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HIDRÁULICA VINICIUS RIOS BARROS e-mail:prof.riosbarros@gmail.com MEDIÇÃO DIRETA MÉTODO DO VERTEDOR Retangular com parede delgada sem contração lateral Retangular com parede delgada com contração lateral Triangular com parede delgada Trapezoidal (Cipolletti) com parede delgada Retangular com parede espessa MÉTODOS DE SUPERFÍCIE MÉTODO DO FLUTUADOR MÉTODO DO MOLINETE MEDIDOR VENTURI TUBO DE PITOT ORIFÍCIOS E BOCAIS CALHA MEDIDORA – WSC MÉTODO ADCP ALTIMETRIA ESPACIAL+ESTAÇÃO VIRTUAL MÉTODOS DE SUPERFÍCIE SENSORIAMENTO REMOTO Consiste na determinação do tempo necessário para encher um determinado recipiente de volume conhecido. Este método é aplicável a pequenas vazões (Q 10 L/s); devem ser feitas pelo menos três medições do tempo e trabalhar com a média. Para que toda a água aflua para o recipiente, às vezes torna-se necessário a construção de um pequeno dique de terra a fim de que o recipiente possa entrar livremente à jusante do dique; neste caso a água é conduzida ao recipiente através de uma calha qualquer (telha, pedaço de tubo, bambu, etc.). Conceito: é uma passagem feita no alto de uma parede por onde a água escoa livremente. Apresenta a superfície sujeita à pressão atmosférica. Emprego: utilizados na medição de vazão de pequenos cursos d’água, canais, nascentes (Q<300 L/s). Partes componentes: L= tamanho da soleira ou crista; B=base do corpo ou da parede; P=altura do vertedor. Classificação: vários são os critérios para classificação dos vertedores. 1) Quanto à forma : retangular, triangular, trapezoidal, circular, etc: 2) Quanto à espessura (natureza) da parede (e): - Parede delgada: a espessura (e) não é suficiente para que sobre ela se estabeleça o paralelismo das linhas de corrente (e < 2/3 H). - Parede espessa: a espessura é suficiente para que sobre ela se estabeleça o paralelismo das linhas de corrente (e > 2/3 H). 3) Quanto ao comprimento da soleira (L): L=B - Vertedor sem contração lateral L<B - Vertedor com contração lateral – uma contração L<B - Vertedor com contração lateral – duas contrações Observação: Vertedor com duas contrações laterais é o mais usado na prática. Equação geral da vazão para vertedores com parede delgada H dyyHCgQ 0 2 1 )( 2 2 1) Vertedor retangular de parede delgada sem contração lateral 2 3 HLCQ Q = vazão (m³/s); C = coeficiente de ajuste; L = comprimento da soleira (m); H = carga hidráulica (m); CQ = coeficiente de descarga; g = gravidade (m/s²). 2 3 2 QCgC CQ FUNÇÃO DE P(m) e H(m) Na falta de maiores informações pode-se tomar CQ=0,60. Valor proposto Por Poncelet. 2 3 'L 838,1 HQ Poncelet -> não é necessária correção da contração lateral Com isso: 2) Vertedor retangular de parede delgada com contração lateral (Correção de Francis) 2 3 77,1 HLQ Quando o vertedor possui contração lateral é necessário fazer correção no valor de L. 3) Vertedor triangular -> Só parede delgada 2 5 HCQ Q = vazão (m³/s); C = coeficiente de ajuste; θ = ângulo (graus); g = gravidade (m/s²); H = carga hidráulica (m); CQ = coeficiente de descarga. CQ poderá ser encontrado em tabelas, em função de θ, H e P. Na falta de maiores informações pode-se adotar como valor médio CQ = 0,60. Se θ = 90º, tg θ/2 = 1. ) 2 ( 2 15 8 tgCgC Q Fórmula acima se simplifica para: 2 5 H 40,1Q Fórmula de Thompson (θ = 90o) Observação: 1) Para pequenas vazões, o vertedor triangular é mais preciso que o retangular (aumenta o valor de H a ser lido quando comparado ao retangular). 