Unidade 8 - Dissipadores de energia(1)(1)

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ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO P AULO,.
DISSIPAÇÃO DE ENERGIA NA ENGENHARIA HIDRÁULICA
RESUMO DE AULA
PHD -727
Prot Dr. KlKUO TAMADA
São Paulo
1991/1994
Sendo: P a pressão hidrostática e
M, quantidade de movimento
P2 -PI = MI -M2 =y 9- (VI -V2)
9
e
para um canal retangular de largura unitária
e
ilH = ~
4 Yl Y2
e a eficiência da dissipação é dada por
ÂH
Hl
11 =
Alturas conjugadas Yl e Y 2.
Parte-se da equação da variação da quantidade de movimento, supondo-se um
ressalto formado em um trecho horizontal do canal de seção retangular
2 2
Q2 b Y2 Q2 Yl
+-=+b-
9 b Y2 2 9 b Yl 2
)
~ = ~ (~ -I)
Yl 2
2
F; =2
9 Yl
Tipos de Ressalto hidráulico em função do número de Froude.
TRANSP. DIS-l
. Relações que podem ocorrer entre a altura do ressalto ( curva do ressalto) e a
profundidade do escoamento
TRANSP. DIS-2 e DIS-3
Comprimento do ressalto.
TRAN8P. D 18-4
MEHROTRA S.C. apresentou no seu trabalho intitulado "Lenght of Hydraulic
Jump" -1976 um gráfico onde considera comprimento do "rolo" e o comprimento
desde o início até onde desaparecem os turbilhões, em função de F1.
TRANSP. DIS.5
3
Velocidade de entrada no dissipador (V J -cálculo de Yl (altura conjugada de.
montante)
JATO LIVRE
JATO AFOGADO
TRANSP. DIS.6 e DIS.7
DIMENSIONAMENTO
PRINCIPAL BIBLIOGRAFIA. PETERKA
BACIA TIPO I (USBR)
Bacia livre sem blocos
TRANSP. DIS.8
Apesar de não constar o "END SILL", a sua colocação é desejável, cuja função é
proteger o pé da estrutura, junto à saída.
-Calcula-se V I
-Calcula-se Yl
-Calcula-se Fl
-Calcula-se Y2
-Deve-se comparar Y2 com TW onde
TW ...é a lâmina d'água existente, para a vazão de projeto, na zona de
restituição.
-Comprimento da bacia
TRANSP. DIS-9, DIS-1O, DIS-11
4
Para baixo número de Froude F1, o comprimento resulta compatível, razoável.
Entretanto para F 1 elevado, o comprimento resulta proibitivo, economicamente.
O gráfico apresentado na DIS-ll pode ser utilizado satisfatoriamente para baixo
F1°
Pode-se estimar a eficiência da bacia Tipo I da USBR pelos gráficos:
TRANSP. DIS-12 e DIS-13
3.2.2. BACIA TIPO II (USBR)
Bacia com Chute Blocks e End-Sill
TRANSP. DIS-8
A função de chute blocks é a de abrir o jato e o end-sill, neste caso, tem a função,
também de dissipador .
A sequência de cálculo é a mesma do item 3.2.1.
o comprimento da bacia, o PETERKA sugere utilizar a curva do "meio" do
gráfico abaixo.
TRANSP. DIS-14 = DIS-1O
Nota-se que esta curva, somente é válida para Fl > 4.
3.2.3. BACIA TIPO III (USBR)
Bacia Com chute Blocks, Baffle-Piers e End Sill.
5
Os Baffle Piers são blocos maciços cuja função é receber frontalmente os jatos em
alta velocidade criando uma intensa turbulência. São blocos que provocam grande
melhoria na eficiência da bacia.
o end-sill, neste caso é contínuo, tendo como função principal, proteger o pé da
estrutura das possíveis erosões.
TRANSP. DIS-15
A inserção de blocos de dissipação de um modo geral traz uma melhoria
significativa na eficiência do dissipador, porém deve-se lembrar que poderá haver
possibilidade de ocorrer condições de cavitação. Portanto, sempre que forem
utilizados blocos para casos em que superar limites sugeridos nos manuais
técnicos, deve-se tomar cuidados especiais. O dissipador de energia da barragem
de Xavantes é Tipo III da USBR. Tem queda da ordem de 80 m e já suportou
uma vazão próxima da de projeto. A inspeção mostrou que não houve,
propriamente, cavitação. Tudo indica que, a existência de uma calha longa
permitiu uma boa aeração, evitando a ocorrência de cavitação. Entretanto, o
dissipador da Usina de Porto Colombia, com uma queda muito menor, foi
observada intensa cavitação na bacia, que será objeto de uma aula, mais adiante.
