Relatório Ensaio Canal Aberto

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RELATÓRIO DE ENSAIO DE ESCOAMENTO EM CANAL ABERTO
Danilo Eduardo Batista, Eng. Civil 9ºA, RA 193296212783
O objetivo deste relatório é estudar e analisar os dados obtidos após a realização do ensaio de escoamento de fluido em canal aberto em laboratório, realizado durante as aulas laboratoriais da disciplina Hidráulica e Hidrometria.
Palavras-chave: Hidráulica, escoamento em canais aberto, ensaio de escoamento. 
Introdução
Os canais abertos são caracterizados por estes quando o fluido escoa livremente sob pressão atmosférica somente e com atrito sob o contato na área deste canal, no qual obedece a velocidade do fluido e sua vazão de acordo com a declividade, onde o fluido aumenta sua velocidade pelo gradiente hidráulico local.
É altamente relevante o estudo destes para identificar e analisar o comportamento destes fluidos de acordo com sua vazão proporcionada a partir de sua declividade e seção no qual se encontra, sendo utilizado para o dimensionamento de canais de escoamento pluviais, instalações hidro sanitárias e canais de navegação, entre outros.
Objetivo
Estudar o comportamento do fluido no canal artificial da bancada didática, a observar a sua alteração de vazão de acordo com a declividade do canal.
Sobre o procedimento realizado
Para a realização dos ensaios de perda de carga, foi nos lecionada uma aula prática com o Prof. MSc. Nilton Santos em laboratório de Mecânica dos Fluidos da Faculdade Anhanguera, un. II, para haver um primeiro contato e noções de uso dos equipamentos e das práticas a serem utilizadas. Foi nos instruído ainda um roteiro pelo professor para a realização do ensaio, que juntos das normas atuais brasileiras foram pesquisadas e consultadas para aprimoramento das nossas técnicas de procedimento. 
Neste ensaio, acompanhamos as medições de vazão em comportamento aliado com a altura da lâmina d’água.
São normas que regulamentam os canais abertos:
Tabela 1: Normas regulamentadoras de escoamentos livres. 
	Normas Nacionais
	ISO 9826: Medição de vazão de líquidos em canais abertos – Calhas Parshall e SANIIRI, 1992.
	ISO 3846: Medição de vazão em canal aberto utilizando vertedores retangulares de soleira espessa. ABNT - 2011
	NBR 13403: Medição de vazão em efluentes líquidos e corpos receptores – Escoamento Livre, ABNT – 1995.
Fonte: Os autores (2019).
Materiais e Métodos
Para a realização do ensaio, foi utilizada uma bancada didática para o escoamento em canal livre, na qual possui comando mecânico para o controle da declividade, uma bomba centrífuga e um medidor de vazão através de um rotâmetro, medidor no qual o líquido se desloca no seu interior de sua base até o topo, elevando o cone de medição interno e, consequentemente, aumentando a passagem do fluido. Quanto maior a vazão, mais alto o cone de medição é elevado, o que nos permite fácil leitura da escala métrica.
Figura 1: Bancada didática XL06. Fonte: labtrix.com.br (2019).
Para a medição da altura da lâmina d’água, foi utilizado o limnímetro montado sobre uma guia na parte superior do canal, onde era realizado a leitura precisa desta lâmina em mm.
Após acionada a bomba, a alteração da declividade era realizada e assim medida a altura da lâmina d’água e sua vazão, onde a partir destes dados foram realizados os cálculos a seguir, e aplicados os dados em tabela via Excel, onde foram tabuladas as fórmulas para cálculo automático dos dados para análise e construção do gráfico e o comportamento do ensaio de um modo geral. 
Foram informados os seguintes dados constituintes do canal, em roteiro de laboratório disponibilizado pelo professor:
Tabela 2: Medidas do Canal.
	Descrição
	Comprimento
	Largura
	2,5 m
	Base
	0,1m
	Altura
	0,35m
Fonte:Nilton Santos (2019).
Inicialmente é determinado o perímetro molhado do escoamento, que será a soma da base do canal com o dobro da altura da lâmina d’água:
A seguir, determina-se a área molhada, sendo esta a área da seção do líquido sendo escoado, determinado pela base do canal multiplicado por a altura da lâmina d’água:
Com estes dados, poderá ser determinado o raio hidráulico, relação da área molhada com o perímetro molhado:
Antes de aplicarmos a relação de Chézy e Manning, determinamos a declividade do fundo do canal a partir da sua porcentagem em relação à largura do canal:
Determinaremos ainda a vazão corrigida de m³/h realizada a leitura no rotâmetro para a unidade do SI em m³/s, realizando a divisão pela quantidade de segundos em uma hora, ou seja, 3600 s.
De posse da vazão medida no rotâmetro, aplicamos os dados calculados na equação de Chézy/Manning, que ficará desta forma condicionada para se obter o coeficiente n experimental:
Com o coeficiente de revestimento, aplicamos os dados na fórmula de velocidade de Chézy para então poder obter os regimes e classificação de escoamento de Reynolds e Froude:
Antes de aplicar a fórmula de Froude, necessita-se determinar a altura hidráulica, relação da área molhada com a largura de topo, que neste caso será a mesma da largura do canal por se tratar de canal retangular.
A velocidade será aplicada na fórmula de Froude, adimensional utilizado no estudo de canais, e será assim classificada, como segue:
	Sendo Fr:
Tabela 3: Classificação escoamento Froude.
	Fr<1
	Escoamento subcrítico ou fluvial
	Fr=1
	Escoamento crítico
	Fr>1
	Escoamento supercrítico ou torrencial
Fonte: Batista Coelho (2010).
	Será determinado ainda o adimensional de Reynolds para a classificação do regime de escoamento:
Sendo este classificado:
Tabela 4: Classificação de Reynolds
	Re<500
	Laminar
	500<Re<2000
	Transição
	Re>2000
	Turbulento
Fonte: Batista Coelho (2010).
Resultados e discussão
O procedimento foi realizado com as inclinações de 1%, 2%, 3% e 4%, no qual os dados foram lançados na tabela Excel e inseridas as fórmulas, gerando a planilha apresentada a seguir. 
Observa-se através do gráfico que quanto maior a inclinação, menor é a altura da lâmina de água. Tal fato ocorre devido à maior velocidade de escoamento do fluido gerado pelo maior gradiente hidráulico entre o montante e jusante do canal.
.
Figura 2: Gráfico de escoamento Q x y.
Fonte: Os autores (2019)
Tabela 5: Dados coletados/cálculos de escoamento.
	Inclinação =
	1,00%
	Declividade=
	0,01
	m/m
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	Medida
	Perímetro Molhado (m)
	Área Molhada (m²)
	Raio Hidráulico (m)
	Altura Hidráulica (m)
	Q - Vazão (m³/s)
	Altura da lâmina - y(m)
	 
