O presente trabalho versa sobre o termo de atrito em escoamento transitório em condutos forçados, partindo de uma modelação matemática da tensão de cisalhamento transiente, usando conceitos do princípio da entropia máxima. Usa-se a modelação deste termo de atrito na análise do transitório hidráulico, comparando-se com dados experimentais já publicados de um sistema Reservatório-Tubo-Válvula. / This report contains a friction term for hydraulic transient in closed conduits. We use a mathematical model for the shear stress, derived by principle of maximum entropy. Then, we use this friction term for an analysis in a system reservoir-tube-valve, comparing our results with anothers already published in the literature.

Esta dissertação descreve um simulador em tempo real para aplicação em testes de reguladores de velocidade de hidrelétricas. O simulador é implementado num hardware que permite a conexão física de todos os sinais que o regulador teria na usina. As dimensões e o perfil hidráulico da usina, dados das máquinas e unidade de força hidráulica são inseridos através de tabelas de fácil entendimento pelo usuário Os transientes hidráulicos no conduto forçado são simulados usando o método das características e levam em conta a influência da turbina. A unidade hidráulica e os atuadores são modelados incluindo suas não-linearidades. Além dos testes de fábrica, este simulador pode ser utilizado para análise preliminar de transientes hidráulicos, treinamento de operadores e como plataforma de testes para novas estratégias de controle da turbina. / This work describes a real-time simulator to be used in hydroturbine speed governor tests. The simulator is implemented using a hardware configuration which allows the physical connection to the governor under test like it would be in the hydropower plant. The conduit dimensions, hydraulic scheme, machine and hydraulic power unit data are inserted into the simulator by user friendly input tables. The hydraulic transients in the penstock are simulated using the method of characteristics and take into account the turbine influence. The electrohydraulic interface, servomotor and hydraulic power unit are simulated including the nonlinearities of valves and servomotors. Besides the factory tests, this simulator can also be applied for a preliminary analysis of hydraulic transients, operator training and platform for testing new turbine control strategies.

"August 2002" / Bibliography: leaves 219-228. / xxix, 255 p. : ill., photos. ; 30 cm. / Title page, contents and abstract only. The complete thesis in print form is available from the University Library. / Thesis (Ph.D.)--University of Adelaide, Dept. of Civil and Environmental Engineering. 2003

The need for optimal air vessel sizing tools, in protecting large pipe networks from undue transient pressures is well known. Graphical and other heuristic methods reported in literature are limited to sizing the air vessels for simple rising mains. Although attempts have been made to utilize optimization techniques, they have been largely unsuccessful due to their impractical computational requirements. This research work proposes a robust framework for developing surge protection design tools and demonstrates the usefulness of the framework through an example air vessel sizing tool. Efficiency and robustness of the proposed framework are demonstrated by developing a design aid for air vessel sizing for protecting large pipe network systems against excessive high pressures generated by rapid valve closures. The essence of the proposed framework is in identification of key transient response parameters influencing air vessel parameters from seemingly unmanageable transient response data. This parameterization helps in exploiting the similarity between transient responses of small pipe networks and sub-sections of large pipe networks. The framework employs an extensive knowledgebase of transient pressure and flow scenarios defined from several small network models and corresponding optimal air vessel sizes obtained from a genetic algorithm optimizer. A regression model based on an artificial neural network was used on this knowledgebase to identify key parameters influencing air vessel sizes. These key parameters were used as input variables and the corresponding air vessel parameters as output variables to train the neural network model. The trained neural network model was successfully applied for large complex pipe networks to obtain optimal air vessel sizes for transient protection. The neural network model predictions were compared with optimal air vessel parameters to assess the efficacy of the proposed framework. The validity and limitation of the design aid developed and areas in the framework that need further research are also presented. The proposed frame work requires generation of hundreds of optimization data for small and simple network systems which is a daunting task since genetic algorithm-based optimization is computationally expensive. Selection of a numerically efficient and sufficiently accurate transient analysis method for use inside a genetic algorithm based optimization scheme is crucial as any reduction in transient analysis time for a network system would tremendously reduce the computational costs of bi-level genetic algorithm optimization scheme. This research work also demonstrate that the Wave Plan Method is computationally more efficient than the Method of Characteristics for similar accuracies and the resulting savings in computational costs in the transient analysis of pipe networks and subsequently in the genetic algorithm based optimization schemes are significant.