Para o dimensionamento de Baffle Piers e o End Sill poderá recorrer a um gráfico
sugerido pelo Peterka.
TRANSP. DIS-16
Uma das maneiras de se proteger da cavitação é utilizar blocos super cavitantes.
Dependendo da geometria poderá ocorrer queda da eficiência do dissipador .
TRANSP. DIS-17
6
Outra forma é introduzir ar no escoamento logo a montante da zona de elevada
depressão. Quando o processo de cavitação não é muito intenso, a utilização de
blindagem, proteção com concretos especiais, normalmente soluciona o problema.
Ainda dentro deste grupo, ou seja, bacia de dissipação horizontais com ressalto
hidráulico, devem ser introduzidos os tipos de bacias desenvolvidos pelo Instituto
Hidrotécnico UEDENEEV (UNIIG) como
3.2.4. GUNKO
TRANSP. DIS-18
LYAPIN
KUMIN TRANSP. DIS-19
o tipo GUNKO é uma estrutura compacta provida de um bloco contínuo, tendo
sua altura variável com o número de Froude F1. Pode ser utilizado em quedas até
40 m e vazões específicas inferiores a 80 m3/s.m.
o tipo L Y APIN é também uma estrutura compacta provida de uma fileira de
blocos de altura d, função do número de Froude, porém variando entre 1,5 Yl ~
d ~ 3,5 Yl.
É indicada em quedas até 20 m e vazões específicas inferiores a 80 m3 / s.m,
o tipo KUMIN, também é uma estrutura compacta com blocos, cuja geometria
faz com que, além de funcionar como dissipador de energia, opera também como
espalhador de jato. A sua geometria é um tanto complexa. É indicada em quedas
de 30 me vazões específicas até 100 m3/s.m.
7
Cada uma das bacias estudadas até aqui, apresenta a máxima eficiência para
diferentes valores de FI° Para Fl = 9,8 a classificação foi à apresentada na tabela
da transparência DIS -19
ESTUDO COMPARATIVO ENTRE DISSIPADORES POR RESSALTO HIDRÁULICO
Estudo feito pelo Eng. Jayme Pinto Ortiz (Mestrado)
Nesse estudo, utilizou-se o "parâmetro de turbulência"
f!!!!.
u
onde
li: ..componente de flutuação de velocidade
..componente de velocidade média temporalli
desvio padrão de velocidade
TRANSP. DIS-20
TRANSP. DIS-21
TRANSP. DIS-22
Estes gráficos mostram que a eficiência de cada uma delas, é também, em
pequena parcela, função do número de Froude F1. Portanto, na escolha, além do
fator econômico, deve-se atentar para esses detalhes. Cabe observar porém que
a bacia tipo III da USBR é a que apresenta melhor eficiência porém com alguns
inconvenientes como, para velocidades superiores a 20 m/s, possibilidade de
8
ocorrer cavitação. A bacia tipo GUNKO, pela geometria do "Sill" (soleira) resulta
uma sobre elevação maior, que também apresenta bom resultado (eficiência).
Observação:
a) As variáveis que intervêm no dimensionamento, acompanham as respectivas
h)
figuras.
É importante lembrar que, nos casos onde o número de Froude Fl é abaixo
de 4, a eficiência de um dissipador cai muito. Portanto, neste caso também
é necessário uma escolha criteriosa do tipo de dissipador .
LEMOS (Bibliografia)c)
4. DISSIPADOR EM CONCHA -"ROLLER-BUCKET"
INTRODUÇÃO4.1.
TRANSP. DIS-23
TRANSP. DIS-24
DISSIPAÇÃO DE ENERGIA POR "ROLLER-BUCKET"4.2.
através de grandes rolos. Sabe-se pois que se trata de um dissipador de baixa
eficiência, porém com a .vantagem de ser uma estrutura sempre compacta.
É indicado para os casos em que o "TW" é maior do que Y2 em, no mínimo 10%
e de preferência 20%, isto é TW a 1,2 Y2'
Entretanto, existe um limite a partir do qual a concha deixa de trabalhar.
formando-se uma corrente sem a formação do rolo.
