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HIDRÁULICA II CONDUTOS LIVRES CANAIS Prof. João Paulo Adams CONDUTOS LIVRES OU CANAIS O TRANSPORTE DE FLUIDOS É FEITO EM CONDUTOS PROJETADOS ESPECIFICAMENTE PARA TAL FINALIDADE. DE MODO GERAL PODEMOS CLASSIFICAR O ESCOAMENTO QUANTO AO TIPO DE CONDUTO EM: CONDUTOS LIVRES – COM PELO MENOS PARTE DE SUA SECÇÃO SUBMETIDOS A PRESSÃO ATMOSFÉRICA (ESCOAMENTO POR GRAVIDADE). CANAIS: NATURAIS (TEM SECÇÃO IRREGULAR), OU ARTIFICIAIS (TEM SECÇÃO DEFINIDA). TUBOS: EM QUE A ÁREA DE SECÇÃO É TOMADA PARCIALMENTE PELO FLUIDO. CONDUTOS FORÇADOS – SUBMETIDOS A PRESSÃO SUPERIOR A ATMOSFÉRICA. TUBOS EM QUE A ÁREA DE SECÇÃO É TOMADA TOTALMENTE PELO FLUIDO, CARACTERÍSTICO DE ESCOAMENTOS PROVENIENTES DE BOMBEAMENTO. Prof. João Paulo Adams CONDUTO LIVRE - CANAIS NATURAIS Prof. João Paulo Adams • RIOS • VALAS • EROSÕES • DIMENSÕES IRREGULARES CONDUTO LIVRE - CANAIS ARTIFICIAIS Prof. João Paulo Adams • CANAIS (PANAMÁ) • AQUEDUTOS • CALHAS • DIMENSÕES REGULARES CONDUTO LIVRE - TUBOS FECHADOS Prof. João Paulo Adams • DUTOS DE DRENAGEM FLUVIAL • DUTOS DE ESGOTO PREDIAL • BUEIROS • DIMENSÕES COM PERÍMETRO FECHADO CONDUTO FORÇADO - TUBOS CILÍNDRICOS Prof. João Paulo Adams • IRRIGAÇÃO • HIDRÁULICA PREDIAL • SIST. DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA • SUBMETIDOS A PRESSÕES MAIORES QUE A 𝑃𝑎𝑡𝑚 ESCOAMENTOS LIVRES - CANAIS • OBJETIVOS - ESTUDAR AS CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTAIS DOS ESCOAMENTOS LIVRES; - ESTUDAR A DISTRIBUIÇÃO DE VELOCIDADES E PRESSÕES NO ESCOAMENTO. Canais naturais Canais artificiais Tubulações de esgoto e drenagem pluvial Conceito - pressão atuante = pressão atmosférica. Ex: CARACTERÍSTICAS DOS CONDUTOS LIVRES • CANAIS NATURAIS • A SUPERFÍCIE LIVRE PODE VARIAR NO ESPAÇO E NO TEMPO, CONSEQUENTEMENTE OS PARÂMETROS HIDRÁULICOS (PROFUNDIDADE, LARGURA, DECLIVIDADE, ETC.) TAMBÉM PODEM VARIAR; • APRESENTAM GRANDE VARIABILIDADE NA FORMA E RUGOSIDADE DAS PAREDES. • CANAIS ARTIFICIAIS • CANAL É PRISMÁTICO: A SEÇÃO DO CONDUTO É CONSTANTE AO LONGO DE TODA A SUA EXTENSÃO. • CANAIS PRISMÁTICOS RETO: ESCOAMENTO PERMANENTE E UNIFORME: CARACTERÍSTICAS HIDRÁULICAS CONSTANTES AO LONGO DO ESPAÇO E DO TEMPO. Classificação dos escoamentos livres Classificação dos escoamentos livres EQUAÇÕES BÁSICAS DO ESCOAMENTO LIVRE ESCOAMENTO UNIFORME PARÂMETROS GEOMÉTRICOS DA SEÇÃO TRANSVERSAL • Os parâmetros geométricos e hidráulicos, utilizados nos cálculos hidráulicos, são dimensões características da seção geométrica por onde flui o líquido. Seção ou área molhada (A): seção transversal perpendicular à direção de escoamento que é ocupada pelo líquido. Perímetro molhado (P): comprimento da linha de contorno relativo ao contato do líquido com o conduto. Largura superficial (B): Largura da superfície líquida em contato com a atmosfera. Profundidade (y): É a distância do ponto mais profundo da seção do canal e a linha da superfície livre. Raio Hidráulico (Rh): É a razão entre a área molhada e o perímetro molhado. Profundidade