Esta dissertação tem como enfoque principal abordar o tema de esforços nas amarras das embarcações durante o processo de eclusagem. A principal motivação foi a busca em atender a legislação brasileira, a qual vem incentivando a utilização do transporte hidroviário e a construção de novas eclusas, tendo em vista a atratividade econômica deste meio de transporte. O estudo foi desenvolvido a partir da modelagem e elaboração de um sistema de medição de esforços, almejando a verificação de sua aplicabilidade na previsão de esforços sobre as amarrações das embarcações. A investigação dos esforços hidrodinâmicos sofridos pela embarcação durante o enchimento e esvaziamento das eclusas de alta queda foi possível com a construção deste sistema de medição em um modelo reduzido de uma eclusa de alta queda. Foram realizados 42 ensaios para diferentes situações iniciais, variando a composição e o peso total da embarcação, bem como a velocidade de abertura da comporta dos condutos de enchimento e esvaziamento da eclusa. A realização destes ensaios permitiu a confirmação das relações existentes entre esforços máximos medidos com o aumento da velocidade de abertura das comportas de enchimento e esvaziamento e entre os esforços máximos com o peso deslocado e área ocupada pela embarcação na eclusa. Possibilitou, também, a constatação de que os valores dos esforços máximos durante o processo de enchimento são superiores àqueles verificados no esvaziamento da câmara da eclusa. A partir destes resultados, foram propostas duas equações que relacionam a razão da força máxima pelo peso da embarcação com a razão das áreas da embarcação com a da câmara da eclusa e com o próprio peso da embarcação, evidenciando a relação existente entre a força máxima com o peso e a área da embarcação. / This piece of work disserts about the hawser forces in the vessels during the lock operational. The main motivation was the quest to attend the Brazilian legislation, which has encouraged the use of the hydroways and construction of new locks, in view of the economic attractiveness of this transportation medium. The study was developed from the modeling and development of a measurement system of hawser forces, aiming to verify its applicability in forecasting the vessels mooring forces. The investigation of hydrodynamics forces suffered by the vessel during the process of filling and emptying high lift locks became possible with construction of this measuring system in a reduced scaled model of a generic high lift lock. There was realized 42 tests with different initial conditions, varying the vessel´s size and its total weight, as well, varying the gate´s opening velocity localized in the conducts of the filling and emptying system. This tests made it possible to confirm the existence of relationship between maximum hawser forces and this gate´s opening speed and the vessel´s size and its total weight. With this tests, it became viable to find out that the values of maximum hawser forces during the lock´s chamber filling process are greater than during its emptying process. From these results, it was proposed two formulas relating the ratio of maximum hawser force with the vessel´s weight and the ratio of the area occupied by the vessel with the lock chamber area and, as well, the vessel´s weight. This showed the existence of relationship between the maximum hawser forces and the vessel´s weight and its area.

Os vertedores são estruturas hidráulicas construídas para controlar o nível d’água do reservatório, permitindo a passagem das vazões escoadas com a máxima eficiência possível sem provocar problemas à estrutura. Para atingir este objetivo, as condições de aproximação do escoamento à estrutura e a forma geométrica do perfil vertente são muito importantes. O controle da soleira por comportas provoca uma mudança significativa nas condições de escoamento sobre o perfil vertente. O posicionamento e a forma da comporta tem forte influência no comportamento do coeficiente de vazão e nas pressões sobre a soleira. A formação de vórtice é um fenômeno indesejável que pode ocorrer quando a operação da comporta é parcial, prejudicando a capacidade de vazão e provocando vibrações na estrutura. Este trabalho apresenta uma abordagem teórica sobre o assunto vertedor de superfície e escoamento sob comportas, apresentando resultados de diferentes estudos para melhor compreensão do funcionamento do vertedor. / Spillways are hydraulic structures constructed to control the water level of the reservoir, allowing the overflows with the maximum possible efficiency without provoking problems to the structure. The approach flow pattern to the structure and the geometric form of the spillway profile are basic importance. The control of the spillway by the floodgates modifies the draining conditions. The positioning and the form of the gate have strong influence in the behavior of the discharge coefficient and the pressures on the surface profile. A vortex formation is an undesirable phenomenon that it can occur when the operation of the floodgate is partial, reducing the discharge coefficient and produce vibrations in structure. This work presents a theoretical approach about flow over spillway and under of the partial opening of the floodgate, presenting results of different studies for better understanding the function of the spillway.