TRANSP. DIS-25
9
Parâmetros básicos intervenientes
.q vazão específica
.ht altura total, desde o NAdo reservatório até o "invert" do roller bucket
...altura total desde o NA medido sobre o roller até o "invert"Yb
.Ys . ..altura total. desde a crista das ondas formadas pelo escoamento, a
jusante, até a cota do "invert"
.Y2 lâmina d'água a jusante do dissipador, também referida a cota do
"invert"
.Yl lâmina de água na altura do NA, na entrada do dissipador
.V I ...velocidade de água na altura do NA, na entrada do dissipador
R ...raio de curvatura da concha do "roller"
.a. ...ângulo de lançamento do "roller"
Fundamentalmente são dois (2) os tipos de Roller
.roller bucket liso
.roller bucket com estrias
Existem ainda variantes de "Roller", com algumas mudanças nageometria.
Por exemplo, partindo-se de um "roller" com ângulo de lançamento igual a a e
alterando-se sucessivamente para a', a" ..., resultam dissipadores de
comportamento hidráulico distinto, em função do grau de variação de a.
4.3. ROLLER BUCKET E SUAS VARIANTES
Em função da: -topografia local
-altura da queda
-lâmina de água a jusante (TW)
-qualidade da rocha, etc.
10
poderá se chegar a um projeto ótimo alternando-se o ângulo de lançamento.
Assim por exemplo, quando o número de Froude for baixo (Fl < 3), boa
qualidade de rocha e TW suficientemente elevado, pode-se utilizar o ângulo de
lançamento próximo de 100 ou ligeiramente maior, deverá resultar um dissipador
bom e economicamente satisfatório. Este dissipador é conhecido como rampa
contra inclinada ou ramDa ascendente.
A medida que o número de Froude for crescendo. é necessário aumentar também
o ângulo de lançamento, passando de rampa ascendente para "roller bucket",
4.4. DIMENSIONAMENTO
Primeira forma. H.D.C., segundo McPHERSON e KARR
São apresentados 2 gráficos
qo primeiro, em função de Y2 , h, e , permite calcular o valor de Yh'
altura de água sobre a concha.
TRANSP. DIS-26
qo segundo, em função de ht , y" e , permite calcular a sobrelevação
provocada na saída do jato da concha.
TRANSP. DIS-27
11
:. Ys = 22,2 m
Cálculo estimativo de raio de curvatura R
q .103 = 25,24para
~=3~6
R
7<R<
Segunda forma -segundo LENCASTRE
Dados:
.vazão específica q
.NA jusante
.cota do leito
Calcula-se:
-Vi
-Yl
-Fl
-Do gráfico de raio mínimo
TRANSP. DIS-29
obtém-se
R
de onde se calcula o raio mínimo.
v;+-Yl 2g
13
RTendo-se e Fl pode-se obter dos correspondentes gráficos:
VIR
2g
Yl +
.NA jusante igualou abaixo do qual o jato é lançado
.NA mínimo para a operação do roller
NA máximo para a operação do roller
Nota-se que os gráficos acima só se aplicam para os casos em que Fl > 3.
Em função da necessidade, foi feita extrapolação dos gráficos DIS-29 para Fl <
3 e os testes preliminares mostraram satisfatórios. I :I! i
Ângulo de Lançamento
Normalmente o ângulo de lançamento é escolhido durante ensaios em modelo
hidráulico, pois até hoje não existe nenhuma bibliografia que indique o melhor
ângulo em função de uma variável.
Sabe-se que esse ângulo pode variar desde 45° até 10° ou em casos muito
especiais, até 7°, Nesta faixa de variação, o roller poderá passar de um Roller
Bucket propriamente dito a rampa ascendente ou contra inclinada. Nota-se
portanto que a escolha desse ângulo é um processo extremamente delicado e
importante.
As transparências DIS-30, DIS-31, DIS-32 e DIS-33 mostram a distribuição de
velocidades a jusante de 3 tipos de dissipadores: bacia curta, roller bucket e rampa
ascendente.