hidráulica (yh): Razão entre a área molhada (A) e a largura superficial (B). Corte transversal PARÂMETROS GEOMÉTRICOS DA SEÇÃO TRANSVERSAL • Seção ou área molhada (A): seção transversal perpendicular à direção de escoamento que é ocupada pelo líquido. Corte transversal Área molhada (A) PARÂMETROS GEOMÉTRICOS DA SEÇÃO TRANSVERSAL Perímetro molhado (P): comprimento da linha de contorno relativo ao contato do líquido com o conduto. Corte transversal Perímetro molhado (P) PARÂMETROS GEOMÉTRICOS DA SEÇÃO TRANSVERSAL • Largura superficial (B): Largura da superfície líquida em contato com a atmosfera. • Largura do fundo (b): Largura da base no leito do canal. Corte transversal Largura superficial (B)Largura do fundo (b) Corte longitudinal PARÂMETROS GEOMÉTRICOS DA SEÇÃO TRANSVERSAL Profundidade (y): É a distância do ponto mais profundo da seção do canal e a linha da superfície livre. Profundidade (y) Altura de coluna d’água (h) Ângulo de inclinação do fundo do canal (𝜃) EXEMPLO FORAM EFETUADAS MEDIÇÕES EM UM CURSO D’ÁGUA COMO INDICADO NA FIGURA ABAIXO. PEDE-SE CALCULAR OS PARÂMETROS HIDRÁULICOS CARACTERÍSTICOS. SEÇÕES USUAIS EM CANAIS ARTIFICIAIS • PROJETADOS PREVIAMENTE PARA ATENDER UM FIM ESPECÍFICO • DIMENSÕES REGULARES • RUGOSIDADE POUCO VARIÁVEL OU ATÉ MESMO INVARIÁVEL • RISCO DE EROSÃO E SEDIMENTAÇÃO CONTROLADO • VAZÃO CONSTANTE • VELOCIDADE CONSTANTE SEÇÕES RETANGULARES SEÇÕES TRAPEZOIDAIS SEÇÕES TRIANGULARES SEÇÕES CIRCULARES 𝜃 = 2 cos−1 1 − 2𝑦 𝐷 EXEMPLO FORAM EFETUADAS MEDIÇÕES EM UMA TUBULAÇÃO DE DRENAGEM FLUVIAL COMO INDICADO NA FIGURA ABAIXO. PEDE-SE CALCULAR OS PARÂMETROS HIDRÁULICOS CARACTERÍSTICOS. (y = 14cm e D = 20cm) SEÇÕES IRREGULARES • DIMENSÕES IRREGULARES • RUGOSIDADE VARIÁVEL • RISCO DE EROSÃO E SEDIMENTAÇÃO • VAZÃO SAZONAL • VELOCIDADE IRREGULAR Seção Transversal SECÇÃO TRANSVERSAL Seção Transversal Área molhada SECÇÃO TRANSVERSAL Seção Transversal Perímetro molhado SECÇÃO TRANSVERSAL Seção Transversal Raio Hidráulico = Área/Perímetro SECÇÃO TRANSVERSAL Pode-se supor um conjunto de trapézios, triângulos ou retângulos pequenos o suficiente ou considerar como canais onde a largura é muito maior que a profundidade Seções retangulares largas Pode-se mostrar que: A ≈ By P ≈ B e R ≈ y SEÇÕES RETANGULARES LARGAS ISÓTACAS • Linhas de igual velocidade Canais artificiais Canais naturais VARIAÇÃO DE VELOCIDADE VARIAÇÃO DE VELOCIDADE • A distribuição de velocidades é não uniforme na seção longitudinal e transversal de condutos livres devido ao atrito do líquido com o ar e com as paredes do conduto. • As velocidades aumentam da margem para o centro e do fundo para a superfície. 