2) Para maiores vazões, o triangular passa a ser menos preciso, pois qualquer erro de leitura é afetado pelo expoente 5/2. A figura a seguir mostra o efeito do formato do vertedor na lâmina vertente. Para a mesma vazão, percebe-se que a lâmina sobre o vertedor é maior no formato triangular (esquerda), quando comparado com o retangular (direita). 4) Vertedor retangular de parede espessa Q = vazão (m³/s); g = gravidade (m/s²); H = carga hidráulica (m); L = comprimento da soleira (m) CQ = coeficiente de descarga. A espessura da parede (e) é suficiente para que se estabeleça o paralelismo entre os filetes, ou seja: as linhas de corrente sejam paralelas (o que confere uma distribuição hidrostática das pressões). 2 3 Q HLCg2385,0Q Experiências realizadas levam à conclusão de que CQ = 0,91, podendo a expressão acima ser escrita como: 2 3 HL55,1Q (Lesbrós) 1) O ideal é calibrar o vertedor no local (quando sua instalação é definitiva) para a obtenção do coeficiente de vazão CQ. 2) O vertedor de parede delgada é empregado exclusivamente como medidor de vazão e o de parede espessa faz parte, geralmente, de uma estrutura hidráulica (vertedor de barragem por exemplo) podendo também ser usado como medidor de vazão. Observações: É suficiente atentar para as deduções das fórmulas que a determinação da altura da lâmina H não é feita sobre a crista do vertedor e sim a uma distância à montante do mesmo suficiente para evitar a curvatura da superfície líquida. Os seguintes cuidados devem ser tomados na instalação na medida de H: 1) Escolher um trecho do canal retilíneo à montante e com pelo menos 20 H de comprimento; na prática, pelo menos 3 metros. 2) A distância da soleira ao fundo deve ser superior a 3 H ( 50 cm ) e de face à margem, superior a 2 H ( 30 cm ). 3) Deve ser instalado na posição vertical, devendo estar a soleira na posição horizontal. Recomendações de instalação: 4) Não permitir que haja qualquer escoamento lateral ou por baixo do vertedor. 5) A ventilação sob a cauda deve ser mantida para assegurar-se do escoamento livre. 6) O valor de H deve ser mantido a uma distância da soleira de 10 H (1,5m). Recomendações de instalação: Exercícios: 1) Qual é a altura de lâmina vertente que se deve manter sobre um vertedor retangular de duas contrações laterais e comprimento da soleira de 2,0 m para que as vazões determinadas tanto pela fórmula de Francis quanto pela de Poncelet sejam iguais? E para soleiras de 1,5 m e 1,0 m, respectivamente? 2) Sabe-se que a vazão de um pequeno curso d’água é de 15 L s-1 e que a carga hidráulica num vertedor triangular instalado é de 23,2 cm. Qual é o ângulo de abertura desse vertedor? Se ângulo fosse de 90º, qual seria a carga hidráulica observada? Respostas: p/ L = 2,0 m H = 37,0 cm; p/ L = 1,5 m H = 27,7 cm; e p/ L = 1,0 m H = 18,5 cm. Resposta: 44,41o; 16,21 cm. De pouca precisão. Consiste em medir a velocidade média de escoamento da água em um trecho do curso d'água previamente escolhido, com o auxílio de um flutuador e determinar a seção média do referido trecho. A vazão é dada por: vAQ Q=vazão; A=área; V=velocidade média. 