1&
5. DISSIPADOR TIPO SALTO EM ESQUI
Trata-se de uma estrutura compacta e portanto bastante econômica, indicada para
os casos em que haja energia suficientemente elevada para garantir um bom
lançamento. Para que resulte uma boa dissipação é necessário que, na zona do
impacto do jato tenha uma lâmina d'água suficientemente grande para amortecer
o impacto do jato. Em não havendo essa lâmina d'água e caso o leito do rio seja
constituído de material não muito resistente, é regra prever uma pré-escavação
de uma fossa com o objetivo de melhorar a dissipação e orientar ( controlar) a
erosão. Quando adequadamente projetado, as erosões ocorrem a uma distância
suficientemente grande do pé da estrutura.
Entre os inconvenientes que podem trazer esse tipo de dissipador são citados:
,
.formação de intenso "spray" que podem causar problemas casq esteja próxima
de uma rodovia ou mesmo subestação transformadora da usina.
.aparecimento de correntes de recirculação -um dos problemas maiores e mais
frequentes neste tipo de dissipador são as correntes de recirculação. São
correntes que nascem na zona de impacto do jato no espelho d'água, e
caminham de jusante para montante atingindo o pé do talude da barragem ou
pé das estruturas hidráulicas. Essas correntes ao atjngirem o pé da estrutura
tornam helicoidais ( correntes helicoidais ), de capacidade erosiva extremamente
elevada. Uma das maneiras de minimizar ou reduzir essas correntes é alterar
(aumentar) o ângulo de incidência do jato no espelho d'água, mudando-se o
ângulo de lançamento ou a cota de lançamento.
como consequência do aumento do ângulo de lançamento, resulta também
aumento na vazão de lançamento. Enquanto não ocorre o lançamento, a água
cai no pé da estrutura, provocando muitas vezes etosões nessa região.
15
TRANSP. DIS-34
Esse gráfico permite calcular a distância X, conhecidos Hye Y,
Para o cálculo do raio de curvatura R da concha poderá utilizar o mesmo método.
utilizado para o roller, substituindo h. por Hy,
, " "il, , , ,II' I I Iii I III, I "III
A mesma distância X, o Elevatorsky sugere calcular atravé~ da fórmula
x h-= 1 9 ( - ) sen 20
H' H
onde
x distância horizontal
H NA de montante até a cota de impacto do jato
h NA de montante até a cota do "invert"
Ângulo de lançamento0.
TRANSP. DIS-35
ESTUDO COMPARATIVO ENTRE OS DISSIPADORES EM CONCHA
Em função do número de Froude F 1
-Para baixo F1, até 4, a rampa ascendente apresenta bons resultados.
-Para F u intermediários, o roller bucket é indicado
-Para F 1 elevados, salto de esqui
Evidentemente, em se tratando de obras de grande porte, as variáveis
intervenientes são inúmeras. Por exemplo, em um vale fechado o salto de esqui
17
o tipo de dissipador poderá ser escolhido dentro desse quadro e evidentemente,
levando-se em conta outras variáveis intervenientes.
6. MANOBRA DE COMPORTAS
! fli I i! , III illlll III! 'I III i I 1Iii I IIi! , I i i' III I.' , 11I11 Ii Ii i' IIi I! IIi 1111ill Ii' ! I 11I1 ! III 1
Em regra o escoament.o simét.rico, apresent.a melhores condições hidráulicas. Na
dissipação de energia t.ambém não foge a regra. i j.t1..tL ~JltijYj
Portanto, sempre que possível, a operação deve se fazer d~ I~pla for~~ simétrica.
o escoamento assimétrico pode criar recirculaçõ~s, .l4Ue ldepiehdendq I ~ai
intensidade da corrente pode arrastar blocos de ~~ch~ I para ~! f jnterior I ~~!
dissipador de energia.
Outro cuidado que deve ser tomado é com relação àl coHdbntração de energia
através da manobra de 10 a 20% das comportas existentes, com abertura total.
Como o NA de jtisante estará abaixo do requerido, certamente o ressalto deverá
fugir da estrutura, sem que haja dissipação de energia, em correntes de alta
velocidade.
CA VITAÇÃO E AERAÇÃO7.
Sempre que a velocidade de escoamento supera a casa dos 20 m/s, convêm ter
em mente a possível ocorrência de cavitação. Entretanto, caso h~ia possibilidade
de aerar naturalmente, como por exemplo, através do escoamento em longas
calhas, a cavitação dificilmente ocorrerá.