2 8,02,0 UU U 4 2 6,08,02,0 UUU U 6,0UU ou 2,0max UU VARIAÇÃO DE VELOCIDADE Há varias equações para o calculo da velocidade média da água em um canal, porém as mais usadas são as de Chézy, Strickler e Manning. EQUAÇÃO DA VELOCIDADE DE CHEZY Aplicando a equação de Darcy-Weissbach, num canal uniforme de diâmetro hidráulico constante num trecho de comprimento L, onde o escoamento se dá com uma velocidade v, teremos a fórmula de Chezy: Método Universal de calculo do coeficiente CALCULO DO COEFICIENTE DE CHEZY EQUAÇÃO DA VELOCIDADE DE MANNING V= (𝑹𝒉) 𝟐 𝟑∙ 𝑺𝟎 𝒏 EQUAÇÃO DA VELOCIDADE DE STRICKLER CALCULO DA VAZÃO EM CANAIS Em condições normais, ocorre nos canais um movimento uniforme, ou seja, a velocidade média da água é constante ao longo do canal. Possibilitando o calculo de vazão pela equação da continuidade. A área é determinada geometricamente e a velocidade pode ser medida no local ou, na maioria dos casos, determinada através das equações já vistas. Calcular a Velocidade e a Vazão transportada por um canal revestido de concreto tendo uma declividade de 0,3%o . As dimensões e forma estão na figura abaixo. Verifique o valor da velocidade média de escoamento. (k = 83) EXEMPLO EXEMPLO Calcular a Velocidade e a Vazão transportada por um canal de terra dragada, tendo declividade de 0,4%o . As dimensões e formas estão na figura abaixo. (k = 40) EXEMPLO Calcular a Velocidade e a Vazão transportada por um canal de concreto com acabamento liso, tendo declividade de 0,4%o . As dimensões e formas estão na figura abaixo. (k = 85) EXEMPLO Calcular a Velocidade e a Vazão transportada por um tubo de seção circular, diâmetro de 500 mm, construídoem concreto. O tubo está trabalhando à meia seção, em uma declividade é de 0,7%. (k = 77) Faça uma estimativa da Velocidade e da Vazão transportada por um canal de terra natural, tendo declividade de 0,2% . As dimensões e formas estão na figura abaixo. (k = ) EXEMPLO Técnicas de Batimetria Um projeto de irrigação requer 1.500 litros/s de água, que deverá ser conduzida por um canal de concreto, com bom acabamento (K = 80). A declividade do canal deverá ser de 1 %0 e sua seção trapezoidal com talude de 1 : 0,5 ( V : H ). Qual deve ser a altura útil do canal, se sua base for de 60 cm. EXEMPLO EXEMPLO Um BUEIRO CIRCULAR de concreto (n = 0,015) deverá conduzir uma vazão máxima prevista de 2,36 m3/s com declive de 0,02 %. Determine o DIÂMETRO do bueiro de forma que a ALTURA da seção de escoamento atinja no máximo 90 % do diâmetro do bueiro (h=0,9D). AU Av AU dAV α 3 n 1 i 3 i 3 A 3 a é o fator de correção de energia (Coriolis) Para levar em conta as irregularidades na distribuição de V AU Av AU dAV β 2 n 1 i 2 i 2 A 2 b é o fator de correção de Quantidade de movimento (Boussinesq) VARIAÇÃO DE VELOCIDADE VARIAÇÃO DE VELOCIDADE EXEMPLO Representação da linha de energia em canais Representação da linha de energia em canais 𝑍1 + 𝑃1 𝛾 + 𝑣1 2 2𝑔 = 𝑍2 + 𝑃2 𝛾 + 𝑣2 2 2𝑔 +∆ℎ Organizando na equação de Bernoulli temos: Isolando a perda de carga entre a secção 1 e 2 temos: ∆ℎ = 𝑍1 + 𝑃1 𝛾 + 𝑣1 2 2𝑔 − 𝑍2 + 𝑃2 𝛾 + 𝑣2 2 2𝑔 Perda de Carga em canais – Escoamento livre No escoamento Uniforme a energia dissipada por atrito (Carga Unitária – J) é compensada pela energia liberada pelo abaixamento da cota ao longo do canal (Declividade – I), para manter a velocidade do escoamento constante. EXEMPLO VARIAÇÃO DA PRESSÃO NA SEÇÃO TRANSVERSAL • Diferentemente dos condutos forçados, em que a pressão é considerada constante na seção transversal do conduto, no caso de escoamentos livres há grande variação da pressão com a variação de profundidade. • Considera-se que a distribuição de pressão na seção obedece a Lei de Stevin (isto é pressão hidrostática). a) Para 𝑖 < 10% Considera-se pressão aproximadamente igual a hidrostática hPB . b) Para 𝑖 > 10% [𝜃 = tan−1( 𝑖)] Deve-se levar em consideração o ângulo de inclinação (pressão pseudo-hidrostática) 2cos..hPB ghPB .. 𝑖 PRESSÕES EM ESCOAMENTO BRUSCAMENTE VARIADO • No caso em que a curvatura da linha de corrente no sentido vertical é significativa, como p.ex. VERTEDORES, caracterizando um escoamento curvilíneo, há alteração na distribuição hidrostática de pressões, devendo-se utilizar um fator de correção para determinação da pressão do escoamento. Escoamentos Curvilíneos com subpressão a) Escoamento Convexo Observa-se uma redução da pressão em relação à pressão estática P’ = P - ∆P r U . g γh ΔP 2 P’ = pressão resultante corrigida P = pressão hidrostática = peso específico da água g = aceleração da gravidade U = velocidade média do escoamento r = Raio de curvatura do fluido Ex. Curva convexa na secção longitudinal PRESSÕES EM ESCOAMENTO BRUSCAMENTE VARIADO • No caso em que a curvatura da linha de corrente no sentido vertical é significativa, como p.ex. VERTEDORES, caracterizando um escoamento curvilíneo, há alteração na distribuição hidrostática de pressões, devendo-se utilizar um fator de correção para determinação da pressão do escoamento. Escoamentos Curvilíneos com pressão considerada hidrostática ou pseudo-hidrostática b) Escoamento próximo do linear Observa-se que a pressão obedece a pressão estática P’ = P Ex. Curva muito suave na secção longitudinal 0ΔP ghP .. 2cos..hP I < 10% I > 10% PRESSÕES EM ESCOAMENTO BRUSCAMENTE VARIADO • No caso em que a curvatura da linha de corrente no sentido vertical é significativa, como p.ex. VERTEDORES, caracterizando um escoamento curvilíneo, há alteração na distribuição hidrostática de pressões, devendo-se utilizar um fator de correção para determinação da pressão do escoamento. Escoamentos Curvilíneos com sobrepressão c) Escoamento Côncavo Observa-se uma pressão adicional (∆P) em relação à pressão estática P’ = P + ∆P r U . g γh ΔP 2 P’ = pressão resultante corrigida P = pressão hidrostática = peso específico da água g = aceleração da gravidade U = velocidade média do escoamento r = Raio de curvatura do fluido Ex. Curva côncava na secção longitudinal EXEMPLO ENERGIA TOTAL NA SEÇÃO DO CANAL • A energia correspondente a uma seção transversal (H) de um canal é dada pela soma de três cargas: Cinética, Altimétrica e Piezométrica. Energia Total 2g U 2 a yZH α - Coeficiente de Coriolis ~ 1. 