1) Determinação da velocidade média (v) Feita com o auxílio de uma garrafa parcialmente cheia de água (flutuador) de forma que somente o gargalo fique fora da superfície livre de água. A tendência do flutuador é ser levado pela região de escoamento de maior velocidade. Escolhe-se um trecho retilíneo do curso d'água, de pelo menos 10 metros de comprimento e procede-se a limpeza do mesmo. Para marcar essa distância colocam-seduas varas transversalmente à direção do escoamento. Lança-se o flutuador a uma distância de 5 metros à montante do primeiro ponto. Um observador aciona um cronômetro quando o flutuador passar pelo primeiro ponto e o tranca quando passar pelo segundo ponto. Com isso, tem-se o tempo gasto para percorrer a distância conhecida (10 metros) e, consequentemente, a velocidade (v1). Essa determinação do tempo deve ser feita pelo menos três vezes, usando-se a média. A velocidade média (v) é conseguida através dos coeficientes : Para canais com paredes lisas (cimento) v = 0,85 a 0,95 v1 Para canais com paredes pouco lisas (terra) v = 0,75 a 0,85v1 Para canais com paredes irregulares e vegetação no fundo v = 0,65 a 0,75v1 2) Determinação da seção média do curso d'água - Batimetria O processo de medição de área em cursos d´água recebe o nome de batimetria. E deve ser considerada como a média da medição de pelo menos três seções, no trecho considerado (seção A, seção B e seção C entre A e B). Os cursos d'água naturais apresentam-se com seções muito irregulares. Quando se tratar de um pequeno córrego, pode-se enquadrar a figura numa seção geométrica conhecida (retângulo, trapézio, etc.). No caso da seção ser avantajada, pode-se subdividi-la em subseções, para se ter uma maior precisão. n1n210 AAAAAA n L . 2 hh n L . 2 hh n L . 2 hh A n1n2110 Exercício: 1) Utilizando um flutuador, determinou-se a velocidade da água em um trecho de 12,0 m do curso d’água ilustrado conforme levantamento batimétrico mostrado abaixo. Sabendo que a seção deste curso d’água apresenta (dimensões em metros), calcular a vazão que nele escoa em (L/s), sabendo que os tempos medidos para o deslocamento do flutuador foram de 10,5 s; 10,7 s; 11,0 s e 10,8 s 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 Resposta: v = 0,78 m/s; A = 0,76 m2; Q = 0,593 m3/s 593,0 L/s 0,8 0,6 0,8 0,8 0,8 Determinação da seção média do curso d'água - Batimetria O processo de medição de área em cursos d´água recebe o nome de batimetria. E deve ser considerada como a média da medição de pelo menos três seções, no trecho considerado (seção A, seção B e seção C entre A e B). Os cursos d'água naturais apresentam-se com seções muito irregulares. Quando se tratar de um pequeno córrego, pode-se enquadrar a figura numa seção geométrica conhecida (retângulo, trapézio, etc.). No caso da seção ser avantajada, pode-se subdividi-la em subseções, para se ter uma maior precisão. n1n210 AAAAAA n L . 2 hh n L . 2 hh n L . 2 hh A n1n2110 Exercício: 1) Considerando a geometria da seção do exercício do flutuador, estabeleça como ficaria a configuração das tomadas de velocidade. O medidor Venturi ou venturímetro é uma peça especial, colocado em linha na canalização, utilizado para medir vazão em condutos forçados. É uma aplicação prática da equação de Bernoulli. Divide-se em três partes: uma parte convergente, a outra, divergente e outra intermediária, denominada garganta. Venturi foi um físico Italiano nascido em Bibiano, hoje Reggio nell'Emilia, ordenado padre aos 23 anos e cuja mais importante criação foi o dispositivo hidráulico tubo de Venturi. No Venturi, a parte convergente é constituída por um bocal. A porção divergente tem a finalidade de trazer progressivamente o diâmetro ao seu valor inicial, e diminuir a perda de carga no aparelho. A instalação do Venturi deve ser precedida de um trecho retilíneo de pelo menos 15 vezes o diâmetro. Aplicando a equação de Bernoulli nas seções 1 e 2, tem-se a seguinte equação: h D 1 D 