19
8. DISSIPADORES ESPECIAIS (NÃO CONVENCIONAIS)
a) Rampa com blocos de dissipação
As rampas com blocos de dissipação podem ser utilizados com sucesso nos
pequenos aproveitamentos e transposição de nível em canais. As multiplas
fileiras de blocos interceptam o escoamento, dissipando energia por impacto,
tendo portanto a função de manter a velocidade ao longo da rampa, até a cota
desejada com velocidade compatível com o tipo do leito. (Bibliografia
Hidráulica Geral de A. Lencastre ).
TRANSP. DIS.36
b) Bacias de dissipação por impacto
Trata-se de um dissipador onde a dissipação se faz por meio de impacto do
jato contra uma placa plana colocada perpendicularmente à direção de
escoamento e acima do plano do fundo, de modo a permitir a passagem da
água sob a placa. A entrada da água poderá ser feita de um conduto circular
ou retangular .
São estruturas compactas, particularmente vantajosas em estruturas de
drenagem e descargas de fundo.
Há algumas restrições como:
.Velocidade máxima de entrada: 9 m/ s
.Diâmetro máximo do conduto: 1,8 m,
e em função do diâmetro do conduto e do número de Froude, faz-se o
dimensionamento. A dimensão 1. é determinada através da expressão
20
Q
D = 3,0 F°'Ss
Nestas estruturaspoderão introduzir blocos de dissipação para melhorar a
eficiência ou quando necessário, fazer uma proteção logo a jusante da
estrutura.
I; I I I i' IIII lU II 11 1.\ t}. 1111I11 ,R 111~j!1 "1 tt
TRANSP. DIS.36
ittrt. ~1..lfl 1!ct."lt{ ~1c) Canal em degraus e~ W ';! ft;'
:I " , I, ! ,'"i
Existe alguns métodos p'iifa o dimensionamento, d~1 jem degf~us.
! , I l ! il. i
Método de Francisco J. Dominguez S. iíjii,~1i .11',J""lu'~,
, , I
O método está apresentado no livro "HIDRAurlICA~' i da autoria do Prof.
Francisco J avier Dominguez.
Utiliza-se no dimensionamento 3 ábacos (gráficos)
Obs: Os gráficos poderão ser encontrados no livro acima mencionado ou no
trabalho da. autoria do EngQ AcAcIO EUI ITO "Projeto de degraus
e dissipadores de energia em canais",
Dimensionamento:
sendo h c .altura crítica
a. .altura do degrau
ho .altura d'água sobre o 1° degrau
a)
b)
d ..comprimento do degrau
hl .ho do degrau seguinte
calcula-se a profundidade h c (prof. crítica)
adota-se no 1° degrau ho = h c
a
h c
c) K=calcula-se a relação
21
ho
h"' Xo
"
d) calcula-se a relação
h \
I
ho
do gráfico K=f hle)
( d
]K=f- -d
h c
f) do gráfico
e assim sucessivamente, para os demais degraus.
TRANSP. DIS.37
d) Método de RAND (Queda livre)
Consiste na dissipação de energia em quedas isoladas e a dissipação ocorre
através de choque entre o jato, a massa d'água e o fundo do canal.
TRANSP. DIS-37
As variáveis intervenientes são:
q .vazão específica
h. altura da queda
Ld
h.
distância do pé da parede até o local do choque
altura de água acumulada a montante da zona do choque
hl .altura d'água imediatamente a jusante da zona de choque
hs .altura d'água a jusante necessária para a formação do ressalto hidráulico
22
o dimensionamento é feito através de um número denominado número de
D=L
9 h3
queda "DROP NUMBER"
Portanto, calcula-se o número de quedas e
lU II w 1111
"h
1
h
= 0,54 DO,425 calcula-se h 1da equação
h2
h
= 1,66 nO.27da equação calcula-se h2
hs
h
= 1.0 D°,22da equação calcula-se hs
Ld
h
= 4.30 D°,27da equação calcula-se Ld e
h2 hl
!=6
h
da equação calcula-se L
e) Dissipação de energia a jusante de um túnel
Para que haja uma boa dissipação de energia é necessário que o escoamento
a jusante do desemboque do túnel seja mais uniforme (regular) possível.
Para tanto, normalmente, junto a saída do túnel ( desemboque) é projetado um
trecho de transição. Por exemplo de seção circular para retangular. Essas
2.1
9. BIBLIOGRAFIA
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Lemos /e/ João Paulo Cárcomo Lobo Ferreira. Lisboa, LNEC, 1978. 14p.
(Memória, 502)
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?7