Vertedouro em degraus com aeração induzida : análise do escoamento com sistema aerador em diferentes posições

Abstract

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.

Hydraulic structures subjected to high-velocity flows – as in dam spillways, for example are susceptible to damage due to cavitation. However, air insertion into the flow can reduce or even eliminate cavitation erosion. Regarding a stepped chute spillway, this work aims to evaluate the influence of the induced aeration on the hydrodynamic pressures on the steps and the air entrainment provided by the aerator system. Data were acquired in an experimental facility of the Institute of Hydraulic Research (IPH/UFRGS), which represents a Waterways Experiment Station ogee profile (WES, U.S. Army), with 60 steps (0,06 m high each) distributed in a chute with an angle of 53º. It was assumed that an aerator system (air chamber and deflector) was installed independently in two positions along the chute. Results acquired under these conditions were compared with the natural aeration configuration (without aeration elements in the structure). Pressure transducers were used on the vertical and horizontal faces of the steps, while the measurement of the air entrainment was performed indirectly, by measuring the air entrainment velocity, with a Pitot-Prandtl probe attached to a differential pressure transmitter. Equations were established to predict the jet length and the air entrainment coefficient. Furthermore, a model was presented to predict the distribution of hydrodynamic pressures along the chute, for the vertical and horizontal faces of the step, in terms of mean, standard deviation and extreme positive and negative pressures (associated with the non-exceed probabilities of 0.1%, 1%, 5%, 95%, 99% and 99.9%). It was concluded that to ensure the best efficiency of the aerator it is essential to previously study the ideal position, along the chute, where the system will be installed. By evaluating the extreme negative pressures and the air concentration it was concluded that, in a prototype with steps of 90 cm in height each, the adoption of an aerator near step no.10 would allow an increase in unit discharges (safely, without risk of cavitation damage) of the order of 70%, compared to a structure subjected to natural aeration or with the same aerator installed on step no.1.