	V - Velocidade (m/s)
	Re - Reynolds
	Regime do escoamento (Re)
	Fr - Froude
	Regime do escoamento (Fr)
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	1
	0,138
	0,0019
	0,01377
	0,019
	0,000694
	0,0190
	0,0157
	0,37
	5032
	Turbulento
	0,85
	Subcrítico
	2
	0,144
	0,0022
	0,01528
	0,022
	0,000972
	0,0220
	0,0139
	0,44
	6752
	Turbulento
	0,95
	Subcrítico
	3
	0,158
	0,0029
	0,01835
	0,029
	0,001389
	0,0290
	0,0145
	0,48
	8790
	Turbulento
	0,90
	Subcrítico
	4
	0,174
	0,0037
	0,02126
	0,037
	0,001944
	0,0370
	0,0146
	0,53
	11175
	Turbulento
	0,87
	Subcrítico
	5
	0,189
	0,0044
	0,02349
	0,044
	0,002500
	0,0443
	0,0145
	0,56
	13256
	Turbulento
	0,86
	Subcrítico
	6
	0,199
	0,0050
	0,02487
	0,050
	0,002917
	0,0495
	0,0145
	0,59
	14657
	Turbulento
	0,85
	Subcrítico
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	Inclinação =
	2,00%
	Declividade=
	0,02
	m/m
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	Medida
	Perímetro Molhado (m)
	Área Molhada (m²)
	Raio Hidráulico (m)
	Altura Hidráulica (m)
	Q - Vazão (m³/s)
	Altura da lâmina - y(m)
	 
	V - Velocidade (m/s)
	Re - Reynolds
	Regime do escoamento (Re)
	Fr - Froude
	Regime do escoamento (Fr)
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	1
	0,126
	0,0013
	0,01032
	0,013
	0,000694
	0,0130
	0,0125
	0,53
	5511
	Turbulento
	1,50
	Supercrítico
	2
	0,132
	0,0016
	0,01212
	0,016
	0,000972
	0,0160
	0,01230,61
	7365
	Turbulento
	1,53
	Supercrítico
	3
	0,140
	0,0020
	0,01429
	0,020
	0,001389
	0,0200
	0,0120
	0,69
	9921
	Turbulento
	1,57
	Supercrítico
	4
	0,152
	0,0026
	0,01711
	0,026
	0,001944
	0,0260
	0,0126
	0,75
	12792
	Turbulento
	1,48
	Supercrítico
	5
	0,162
	0,0031
	0,01914
	0,031
	0,002500
	0,0310
	0,0125
	0,81
	15432
	Turbulento
	1,46
	Supercrítico
	6
	0,170
	0,0035
	0,02059
	0,035
	0,002917
	0,0350
	0,0127
	0,83
	17157
	Turbulento
	1,42
	Supercrítico
Continua...
Tabela 6: Dados coletados/cálculos de escoamento.
Continuação...
	Inclinação =
	3,00%
	Declividade=
	0,03
	m/m
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	Medida
	Perímetro Molhado (m)
	Área Molhada (m²)
	Raio Hidráulico (m)
	Altura Hidráulica (m)
	Q - Vazão (m³/s)
	Altura da lâmina - y(m)
	 