1 g2)1( 4 kQ 4 1 4 2 1 2 Q = vazão (m³/s); D = diâmetro (m); k = coeficiente da perda de carga (0,98); h = carga hidráulica (m); ϒ= peso específico (N/m³, kgf/m³); g = gravidade (m/s²). Exercício: 1) Determinar a vazão de água que atravessa um medidor Venturi que apresenta diâmetros de 50 cm (D1) e 5 cm (D2), deflexão da coluna de mercúrio de 15 cm (h) e coeficiente de perda de carga de 0,98. Qual será a nova vazão caso o líquido escoante tenha densidade de 0,80? Resposta: 0,0117 m3/s; 0,0132 m3/s Pode-se obter a velocidade medindo-se a diferença entre a pressão total e a estática. Permitem a determinação da velocidade em um ponto da seção do escoamento, principalmente em gases. Desenvolvido por Henri Pitot em 1732. ghv 20 Tubo de Pitot em canal aberto. v0 = velocidade (m/s); g = gravidade (m/s²); h = carga hidráulica (m). ghcv v 21 Corrigir o efeito das perturbações ocasionadas pela haste do aparelho. Tubo de Pitot e piezômetro numa disposição fechada. hgcv v )1(2 1 0 v0 = velocidade (m/s); g = gravidade (m/s²); h = carga hidráulica (m); cv = coeficiente de velocidade; γ1 = peso específico líquido manométrico; γ = peso específico do fluido. Classificação: a) Quanto a forma geométrica: Retangular, circular, triangular e etc. Orifícios são perfurações (geralmente de forma geométrica conhecida) feitas abaixo da superfície livre do líquido em paredes de reservatórios, tanques, canais ou tubulações, com a finalidade de medição de vazão. b) Quanto as dimensões relativas: - Pequeno: quando suas dimensões forem muito menores que a profundidade (h) em que se encontram. Na prática, d h/3 - Grande: d > h/3 d = altura do orifício. h = altura relativa ao centro de gravidade do orifício c) Quanto a natureza das paredes: -Parede delgada: (e < d): a veia líquida toca apenas a face interna da parede do reservatório. -Parede espessa: (e d): nesse caso a veia líquida toca quase toda a parede do reservatório. Esse caso será enquadrado no estudo dos bocais. d) Quanto ao escoamento: Livre Afogado Seção contraída (vena contracta) As partículas fluidas afluem ao orifício vindas de todas as direções, em trajetórias curvilíneas. Ao atravessarem a seção do orifício continuam a se mover em trajetórias curvilíneas (as partículas não podem mudar bruscamente de direção), obrigando o jato a contrair-se um pouco além do orifício (onde as linhas de corrente são paralelas e retilínea). L = 1d; L = 0,5 d - para orifício circular; = CC - coeficiente de contração; Ac = área contraída. A Ac Fórmula para cálculo da vazão: - Orifícios afogados de pequenas dimensões em paredes delgadas Neste caso, admite-se que todas as partículas que atravessam o orifício têm a mesma velocidade. Consideremos níveis constantes nos dois reservatórios. Apliquemos a equação de Bernoulli entre os pontos (0) e (1), situados na linha de corrente 0-1, com referência em (1). )( 2 101 hhgv v1 = velocidade (m/s); g = gravidade (m/s²); h0 = carga hidráulica (m); h1 = carga hidráulica (m). Na prática a velocidade real (vr) na seção contraída é menor que v1, devido às perdas existentes (atrito externo e viscosidade). Chamando de CV (coeficiente de velocidade) a relação entre vr e v1, vem: 1v v C rv )( 2 10 hhgCv vr CV é determinado experimentalmente; CV = f (d, h0 - h1 , e forma do orifício); CV é tabelado; )hh( g2 A C CQ 10Cv cv = coeficiente de velocidade; cc = coeficiente de contração; A = área (m²); g = gravidade (m/s²); h0 = cargahidráulica (m); h1 = carga hidráulica (m). Definindo como coeficiente de descarga (CQ) o produto: CvQ CCC (Na prática pode-se adotar CC =0,62) (na prática pode-se adotar CV = 0,985) 61,0985,062,0CCC CvQ )hh( g2 A CQ 10Q cQ = coeficiente de descarga; A = área (m²); g = gravidade (m/s²); h0 = carga hidráulica (m); h1 = carga hidráulica (m). Fórmula para cálculo da vazão: - Orifícios com escoamento livre, de pequenas dimensões e paredes delgadas Nesse caso h1 = 0 e a fórmula se escreve como; chamando h0 de h. v1 = velocidade (m/s); g = gravidade (m/s²); h0 = carga hidráulica (m); h1 = carga hidráulica (m). h g 2 A CQ Q Observações: 1) Em iguais condições de altura de lâmina d'água acima do orifício - (h) ou (h0 - h1), CQ é um pouco maior para escoamento livre. Em casos práticos, pode-se adotar os mesmos valores para CQ. 2) Bocais ou tubos adicionais são constituídos por peças tubulares adaptadas aos orifícios, com a finalidade de dirigir o jato. O seu comprimento deve estar compreendido entre 1,5 e 3,0 vezes o diâmetro. De um modo geral, e para comprimentos maiores, consideram-se comprimentos de 1,5 a 3,0D como bocais, de 3,0 a 500 D como tubos muito curtos; de 500 a 4000 D (aproximadamente) como tubulações curtas; e acima de 4000D como tubulações longas. Observações: 3) Para se determinar a vazão nos bocais, se aplica a fórmula geral deduzida anteriormente para os orifícios pequenos. Os bocais equipam os equipamentos denominados aspersores, destinados à aplicação de água sob forma de chuva e são constituintes de sistemas de irrigação por aspersão. No cálculo da vazão de um aspersor, devem ser consideradas as áreas dos bocais, além do coeficiente de descarga e da pressão na base do aspersor. Exercícios: 1) Calcule a vazão em m³/h que um aspersor (bocais 4,2 mm e 3,0 mm) estará aplicando quando submetido a uma pressão de 51,45 psi, sabendo que o coeficiente de contração é de 0,93 e o coeficiente de velocidade é de 0,98. Resposta: 0,0005 m3/s 1,80 m3/h Exercícios: 2) Qual a vazão que escoa no orifício, sabendo que Ac = 2,40 cm2, CC = 0,60, CV = 0,98, ho = 5 cm e h1 = 2,5 cm? Resposta: 0,000162 m3/s É um tipo de medidor que se adapta muito bem para a medição d’água em sulcos ou canais. Podem ser construídos de folhas de metal e também de cimento ou madeira. A Figura a seguir apresenta as partes componentes de uma calha WSC. Consiste basicamente em quatro seções: seção de entrada, seção convergente, seção contraída e seção divergente. Este tipo de medidor deverá ser instalado dentro do sulco, de modo que o seu fundo permaneça na horizontal, quer longitudinalmente, quer transversalmente. Seu fundo deve ficar no mesmo nível do fundo do sulco. Estará corretamente instalado quando a altura d’água na saída for menor que na entrada, o que normalmente acontece. Para a medição de vazão, somente uma leitura na régua graduada em milímetro é necessária. Esta régua deve estar encostada na parede lateral de entrada. Mediante calibração prévia, os valores de carga hidráulica (cm ou mm) são convertidos em vazão (L/s, L/h, etc.). A Figura a seguir apresenta curvas de calibração para duas calhas WSC distintas. No eixo das abcissas (eixo x), está representada a carga hidráulica (mm) e no eixo das ordenadas (eixo y), a vazão em L/s. É um aparelho utilizado para medir a vazão dos cursos d’água através do efeito “Doppler”. Também pode ser utilizado para medir o seu movimento em relação ao fundo do rio e a distribuição dos sedimentos em suspensão na seção de medição. O ADCP pode utilizar diferentes freqüências para emitir o som, tais como: 75, 150, 