Esta dissertação tem como enfoque principal abordar o tema de esforços nas amarras das embarcações durante o processo de eclusagem. A principal motivação foi a busca em atender a legislação brasileira, a qual vem incentivando a utilização do transporte hidroviário e a construção de novas eclusas, tendo em vista a atratividade econômica deste meio de transporte. O estudo foi desenvolvido a partir da modelagem e elaboração de um sistema de medição de esforços, almejando a verificação de sua aplicabilidade na previsão de esforços sobre as amarrações das embarcações. A investigação dos esforços hidrodinâmicos sofridos pela embarcação durante o enchimento e esvaziamento das eclusas de alta queda foi possível com a construção deste sistema de medição em um modelo reduzido de uma eclusa de alta queda. Foram realizados 42 ensaios para diferentes situações iniciais, variando a composição e o peso total da embarcação, bem como a velocidade de abertura da comporta dos condutos de enchimento e esvaziamento da eclusa. A realização destes ensaios permitiu a confirmação das relações existentes entre esforços máximos medidos com o aumento da velocidade de abertura das comportas de enchimento e esvaziamento e entre os esforços máximos com o peso deslocado e área ocupada pela embarcação na eclusa. Possibilitou, também, a constatação de que os valores dos esforços máximos durante o processo de enchimento são superiores àqueles verificados no esvaziamento da câmara da eclusa. A partir destes resultados, foram propostas duas equações que relacionam a razão da força máxima pelo peso da embarcação com a razão das áreas da embarcação com a da câmara da eclusa e com o próprio peso da embarcação, evidenciando a relação existente entre a força máxima com o peso e a área da embarcação. / This piece of work disserts about the hawser forces in the vessels during the lock operational. The main motivation was the quest to attend the Brazilian legislation, which has encouraged the use of the hydroways and construction of new locks, in view of the economic attractiveness of this transportation medium. The study was developed from the modeling and development of a measurement system of hawser forces, aiming to verify its applicability in forecasting the vessels mooring forces. The investigation of hydrodynamics forces suffered by the vessel during the process of filling and emptying high lift locks became possible with construction of this measuring system in a reduced scaled model of a generic high lift lock. There was realized 42 tests with different initial conditions, varying the vessel´s size and its total weight, as well, varying the gate´s opening velocity localized in the conducts of the filling and emptying system. This tests made it possible to confirm the existence of relationship between maximum hawser forces and this gate´s opening speed and the vessel´s size and its total weight. With this tests, it became viable to find out that the values of maximum hawser forces during the lock´s chamber filling process are greater than during its emptying process. From these results, it was proposed two formulas relating the ratio of maximum hawser force with the vessel´s weight and the ratio of the area occupied by the vessel with the lock chamber area and, as well, the vessel´s weight. This showed the existence of relationship between the maximum hawser forces and the vessel´s weight and its area.

Eclusas de navegação são estruturas utilizadas para transposição de desníveis por embarcações. Estes desníveis podem ser causados por obstáculos naturais ou artificiais. As eclusas de navegação devem ter como principais características a realização de uma transposição rápida e segura das embarcações. O estudo dos escoamentos a jusante das comportas nos condutos de enchimento e esvaziamento das eclusas são de grande importância, pois são escoamentos altamente turbulentos e com altas velocidades e regiões de baixas pressões, essas, por sua vez, podem ocasionar o fenômeno de cavitação. A cavitação tem efeitos nocivos às estruturas, podendo causar desde vibrações até a erosão nas estruturas de concreto. Esta pesquisa busca verificar o comportamento e desenvolver critérios para estimar as pressões mínimas a jusante de comporta tipo segmento invertida, quando da operação da mesma em condutos de enchimento e esvaziamento de eclusas de navegação. Para atendimento desses objetivos, foi construído, no laboratório de hidráulica experimental LAHE, um modelo hidráulico reduzido de uma eclusa de navegação, onde foram realizados os ensaios com medição de pressões “instantâneas” a jusante da comporta no teto e na base do conduto. Essas medições foram realizadas para diferentes condições de aberturas e cargas a montante da comporta em regime permanente e em regime transitório, onde foram utilizadas diferentes velocidades de operação da comporta. Através das análises das pressões, foi possível verificar que a condição em regime permanente é mais crítica que a em regime transitório, sugerindo que se utilize esta situação para a previsão das pressões mínimas que podem ocorrer durante a operação da comporta. / Navigation Locks are structures used for raising and lowering boats between stretches of water of different levels on rivers due to natural or artificial obstacles. Navigation Locks’ design shall aim a safe and fast boat transposition. The study of flow downstream of tainter gates inside the conduits is important because of the flow characteristics that are highly turbulent and with areas of low pressure. The occurrence of low pressure may induce the cavitation phenomenon which causes severe damages, going from vibration to erosion in concrete structures. This research aims to verify the behavior and to develop a criterion to estimate low flow pressures downstream of a tainter gate during its operation in conduits of navigation locks during the chamber filling and empting. To fulfill this aim, it has been built, at the hydraulic experimental lab of Furnas, a reduced scale model of a navigation lock, where were held studies with instantaneous measure of pressure downstream the gate, both in the upper and lower conduit level. Those studies were made for different conditions of the gate’s aperture and water level upstream it for both permanent and transitory flows. Different speeds of gate aperture were also studied. By analyzing the results it was possible to conclude that, regarding to minimum pressures, the permanent flow condition is more severe than the transitory one indicating that the former shall be used to predict the lower pressures in similar conditions.