	V - Velocidade (m/s)
	Re - Reynolds
	Regime do escoamento (Re)
	Fr - Froude
	Regime do escoamento (Fr)
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	1
	0,122
	0,0011
	0,00902
	0,011
	0,000694
	0,0110
	0,0119
	0,63
	5692
	Turbulento
	1,92
	Supercrítico
	2
	0,127
	0,0013
	0,01057
	0,013
	0,000972
	0,0134
	0,0115
	0,73
	7667
	Turbulento
	2,00
	Supercrítico
	3
	0,135
	0,0017
	0,01285
	0,017
	0,001389
	0,0173
	0,0118
	0,80
	10319
	Turbulento
	1,95
	Supercrítico
	4
	0,144
	0,0022
	0,01537
	0,022
	0,001944
	0,0222
	0,0122
	0,88
	13466
	Turbulento
	1,88
	Supercrítico
	5
	0,154
	0,0027
	0,01753
	0,027
	0,002500
	0,0270
	0,0126
	0,93
	16234
	Turbulento
	1,80
	Supercrítico
	6
	0,160
	0,0030
	0,01875
	0,030
	0,002917
	0,0300
	0,0126
	0,97
	18229
	Turbulento
	1,79
	Supercrítico
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	Inclinação =
	4,00%
	Declividade=
	0,04
	m/m
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	Medida
	Perímetro Molhado (m)
	Área Molhada (m²)
	Raio Hidráulico (m)
	Altura Hidráulica (m)
	Q - Vazão (m³/s)
	Altura da lâmina - y(m)
	 
	V - Velocidade (m/s)
	Re - Reynolds
	Regime do escoamento (Re)
	Fr - Froude
	Regime do escoamento (Fr)
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	1
	0,120
	0,0010
	0,00833
	0,010
	0,000694
	0,0100
	0,0118
	0,69
	5787
	Turbulento
	2,22
	Supercrítico
	2
	0,125
	0,0013
	0,01000
	0,013
	0,000972
	0,0125
	0,0119
	0,78
	7778
	Turbulento
	2,22
	Supercrítico
	3
	0,131
	0,0015
	0,01172
	0,015
	0,001389
	0,0153
	0,0114
	0,91
	10635
	Turbulento
	2,34
	Supercrítico
	4
	0,139
	0,0020
	0,01403
	0,020
	0,001944
	0,0195
	0,0117
	1,00
	13989
	Turbulento
	2,28
	Supercrítico
	5
	0,146
	0,0023
	0,01575
	0,023
	0,002500
	0,0230
	0,0116
	1,09
	17123
	Turbulento
	2,29
	Supercrítico
	6
	0,152
	0,0026
	0,01719
	0,026
	0,002917
	0,0262
	0,0120
	1,11
	19138
	Turbulento
	2,20
	Supercrítico
Fonte: Os autores (2019).
Conclusão
O estudo de canais abertos é de vital importância para a identificação de regimes e comportamento do fluido de acordo com a seção do canal, vindo a ser de importante utilidade no cálculo de altura de lâminas de água que podem vir a ocorrer de acordo com a vazão máxima estudada juntamente com a hidrologia local ou dimensionamento de canais industriais, urbanos ou domésticos.
Observa-se de que a declividade pode alterar a dimensão a ser utilizada em determinado trecho de canal de acordo com a vazão a ser ofertada, diminuindo sua seção em caso de maior declividade e ainda assim mantendo sua lâmina de água em mesmo nível com diferentes declividades.
A declividade ainda pode ser utilizada para se alterar o comportamento do fluido escoado, podendo ser utilizada para cálculo de seu regime a ser utilizado em misturas de estações de tratamento, ou a ser evitada em trechos onde se necessite que se obtenha um regime fluvial, porém com máxima eficiência de escoamento.
A velocidade e regime do fluido pode ser utilizada ainda para a análise da energia do fluido, vindo a ser observado o dano que este pode gerar em canais naturais ou artificiais de concreto ou demais materiais disponíveis utilizados.