied. The structure has total width of 80.5 m The simulations were done at prototype scale for a geometry with concreting joints and a geometry without joints. Flow rates equal of 2089 m³/s, 1684 m³/s and 779 m³/s were simulated. These flows were observed in real structure. The numerical simulations were made with the Ansys – CFX software that use the finite volume method to solve the flow equation. Turbulence was modeled using the Reynolds decomposition (RANS - Reynolds Averaged Navier-Stokes). The turbulence model used was the k-. For discretization of the geometric domain, an unstructured tetrahedral mesh was defined, with approximately 105 elements in the geometry without concreting joints and 106 elements in the geometry with concreting joints. For the two structures analyzed, results were obtained for five points distributed along the spillway chute. The velocity profiles obtained numerically were compared with velocity profiles in the boundary layer. Comparison of speed and pressure between two geometries evidences that there is no significant variation in speed with insertion of the joints. As for pressure, the appearance of negative pressures is noted at the edge of the joints. Cavitation indices were calculated, which indicated regions which indicated the final region of the spillway with possibility of having cavitation.