A ocorrência de vibrações induzidas pelo escoamento em estruturas hidráulicas é um fenômeno altamente indesejável, pois pode causar uma série de problemas de funcionamento, manutenção e em alguns casos pode ocasionar até mesmo o colapso da estrutura em questão. Apesar disso, esse aspecto ainda é considerado como um elemento secundário de projeto. O estudo numérico desse fenômeno ainda é extremamente complexo, fazendo-se necessário o uso de modelos em escala reduzida das estruturas reais para a estimativa do comportamento dinâmico dessas estruturas. A modelagem do comportamento dinâmico de estruturas submetidas ao escoamento de água é denominada de modelagem hidroelástica. Para a aplicação correta da modelagem hidroelástica é fundamental um entendimento profundo sobre os aspectos básicos dos fenômenos hidráulicos e mecânicos atuantes na estrutura. O presente trabalho concentrou-se na investigação experimental de alguns aspectos básicos do fenômeno de vibrações induzidas por vórtices em estruturas cilíndricas, com o objetivo de ampliar a base de conhecimento existente sobre esse fenômeno e, dessa forma, contribuir para o aperfeiçoamento das técnicas de modelagem hidroelástica. Vale ressaltar que existem outros mecanismos de instabilidade causadores de vibrações, além do desprendimento de vórtices, que não foram abordados nesta dissertação. Os aspectos básicos abordados neste trabalho foram os seguintes: • Razão de Aspecto L/D – razão entre o comprimento do cilindro exposto ao escoamento e seu diâmetro; • Parâmetro de massa-amortecimento (m*+CA)ζ − parâmetro adimensional formado pelo produto entre a massa da estrutura e seu amortecimento ζ. Para a investigação experimental foram ensaiados cilindros rígidos elasticamente montados e pivotados na base, submetidos ao escoamento permanente de água em canal aberto, com dois graus de liberdade para oscilar. Apesar da liberdade para oscilar em duas direções, o presente trabalho concentrou-se apenas nas vibrações transversais à direção do escoamento. Os cilindros empregados possuem diferentes diâmetros, diferentes massas e dois tipos de molas para a fixação elástica. A variação desses parâmetros resultou em comportamentos oscilatórios diferentes, caracterizados através da medição das acelerações no topo do cilindro, que posteriormente foram convertidos em valores de deslocamento no topo do cilindro. O comportamento oscilatório dos cilindros foi descrito através de curvas de amplitudes adimensionais A/D, ou seja, amplitude de oscilação dividida pelo diâmetro do cilindro, e curvasde freqüência adimensional fd/fna, ou seja, freqüência de oscilação dominante (fd) dividida pela freqüência natural da estrutura na água (fna). Como principais resultados dessa investigação experimental pode-se ressaltar os seguintes pontos: • O parâmetro (m*+CA)ζ não influencia de maneira significativa o comportamento oscilatório do sistema em termos de freqüência adimensional (fd/fna); • Demonstrou-se a influência da razão de aspecto sobre as amplitudes máximas de oscilação, em conjunto com o uso do parâmetro (m*+CA)ζ. As amplitudes máximas de oscilação sofreram redução com o aumento da razão de aspecto dos cilindros, para valores de L/D entre 6 e 20. O comportamento das amplitudes máximas de oscilação com relação ao parâmetro (m*+CA)ζ apresentou um comportamento mais complexo, dependendo da razão de aspecto ensaiada; • Alguns ensaios colocam em dúvida a validade do uso do parâmetro (m*+CA)ζ para representar de forma combinada as variações do amortecimento estrutural e razão de massa, pelo menos para a configuração experimental adotada e valores de (m*+CA)ζ < 0,074. / The occurrence of flow-induced vibrations in hydraulic structures is a highly undesirable phenomenon, because it can cause a series of operational and maintenance problems, and in some cases it can cause even the collapse of the structure. In spite of that, that aspect is still considered as a secondary element of project. The numeric study of that phenomenon is still extremely complex, being done necessary the use of models in reduced scale of the real structures for the estimate of the dynamic behavior of those structures. The modeling of the dynamic behavior of structures submitted to the flow of water is denominated hydroelastic modeling. For the correct application of the hydroelastic modeling it is fundamental a deep understanding on the basic aspects of the hydraulic and mechanical phenomena active in the structure. The present work concentrated on the experimental investigation of some basic aspects of the phenomenon of vortex-induced vibrations in cylindrical structures, with the objective of enlarging the base of existent knowledge on that phenomenon and, in that way, to contribute for the improvement of the hydroelastic modeling techniques.It is worth to emphasize that there are other mechanisms of instability responsible for the vibrations, besides vortex-shedding, they were not approached in this dissertation. The basic aspects approached in this work were the following ones: • Aspect