Caracterização da perda de carga e dimensionamento básico da descarga de fundo tubo ranhurado

Abstract

Entre as medidas de prevenção e mitigação da sedimentação em reservatórios, descargas de fundo se apresentam como uma forma de remover sedimentos que se depositam junto ao barramento e ameaçam o funcionamento de tomadas de água. Dada a restrita remoção de sedimento gerada pelas descargas de fundo tradicionais em condições de descarga pressurizada, diversas estruturas não tradicionais têm sido propostas na última década com o objetivo de melhorar a eficiência de remoção desta técnica. Entretanto, tais pesquisas focaram na capacidade de remoção de sedimentos das estruturas sem fornecer critérios de dimensionamento que permitam projetá-las para que removam a quantidade de sedimentos desejada. Nesta pesquisa, aspectos do funcionamento da descarga de fundo tubo ranhurado relacionados à perda de energia ao longo da estrutura foram caracterizados com o objetivo de subsidiar seu dimensionamento. Isso faz desta investigação a primeira do gênero entre as descargas de fundo não tradicionais para descarga pressurizada desenvolvidas na última década. Os objetivos propostos foram atingidos através de modelagem híbrida, na qual modelagem física foi empregada na obtenção de dados para a calibração de um código numérico. Utilizou-se este código para simular condições de contorno que não poderiam ser concretizadas no modelo físico. A caracterização das variações de energia total, carga piezométrica e taquicarga indicaram que a descarga de fundo tubo ranhurado dissipa, aproximadamente, 60% da energia total do escoamento. A análise de perfis de velocidade e a visualização da turbulência através do critério Q evidenciaram que a dissipação de energia está relacionada, principalmente, à turbulência gerada pelas características geométricas da estrutura. Obteve-se uma equação empírica para estimar o coeficiente de perda de carga singular a partir da análise dimensional das grandezas envolvidas no fenômeno. Além disso, ajustou-se aos dados uma equação teórica para a variação da velocidade ao longo da descarga de fundo encontrada na literatura. O ajuste foi comparado à distribuição de velocidades de uma estrutura similar ao tubo ranhurado. Por fim, os resultados foram relacionados a questões práticas da operação da descarga de fundo em barragens reais e possibilidades de desenvolvimento foram destacadas.

Among the numerous measures to mitigate and prevent reservoir sedimentation, the use of bottom outlets is a means of removing sediments that deposit near the dam, threatening water intakes. Unfortunately, the scour caused by these structures is limited to its surroundings if pressure flushing occurs. Because of that, several nontraditional bottom outlets have been developed during the last decade to enhance the efficiency of the pressure flushing technique. Nontraditional bottom outlets are accessory structures attached to traditional bottom outlets that enhance sediment scouring with the turbulence generated by their geometric features. Despite recent advances in the field, such investigations have examined the sediment removal capacity of the structures without providing design criteria that might allow them to be dimensioned to generate the intended sediment removal. In this research, aspects of the hydraulic functioning of the slotted pipe bottom outlet related to the hydraulic head loss were characterized to support its design. That makes this investigation the first of its kind among the nontraditional bottom outlets for pressure flushing developed in the last decade. The research objectives were achieved utilizing hybrid modeling, in which physical modeling was employed to acquire data that was used to calibrate a numerical code. This code was utilized to simulate boundary conditions that could not be set in the physical model. The characterization of the total head, the pressure head, and the velocity head variations indicated that the slotted pipe bottom outlet dissipates about 60% of the total energy of the flow. Analyses of velocity profiles and turbulence visualization through the Q-criterion showed that the energy dissipation is mainly related to the turbulence generated by the geometric features of the structure. An empirical model was developed to estimate the local head loss coefficient of the design using dimensional analysis of the variables involved in the phenomenon. Besides that, a theoretical equation for the velocity distribution along the structure found in the literature was fitted to the data. The results were compared to the velocity distribution of a bottom outlet similar to the slotted pipe. Lastly, the results were related to practical considerations regarding the operation of the bottom outlet, and development opportunities were highlighted.