Atualmente, os avanços tecnológicos, especialmente dos recursos computacionais, possibilitam a realização de cálculos cada vez mais complexos. Em função destes avanços, transitórios hidráulicos antes desprezados ou estimados de forma rudimentar já podem ser calculados, especialmente nos casos em que o comportamento dos transitórios é crítico. Assim, torna-se necessário o desenvolvimento de métodos de cálculo que permitam prever quantitativamente tais transitórios uma vez que não há solução analítica para este problema. Neste trabalho são estudadas as condições de contorno para a utilização do modelo rígido de coluna líquida e sua respectiva solução numérica para o cálculo de transitórios durante o enchimento de uma tabulação com ramificação. Os modelos matemáticos foram testados em laboratório sob diversas condições, comprovando a viabilidade da utilização das ferramentas teóricas e numéricas desenvolvidas. / Nowadays there have been many technological advances, especially related to computational resources, that make possible more complex and huge calculations. Due to these advances, the evaluation of hydraulics transients, which have been disregarded or roughly estimated, is allowed to be more precisely performed especially when transient phenomena have significant importance. Then, the development of calculating methods that evaluates these transients effects becomes necessary once the analitic solution to these problems does not exist. This work presents the study of the boundary conditions of the rigid model applied to the fluid column and its numeral solution in order to calculate the transient behavior during filling of pipeline with ramifications. The results of mathematical models were compared with those from laboratory experiments under several conditions proving the feasibility of theoretical and numeral models.

Orientador: Edevar Luvizotto Jr / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Civil / Made available in DSpace on 2018-07-31T23:13:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Viaro_VivienLuciane_M.pdf: 4505576 bytes, checksum: 18be75ce76921d4bee282a5330042a53 (MD5) Previous issue date: 2001 / Resumo: O transiente hidráulico é definido como a transição entre duas condições de escoamento permanente. Nessa transição a variação das grandezas associadas ao escoamento, principalmente a pressão, é importante no dimensionamento e exploração da instalação hidráulica. Os estudos das situações transitórias e das manobras que as provocaram, são fundamentais para se garantir a segurança operacional das instalações hidráulicas em geral. A análise do escoamento transitório em condutos forcados é feita com base nas equações da continuidade e da quantidade de movimento. Uma das imprecisões associadas à mo delação convencional está no uso de uma formulação quase-estática para o termo de atrito, a qual é válida somente para escoamento permanente. Este trabalho faz uma comparação entre os resultados obtidos em modelo fisico e os da modelação matemática, considerando ou não uma modelação especial para o termo de atrito transitório. Foram utilizados os modelos propostos por Brunone et. al. (1991) e Vardy et. al. (1993), na descrição do termo de atrito variável / Abstract: Hydraulic transient is defined as the transition between two permanent flowing conditions. In this transition, the greatness variation related to the flowing, mainly the pressure, is important to the measuring and exploration of hydraulic installation. Studies about transitory situations and the shuntings that caused them are fundamental to guarantee operational safety of the hydraulic plants in general. The transitory flowing analysis in forced conduits is based on equations of continuity and on the amount of movement. One of the imprecisions related to the conventional modeling is in using a almost-static formulation for the friction term, which is only valid for permanent flowing. This paper compares the results obtained from physical model with the one from the mathematical modeling, considering or not a special modeling for transitory friction term. The models used proposed by Brunone et. al. (1991) and Vardy et. al. (1993), to describe the variable friction term / Mestrado / Recursos Hidricos / Mestre em Engenharia Civil

Uma das características dos transitórios hidráulicos é a presença de ar aprisionado durante a ocorrência do fenômeno. Se uma tabulação não estiver satisfatorimente projetada ou não for adequadamente cheia e purgada, grandes quantidades de ar poderão ficar aprisionadas. Caso esses bolsões se desloquem de um local para o outro, proporcionarão acelerações locais que resultam em altas velocidades e, subsequentemente, em altas pressões transitórias. As sobrepressões geradas podem ser de 2,2 vezes maiores que a pressão estática dos sistema, conforme verificou-se no estudo experimental. Dessa forma, há a necessidade do estabelecimento de metodologias de aplicação prática e segura (modelos rígido e elástico) que permitam estimar a magnitude das pressões transitórias, pois não há solução analítica para esse problema. No presente trabalho, apresentou-se uma adimensionalização do modelo elástico, com a incorporação de dois números adimensionais independentes (&#960 6 e &#960 7). No entanto, tais metodologias devem ser validas experimentalmente, haja visto que hipóteses simplificadoras de cálculo são necessárias para a modelagem matemática. O modelo rígido de coluna líquida variável (MCLV), além de fácil programação, é viável sem prejuízos nos resultados esperados . No estudo experimental foi também realizada uma análise de sensibilidade com relação aos fatores intervenientes no sistema hidráulico. / One of the reasons for the transient behavior is the presence of air confined during these alterations. When the pipes are not properly designed or if it is not completely full or air bleeding, large amounts of air may be confined in the system. Pockets of air can cause severe transient behavior if such pockets deslocate from one place to the other giving rise to local acceleration and consequently large velocities and pressures. The higher pressure may be of the order of 2,2 times the static pressure in the system, as it was confirmed by the experimental procedure. Thus, this paper considers pratical and safe procedure (rigid or elastic models) that permit calculation of transient pressures given that there is no analytical solution available. On the present study, it was presented a dimensionless form of the elastic model, with the incorporation of two aditional independent numbers (&#960 6 and &#960 7). Besides the easiness of programation, the rigid model of variable fluid column is viable without prejudice to the expected results. This study also conducts a sensitivity analysis on the various factors involved in the problem.