ratio L/D - ratio of the submerged cylinder length to its diameter; • Mass-damping parameter (m*+CA)ζ − dimensionless parameter formed by the product between the mass of the structure and its structural damping ζ. For the experimental investigation, pivoted rigid cylinders were elastically mounted, submitted to steady flow of water in an open channel, with two degrees of freedom to oscillate. The present work concentrated in the study of the vibrations perpendicular to the flow direction. The employed cylinders possess different diameters, different masses and two types of springs for the elastic fixation. The variation of those parameters resulted in different oscillatory behaviors, characterized through the measurement of the accelerations in the top of the cylinder, that later were converted in displacement values in the top of the cylinder. The oscillatory behavior of the cylinders was described through curves of dimensionless amplitudes A/D, in other words, oscilation amplitude divided by the diameter of the cylinder, and curves of dimensionless frequency fd/fna, in other words, oscillating dominant frequency (fd) divided by the natural frequency of the structure in the water (fna). As main results of that experimental investigation the following points can be emphasized: • The parameter (m*+CA)ζ does not influence in a significant way the oscillatory behavior of the system in terms of dimensionless frequency (fd/fna); • The influence of the aspect ratio was demonstrated on the dimensionless amplitude of oscillation, together with the use of the parameter (m*+CA)ζ. The maximum amplitudes of oscillation suffered reduction with the increase of the aspect ratio of the cylinders, for values of L/D between 6 and 20. The behavior of the maximum dimensionless amplitudes of oscillation regarding the parameter (m*+CA)ζ presented a more complex behavior, depending on the aspect ratio; • Some results put in doubt the validity of the use of the parameter (m*+CA)ζ to combine the variations of the structural damping and mass ratio, at least for the experimental configuration adopted and values of (m*+CA)ζ < 0.074.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:28:34Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2006-02Bitstream added on 2014-06-13T18:34:53Z : No. of bitstreams: 1 correard_gcc_me_guara.pdf: 1877382 bytes, checksum: f137894497df23a88143686cf4323f80 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / O objetivo desta pesquisa foi apresentar um método de análise para a solução de problemas de contato por elementos finitos e o cálculo dos componentes mecânicos que fazem parte do projeto de uma roda de aço. Foi demonstrado passo a passo à execução de um cálculo analítico da roda de uma Comporta Vagão, calculando as cargas radial e axial presentes, verificando a tensão de Hertz, as tensões localizadas no cubo da roda, as tensões atuantes no eixo e a seleção do rolamento. Após esta etapa retiraram-se os parâmetros iniciais que foram utilizados no cálculo analítico para buscar o cálculo por elementos finitos. Assim, foram definidas as superfícies de contato, a geometria dos componentes, a malha, as restrições, as condições de contorno e por fim a análise dos resultados encontrados antes e após o projeto. Dessa maneira, podê-se determinar com precisão os pontos de concentração de tensão para eliminação as falhas. Com a busca deste cálculo, usando a análise por Elementos Finitos, respaldado pelo cálculo analítico, foi possível reduzir o diâmetro da roda para obter ganhos em massa para este tipo de equipamento que usa uma quantidade alta de rodas (acima de 100 rodas), sem alteração da confiabilidade das peças durante seu funcionamento. / The objective of this research was to present an analysis method for the solution of contact problems for finite elements and the calculation of the mechanical components that are part of the project of a steel wheel. It was demonstrated step by step the execution of an analytic calculation of the wheel of a Fixed Wheel Gate, calculating the radial and axial loads present, verifying the Hertz pressure, the concentrated stresses in the hub of the wheel, the acting stresses in the shaft and hub, and the selection of the roller bearings. After this stage the initial parameters were used in the analytic calculation in order to obtain the calculation using finite elements. After this, it was defined the contact surfaces, the geometry of the components, the mesh, the restrictions, the real constraints and finally the analysis of the results found before and after the project. After this calculation, the other analysis was established in order to determine the points of concentration stress accurately for the elimination of fails. In order to obtain the calculation, using Finite Elements, by the analytic calculation it was possible to reduce the diameter of the wheel to obtain earn in mass for this type of equipment that uses a high amount of wheels (above 100 wheels), without alteration of the reliability of the parts during the operation.