300, 600, 1.200 e 2.400 kHz, dependendo do modelo. QUANDO E PORQUE USAR ADCP ? O uso do ADCP se justifica em situações que apresentem dificuldades para o trabalho com métodos tradicionais, como: grandes rios, períodos de cheia, seções descontínuas, etc. As vantagens do uso do ADCP são: maior quantidade e qualidade de dados; maior precisão (erro da ordem de 5%); medição em tempo real; alta taxa de reprodutibilidade; mais rápido que métodos convencionais; pode ser usado em grandes e pequenos rios; exige menos mão-de-obra; não necessita alinhamento, corrige desvios de rota em seções descontínuas; é possível estimar o movimento do sedimento de fundo; e boa correlação com métodos antigos. As limitações quanto ao uso do ADCP em grandes, médios ou pequenos cursos d’água dependem da freqüência do aparelho e da quantidade de células de profundidade que ele pode discriminar. Quanto menor for a profundidade do curso d’água, maior deve ser a freqüência do instrumento. Além destas, as outras limitações são: custo (varia de US$ 26.000,00 a US$ 60.000,00); equipamento sensível; embarcação deve ser de material que não cause interferência magnética; e dificuldades na manutenção. Técnica que permite a aquisição de informações sobre a superfície de um plano de água através de sensores altimétricos. O QUE É ? A altimetria por satélite, ou espacial, é uma técnica para determinação de alturas elipsoidais a partir de sensores orbitais. Essa determinação indireta deriva de duas medições básicas e independentes: 1)Posição instantânea do satélite (GPS). 2)Distância do centro da antena do satélite até a superfície refletora, observada na direção nadir do satélite. ALT=d-H Sensores radar operam na faixa de microondas, em diversas freqüências. Emissão de uma onda eletromagnética na direção do nadir, definida pela vertical em relação ao solo. No retorno, o sensor recebe o eco refletido pela superfície do plano de água. A análise do eco permite extrair uma medida do tempo de trajeto entre o satélite e a superfície da água. ALTIMETRIA DE ÁGUAS CONTINENTAIS Altimetria de águas continentais via satélite, surgiu como uma alternativa a altimetria convencional. O primeiro trabalho utilizando altimetria espacial em águas continentais, surgiu em 1977, num estudo que analisou o retroespalhamento e formas de onda típicas do Lago Salgado de Utah. Em 1979, surgiram algumas aplicações para determinação dos níveis de água de lagos continentais. Em 1993 foi feito o primeiro estudo na região Amazônica, com o intuito de estimar os níveis de água em quatro locais diferentes. 1975 1980 1985 1995 1990 2000 TOPEX/POSEIDON JASON-1 GFO 2010 1975 1980 1985 1995 1990 2000 ERS-1 ENVISAT Seasat 2005 2005 2010 GEOS-3 JASON-2 GEOSAT E EERS-2 E ALTIMETRIA DE ÁGUAS CONTINENTAIS 6) Regiões Costeiras Algumas Aplicações: 4) Atmosfera 3) Clima 2) Gelo 1) Geodésia e Geofísica 5) Hidrologia Completar a rede convencional de estações fluviométricas. Restituir leituras convencionais perdidas por ausência de réguas. ALTIMETRIA DE ÁGUAS CONTINENTAIS Algumas Aplicações: Completar a rede convencional de estações fluviométricas. Altimetria Espacial para monitoramento hidrológico dos rios Solimões e Amazonas. Interseção traço/rio no Google Earth e definição de uma área de estudo (polígono e direção do escoamento). ALTIMETRIA DE ÁGUAS CONTINENTAIS Algumas Aplicações: Restituir leituras convencionais perdidas por ausência de réguas. Baixo nível d’água no período da seca.
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