1,0 < α < 1,1 – Esc. Turbulentos 1,03 < α < 1,36 – Esc. Livres ENERGIA ESPECÍFICA • A energia específica (E) representa a energia medida a partir do fundo do canal para uma dada vazão (Q). Energia Específica 2 2 2: A Q U A Q UComo 2 2 2 : gA Q yELogo a = 1 Energia Potencial Energia Cinética 2g U 2 yZH ESCOAMENTO VARIADO REGIMES DE ESCOAMENTO • Sendo a vazão constante e a área da seção função da profundidade, A = f(y), a energia específica dependerá apenas de y e então: 2 2 )(2 yfg Q yE Esta expressão permite estudar a variação da energia específica em função da profundidade, para uma vazão constante. )( )(2 )(Re 2 2 21 21 Hipérbole yfg Q EetayE EEE REGIMES DE ESCOAMENTO Observações sobre a curva E x y (Energia Potencial Gravitacional vs Energia Cinética) a)Para uma dada vazão existe um valor mínimo (Ec) da energia específica que corresponde ao valor (yc) da profundidade. Ec energia crítica e yc profundidade crítica. Assim: Ec = Energia crítica = Energia Específica Mínima yc = Profundidade crítica yf > yc Regime Fluvial ou Subcrítico, que tem como características: Baixas velocidades “U” Altas profundidades “y” yt < yc Regime Torrencial ou Supercrítico, que tem como características: Altas velocidades “U” Baixas profundidades “y” Y = yc Regime Crítico b) Para dado valor E’ > Ec da energia específica, existem dois valores de profundidade yf e yt, da profundidade. REGIMES DE ESCOAMENTO REGIMES DE ESCOAMENTO REGIMES DE ESCOAMENTO Observações sobre a curva E x y c) Os dois regimes de escoamento correspondentes à uma mesma energia específica (E’), Para: E’ > Ec são chamados Regimes Recíprocos, onde: E1 > E2 Regime Fluvial ou Subcrítico ou tranqüilo. yf E1 < E2 Regime Torrencial ou Supercrítico ou rápido. yt E1 = E2 Regime Crítico yc d) Cada vazão “Q” que escoa no canal determina uma curva de energia. Assim, uma dada profundidade “yi” pode ser crítica, subcrítica ou supercrítica dependendo da vazão que escoa pelo no canal. FATOR CINÉTICO E O NÚMERO DE FROUDE A energia específica em uma seção transversal de qualquer conduto livre não se altera se multiplicarmos e dividirmos a segunda parcela do segundo membro pela profundidade hidráulica: h h h h gy Uy yE g U y y yE 22 22 A expressão entre parênteses é conhecida como fator cinético do escoamento e sua raiz quadrada denomina-se número de Froude. hgy U Fr Deste modo, a energia específica pode ser posta em função do número de Froude: 2 2 Fr y yE h O Número de Froude desempenha importante papelno estudo dos canais, permitindo definir os regimes de escoamento (Subcrítico, Supercrítico e Crítico). ESTUDO DO ESCOAMENTO CRÍTICO Neste regime, a energia específica é mínima. Portanto, para se obter a equação característica do regime crítico, basta igualar a zero a derivada da expressão da energia E em relação a y: 0 2 : 2 2 gA Q y dy d dy dE Logo Mas: dy dA gA Q gA Q dy d dy dA A g Q gA Q dy d dy dy 3 2 2 2 3 2 2 2 2 2 22 1 dyBdAMas dy dA gA Q dy dE Então .:1: 3 2 hy A BMas gA BQ dy dE Assim :1: 3 2 hhh gy U dy dE ygA Q dy dE y A gA Q dy dE 2 2 2 3 2 1 1 11 U2 ou 21 Fr dy dE ANÁLISE DO NÚMERO DE FROUDE a) No escoamento crítico, a energia específica é mínima, logo a derivada de “E” em relação à y é nula (ponto de mínimo). 