Orientador: Luiz Felipe Mendes de Moura / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-16T08:00:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Rodrigues_AlexCristiano_M.pdf: 7859697 bytes, checksum: f1415c4744eaf2e3068a564f5afe9f1c (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Este trabalho apresenta a utilização de um modelo numérico para a determinação das forças hidrodinâmicas atuantes em comportas planas tipo vagão, utilizadas em obras de desvio de Usinas Hidrelétricas. Para isso foi utilizado o software comercial Fluent, onde foi gerado um modelo numérico tridimensional para diversas aberturas da comporta vagão ensecadeira, a qual é responsável pelo fechamento em definitivo do desvio. A validação dos resultados numéricos foi realizada através da comparação de dados de um modelo físico reduzido previamente estudado em laboratório, onde constatou-se a correta captação e interpretação dos fenômenos hidráulicos presentes, permitindo utilizar sua metodologia para aplicações em obras semelhantes. A vazão e seu respectivo coeficiente de descarga apresentaram diferenças médias da ordem de 8%, as pressões atuantes no fundo do canal apresentam diferenças máximas de 3,6%, enquanto que os esforços hidrodinâmicos registraram diferenças médias de 7%. As maiores variações foram observadas nas menores aberturas, quando a vazão é determinada pela comporta, e as velocidades são mais altas. A título de comparação dos fenômenos hidráulicos, foram levantados os dados pertinentes a outros três ensaios físicos de túneis de desvio. Estes resultados foram comparados com o ensaio numérico e a formulação teórica, indicando que esta última, de uma forma geral, possui resultados mais conservadores / Abstract: This work presents a proposal of a numerical model to determine the hydraulic forces acting in fixed wheel gates utilized in hydroelectric power plants. Fluent commercial CFD (computational fluid dynamics) software was used to generate a three-dimensional model of the hydraulic gate; different models were generated for different opening positions of the hydraulic gate. The results obtained from the numerical model were validated by comparing them to results obtained from a reduced model previously built in a hydraulic laboratory. When comparing these results it was possible to realize that the numerical model could well represent the hydraulic effects, allowing possibility of the methodology application for similar works. The volume flow and discharge coefficients presented a average variation of 8%; pressure distribution at the bottom of the canal presented a average variation of 3,6%; and hydraulic forces presented an average of 7% difference. Higher differences occurred at lowest openings, when the flow is mostly controlled by the gate and speed is higher. As a complement to the work, results from three other laboratory reduced models were compared to analytical proposals found in literature and numerical simulation results. These comparisons show that these analytical models are usually conservative / Mestrado / Termica e Fluidos / Mestre em Engenharia Mecânica

As Diretrizes da Política Nacional de Transporte Hidroviário apresentam metas ambiciosas para os próximos anos quanto à construção de eclusas e ao aumento da participação do transporte aquaviário de carga na matriz brasileira. A bibliografia expõe que os custos são otimizados quando um desnível é transposto com a construção do menor número eclusas, o que resulta na busca pela transposição de desníveis significativos com a execução de eclusas com uma única câmara. No entanto, problemas hidráulicos encontrados junto às comportas de enchimento e esvaziamento estão entre as principais limitações para o aumento da altura de queda das eclusas. Os diferenciais de pressão entre as faces de montante e jusante das comportas e a variação do seu grau de abertura durante as operações de enchimento e esvaziamento de eclusas de navegação de média e alta queda geram escoamentos turbulentos, com velocidades e pressões capazes de produzir danos às estruturas. Com o objetivo de analisar os parâmetros hidráulicos do escoamento médio a jusante de comportas dos sistemas de enchimento e esgotamento de eclusas, do tipo segmento invertida, e as pressões instantâneas ao longo do teto e da base do conduto, de forma a identificar e caracterizar padrões