Neste trabalho é apresentada a análise do transitório hidráulico com a tensão de cisalhamento na parede do conduto forçado, tendo sido modelada por gradiente harmônico de pressão. É apresentada, também, a comparação dos resultados obtidos com a aplicação do método numérico de MacCormack com a utilização de fator de atrito em relação aos obtidos através da utilização de MacCormack com a introdução da tensão de cisalhamento modelada por gradiente harmônico de pressão, na análise de transitórios hidráulicos em condutos forçados. / This work presents the analysis of the Hydraulic Transient with wall shear stress on the pressurized flow modeled by harmonic Pressure Gradient. Appears also to compare results obtained with the application of the MacCormack numerical method with the use of friction factor with respect to those obtained through use of MacCormack with the introduction of wall shear stress on the pressurized flow modeled by harmonic Pressure Gradient in the analysis of hydraulic transients.

A ocorrência de elevados índices de perdas por vazamentos em sistemas de abastecimento de água é frequentemente ligada às inúmeras quebras de tubulações originadas em decorrência de elevados níveis de pressão atuantes. O controle efetivo de tais perdas requer a detecção e localização dos vazamentos para uma rápida reparação do sistema. Neste sentido, a consideração de análises hidráulicas no escoamento transitório tem se revelado especialmente útil aos propósitos de calibração e detecção de vazamentos. Tal análise pode revelar substancial quantidade de informações sobre as propriedades físicas e o nível de integridade do sistema, pois as ondas de pressão resultantes são afetadas pelos diversos dispositivos e fenômenos, incluindo os vazamentos. Assim, o presente trabalho visa o estudo dos transitórios hidráulicos para a calibração e detecção de vazamentos em modelos de sistemas de distribuição de água. Para tanto, são utilizados dados de redes hipotéticas e de laboratório, e modelos inversos resolvidos por métodos de busca global e local. Devido o emprego de tubos plásticos no circuito de laboratório, o clássico modelo da coluna elástica demonstrou-se ineficiente na reprodução do comportamento hidráulico de tal sistema. Resultados satisfatórios foram obtidos somente com um modelo hidráulico que considere o comportamento viscoelástico dos materiais dos tubos do circuito experimental. / The occurrence of large leakage losses in water supply systems has been frequently linked with pipe breaks resulting from high pressures levels in pipes. Efficient location of leakages is required in order to effectively control water losses and quickly repair the system. Analysis of hydraulic transients has been particularly useful for calibration and leak detection purposes. System observation for such analysis can reveal a substantial amount of information concerning physical properties and the integrity of the system, since water hammer waves are affected by different features and phenomena, including leaks. Thus, this research focuses on hydraulic transients for leak detection and calibration of water distribution system models. These objectives are achieved using data obtained from experiments performed on an experimental facility and numerical experiments on hypothetical networks. Inverse methods were based on both global and local search methods. Classic water hammer theory proved to be imprecise in describing the observed behavior of the hydraulic system composed of plastic pipes. Satisfactorily results were obtained with a hydraulic transient solver considering viscoelastic behavior of the pipe material.

Neste trabalho é apresentada a análise do transitório hidráulico com a tensão de cisalhamento na parede do conduto forçado, tendo sido modelada por gradiente harmônico de pressão. É apresentada, também, a comparação dos resultados obtidos com a aplicação do método numérico de MacCormack com a utilização de fator de atrito em relação aos obtidos através da utilização de MacCormack com a introdução da tensão de cisalhamento modelada por gradiente harmônico de pressão, na análise de transitórios hidráulicos em condutos forçados. / This work presents the analysis of the Hydraulic Transient with wall shear stress on the pressurized flow modeled by harmonic Pressure Gradient. Appears also to compare results obtained with the application of the MacCormack numerical method with the use of friction factor with respect to those obtained through use of MacCormack with the introduction of wall shear stress on the pressurized flow modeled by harmonic Pressure Gradient in the analysis of hydraulic transients.