21 Fr dy dE )(10 )(10 )(10 coSupercrítiFr dy dE Se SubcríticoFr dy dE Se CríticoFr dy dE Se b) O Número de Froude representa a razão entre as forças inerciais (Fi) e gravitacionais (Fg) que atuam no escoamento. Logo: 1 FrgyUFgFiSe h 1 FrgyUFgFiSe h 1 FrgyUFgFiSe h Escoamento Supercrítico Escoamento Subcrítico Escoamento Crítico EXEMPLO EQUAÇÃO GERAL DO ESCOAMENTO CRÍTICO Conforme foi apresentado o escoamento crítico caracteriza-se pelo número de Froude igual à unidade. 1 . hyg U Fr Assim: hygU . Como: A Q U Fica: hyg A Q . Logo: hyg A Q . 2 2 Como: B A yh Fica: B A g A Q 2 2 Então: 32 .. AgBQ DETERMINAÇÃO DA PROFUNDIDADE CRÍTICA Para seções de geometria conhecida pode-se obter uma expressão para yc. Para seções não parametrizáveis, a determinação da profundidade crítica é mais trabalhosa, exigindo um cálculo iterativo. Ex: Para seções retangulares: ByA Assim: 32 .. AgBQ Sabe-se que: 32 ).(. cBygBQ Logo: 3 2 2 gB Q yc Vazão Específica: B Q q Onde: q = vazão específica (m3/s/m); Q = vazão (m3/s); B = Largura do canal (m). Assim: 3 2 g q yc EXEMPLO ENERGIA CRÍTICA A energia crítica ocorre quando o número de Froude for igual a unidade. 2 2 Fr y yE h Sabe-se que: Como: Fr = 1 E considerando canal retangular onde yh = y Fica: 2 3 c c y E SEÇÃO DE CONTROLE É uma seção onde conseguimos definir satisfatoriamente a relação entre vazão e profundidade. Quando, em um canal, o regime de escoamento muda de supercrítico para subcrítico, ou vice-versa, a profundidade passa, necessariamente, pelo valor crítico. As seções em que se verifica a mudança de regime recebem o nome de seções de controle. Controle de montante → Escoamento supercrítico Controle de jusante→ Escoamento subcrítico Desde que sejam conhecidas as dimensões da seção de controle, pode-se obter a vazão do canal utilizando a equação característica do escoamento crítico, vista anteriormente. Ex: Entrada de canais de grande declividade Degrau Ressalto Hidráulico Ressalto Hidráulico em comportas SEÇÃO DE CONTROLE SEÇÃO DE CONTROLE PROBLEMAS HIDRÁULICOS PROBLEMAS HIDRAULICAMENTE INDETERMINADOS Dados o coeficiente de Manning (n), a área de secção (A) e o raio hidráulico (Rh) podemos determinar infinitas vazões (Q) associadas a uma inclinação (I) que satisfazem a equação do movimento. PROBLEMAS HIDRAULICAMENTE DETERMINADOS Neste caso com a equação da continuidade e a equação do movimento temos: 1. Dados o coeficiente de Manning (n), a área de secção (A), o raio hidráulico (Rh) e a inclinação (I) podemos determinar a vazão (Q) associada que satisfaz estas condições. 2. Dados o coeficiente de Manning (n), a área de secção (A), o raio hidráulico (Rh) e a vazão (Q) podemos determinar a inclinação (I) associada que satisfaz estas condições. 3. Dados o coeficiente de Manning (n), a vazão (Q) e a inclinação (I) podemos determinar a área de secção (A) e o raio hidráulico (Rh) associados que satisfazem estas condições. PROBLEMAS HIDRÁULICOS Assim temos que: 𝑣 = 𝑅ℎ 2 3 ∙ 𝐼 1 2 𝑛 𝑄 = 𝐴 ∙ 𝑅ℎ 2 3 ∙ 𝐼 1 2 𝑛 𝑛 ∙ 𝑄 𝐼 1 2 = 𝐴 ∙ 𝑅ℎ 2 3 𝑄2 ∙ 𝐵 = 𝑔 ∙ 𝐴3 EXEMPLO EXEMPLO EXEMPLO EXEMPLO