de comportamento que auxiliem na elaboração de projetos e no aperfeiçoamento dessas estruturas, foram conduzidas duas investigações complementares, a experimental e a numérica. A investigação experimental, desenvolvida no Laboratório de Obras Hidráulicas do Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, proporcionou a geração de dados discretos de pressão instantânea ao longo do teto e da base do conduto para 53 condições de abertura e vazão, para escoamento em regime permanente. A investigação numérica, realizada com o software Flow-3D®, de Dinâmica de Fluidos Computacional, viabilizou a geração de dados do escoamento médio no interior do conduto para 12 condições de abertura e vazão, que reproduziam as simulações experimentais. Os resultados das simulações realizadas no Flow-3D® com modelo de turbulência k- e demonstraram a sua aplicabilidade no estudo do escoamento médio a jusante de comportas de sistemas de enchimento e esvaziamento de eclusas. O modelo numérico reproduziu os dados experimentais de pressão a montante da comporta e os formatos das curvas de pressão ao longo da base e do teto do conduto a jusante da comporta, apresentando resultados mais aderentes para a base. Para as condições operacionais com a comporta parcialmente aberta, as menores pressões ocorreram no teto do conduto próximo à comporta, região de recirculação do escoamento, e junto ao terminal da comporta. A partir da análise dos dados foi possível a caracterização do comportamento das pressões médias, das flutuações de pressão e das pressões máximas e mínimas ao longo da base e do teto do conduto por meio da relação entre coeficientes adimensionais de posição e de pressão. / Brazilian Waterways Policy has ambitious goals for constructing navigation locks and increasing the participation of the cargo transport through waterways in the national transport matrix. Literature states that costs are optimized by the construction of fewer locks for the transposition of water levels by vessels, which results in the search for transposition of significant lifts by using navigation locks with single camera. However, the hydraulic problems in the filling and emptying systems, especially close to the valves, are among the major limitations to increase the lock lift. During filling and emptying operations of medium and high-lift locks, the pressure difference between upstream and downstream sides of lock valve and its opening generate turbulent flows with associated flow velocities and pressures capable of damaging the structures. In the current research, experimental and numerical investigations were conducted in order to analyze the mean flow through lock culvert valves and the instantaneous pressures behavior along the culvert roof and base, and to identify and to characterize hydraulic parameters which could be useful for project development and improvement of these structures. The experimental research was conducted at the “Laboratório de Obras Hidráulicas” of the “Instituto de Pesquisas Hidráulicas” of the “Universidade Federal do Rio Grande do Sul” and provided the generation of discrete data of instantaneous pressure along the culvert roof and base for 53 conditions of flow and valve opening. Experimental simulations were performed with steady state flow. Numerical investigation applied the Computational Fluid Dynamics software Flow-3D® and produced information for the mean flow inside the culvert for 12 valve opening and flow conditions, which reproduced the experimental simulations. valve opening and flow conditions, which reproduced the experimental simulations. The numerical results, obtained by using the k-e turbulence model, demonstrated the applicability of Flow-3D® in the study of the mean flow downstream of lock culvert valves. The numerical model was able to reproduce the experimental data of pressure along the culvert base and roof presenting more accuracy to base data. For partially open gate conditions, the lowest pressures were verified next to the valve lip and at the downstream culvert roof close to the valve, which correspond to the recirculating flow region. From data analysis it was possible to characterize the behavior of the mean pressure, pressure fluctuations and extreme pressures along the culvert base and roof by the relationship between dimensionless coefficients of position and pressure.

As Diretrizes da Política Nacional de Transporte Hidroviário apresentam metas ambiciosas para os próximos anos quanto à construção de eclusas e ao aumento da participação do transporte aquaviário de carga na matriz brasileira. A bibliografia expõe que os custos são otimizados quando um desnível é transposto com a construção do menor número eclusas, o que resulta na busca pela transposição de desníveis significativos com a execução de eclusas com uma única câmara. No entanto, problemas hidráulicos encontrados junto às comportas de enchimento e esvaziamento estão entre as principais limitações para o aumento da altura de queda das eclusas. Os diferenciais de pressão entre as faces de montante e jusante das comportas e a variação do seu grau de abertura durante as operações de enchimento e esvaziamento de eclusas de navegação de média e alta queda geram escoamentos turbulentos, com velocidades e pressões capazes de produzir danos às estruturas. Com o objetivo de analisar os parâmetros hidráulicos do escoamento médio a jusante de comportas dos sistemas de enchimento e esgotamento de eclusas, do tipo segmento invertida, e as pressões instantâneas ao longo do teto e da base do conduto, de forma a identificar e caracterizar padrões de comportamento que auxiliem na elaboração de projetos e no aperfeiçoamento dessas estruturas, foram conduzidas duas investigações complementares, a experimental e a numérica. A investigação experimental, desenvolvida no Laboratório de Obras Hidráulicas do Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, proporcionou a geração de dados discretos de pressão instantânea ao longo do teto e da base do conduto para 53 condições de abertura e vazão, para escoamento em regime permanente. A investigação numérica, realizada com o software Flow-3D®, de Dinâmica de Fluidos Computacional, viabilizou a geração de dados do escoamento médio no interior do conduto para 12 condições de abertura e vazão, que reproduziam as simulações experimentais. Os resultados das simulações realizadas no Flow-3D® com modelo de turbulência k- e demonstraram a sua aplicabilidade no estudo do escoamento médio a jusante de comportas de sistemas de enchimento e esvaziamento de eclusas. O modelo numérico reproduziu os dados experimentais de pressão a montante da comporta e os formatos das curvas de pressão ao longo da base e do teto do conduto a jusante da comporta, apresentando resultados mais aderentes para a base. Para as condições operacionais com a comporta parcialmente aberta, as menores pressões ocorreram no teto do conduto próximo à comporta, região de recirculação do escoamento, e junto ao terminal da comporta. A partir da análise dos dados foi possível a caracterização do comportamento das pressões médias, das flutuações de pressão e das pressões máximas e mínimas ao longo da base e do teto do conduto por meio da relação entre coeficientes adimensionais de posição e de pressão. / Brazilian Waterways Policy has ambitious goals for constructing navigation locks and increasing the participation of the cargo transport through waterways in the national transport matrix. Literature states that costs are optimized by the construction of fewer locks for the transposition of water levels by vessels, which results in the search for transposition of significant lifts by using navigation locks with single camera. However, the hydraulic problems in the filling and emptying systems, especially close to the valves, are among the major limitations to increase the lock lift. During filling and emptying operations of medium and high-lift locks, the pressure difference between upstream and downstream sides of lock valve and its opening generate turbulent flows with associated flow velocities and pressures capable of damaging the structures. In the current research, experimental and numerical investigations were conducted in order to analyze the mean flow through lock culvert valves and the instantaneous pressures behavior along the culvert roof and base, and to identify and to characterize hydraulic parameters which could be useful for project development and improvement of these structures. The experimental research was conducted at the “Laboratório de Obras Hidráulicas” of the “Instituto de Pesquisas Hidráulicas” of the “Universidade Federal do Rio Grande do Sul” and provided the generation of discrete data of instantaneous pressure along the culvert roof and base for 53 conditions of flow and valve opening. Experimental simulations were performed with steady state flow. Numerical investigation applied the Computational Fluid Dynamics software Flow-3D® and produced information for the mean flow inside the culvert for 12 valve opening and flow conditions, which reproduced the experimental simulations. valve opening and flow conditions, which reproduced the experimental simulations. The numerical results, obtained by using the k-e turbulence model, demonstrated the applicability of Flow-3D® in the study of the mean flow downstream of lock culvert valves. The numerical model was able to reproduce the experimental data of pressure along the culvert base and roof presenting more accuracy to base data. For partially open gate conditions, the lowest pressures were verified next to the valve lip and at the downstream culvert roof close to the valve, which correspond to the recirculating flow region. From data analysis it was possible to characterize the behavior of the mean pressure, pressure fluctuations and extreme pressures along the culvert base and roof by the relationship between dimensionless coefficients of position and pressure.

As Diretrizes da Política Nacional de Transporte Hidroviário apresentam metas ambiciosas para os próximos anos quanto à construção de eclusas e ao aumento da participação do transporte aquaviário de carga na matriz brasileira. A bibliografia expõe que os custos são otimizados quando um desnível é transposto com a construção do menor número eclusas, o que resulta na busca pela transposição de desníveis significativos com a execução de eclusas com uma única câmara. No entanto, problemas hidráulicos encontrados junto às comportas de enchimento e esvaziamento estão entre as principais limitações para o aumento da altura de queda das eclusas. Os diferenciais de pressão entre as faces de montante e jusante das comportas e a variação do seu grau de abertura durante as operações de enchimento e esvaziamento de eclusas de navegação de média e alta queda geram escoamentos turbulentos, com velocidades e pressões capazes de produzir danos às estruturas. Com o objetivo de analisar os parâmetros hidráulicos do escoamento médio a jusante de comportas dos sistemas de enchimento e esgotamento de eclusas, do tipo segmento invertida, e as pressões instantâneas ao longo do teto e da base do conduto, de forma a identificar e caracterizar padrões de comportamento que auxiliem na elaboração de projetos e no aperfeiçoamento dessas estruturas, foram conduzidas duas investigações complementares, a experimental e a numérica. A investigação experimental, desenvolvida no Laboratório de Obras Hidráulicas do Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, proporcionou a geração de dados discretos de pressão instantânea ao longo do teto e da base do conduto para 53 condições de abertura e vazão, para escoamento em regime permanente. A investigação numérica, realizada com o software Flow-3D®, de Dinâmica de Fluidos Computacional, viabilizou a geração de dados do escoamento médio no interior do conduto para 12 condições de abertura e vazão, que reproduziam as simulações experimentais. Os resultados das simulações realizadas no Flow-3D® com modelo de turbulência k- e demonstraram a sua aplicabilidade no estudo do escoamento médio a jusante de comportas de sistemas de enchimento e esvaziamento de eclusas. O modelo numérico reproduziu os dados experimentais de pressão a montante da comporta e os formatos das curvas de pressão ao longo da base e do teto do conduto a jusante da comporta, apresentando resultados mais aderentes para a base. Para as condições operacionais com a comporta parcialmente aberta, as menores pressões ocorreram no teto do conduto próximo à comporta, região de recirculação do escoamento, e junto ao terminal da comporta. A partir da análise dos dados foi possível a caracterização do comportamento das pressões médias, das flutuações de pressão e das pressões máximas e mínimas ao longo da base e do teto do conduto por meio da relação entre coeficientes adimensionais de posição e de pressão. / Brazilian Waterways Policy has ambitious goals for constructing navigation locks and increasing the participation of the cargo transport through waterways in the national transport matrix. Literature states that costs are optimized by the construction of fewer locks for the transposition of water levels by vessels, which results in the search for transposition of significant lifts by using navigation locks with single camera. However, the hydraulic problems in the filling and emptying systems, especially close to the valves, are among the major limitations to increase the lock lift. During filling and emptying operations of medium and high-lift locks, the pressure difference between upstream and downstream sides of lock valve and its opening generate turbulent flows with associated flow velocities and pressures capable of damaging the structures. In the current research, experimental and numerical investigations were conducted in order to analyze the mean flow through lock culvert valves and the instantaneous pressures behavior along the culvert roof and base, and to identify and to characterize hydraulic parameters which could be useful for project development and improvement of these structures. The experimental research was conducted at the “Laboratório de Obras Hidráulicas” of the “Instituto de Pesquisas Hidráulicas” of the “Universidade Federal do Rio Grande do Sul” and provided the generation of discrete data of instantaneous pressure along the culvert roof and base for 53 conditions of flow and valve opening. Experimental simulations were performed with steady state flow. Numerical investigation applied the Computational Fluid Dynamics software Flow-3D® and produced information for the mean flow inside the culvert for 12 valve opening and flow conditions, which reproduced the experimental simulations. valve opening and flow conditions, which reproduced the experimental simulations. The numerical results, obtained by using the k-e turbulence model, demonstrated the applicability of Flow-3D® in the study of the mean flow downstream of lock culvert valves. The numerical model was able to reproduce the experimental data of pressure along the culvert base and roof presenting more accuracy to base data. For partially open gate conditions, the lowest pressures were verified next to the valve lip and at the downstream culvert roof close to the valve, which correspond to the recirculating flow region. From data analysis it was possible to characterize the behavior of the mean pressure, pressure fluctuations and extreme pressures along the culvert base and roof by the relationship between dimensionless coefficients of position and pressure.