Este trabalho se propõe a apresentar uma nova solução para o problema da dissolução de ar em reservatório hidropneumático. No capítulo introdutório são apresentadas informações e características sobre reservatório hidropneumático, sobretudo relacionadas ao seu funcionamento. Neste capítulo comenta-se sobre as principais soluções utilizadas para superar o problema da dissolução de ar. No segundo capítulo enumeram-se com detalhes os objetivos do trabalho. Na revisão da literatura são apresentadas diversas referências, relativas aos estudos do regime transitório e do comportamento do reservatório hidropneumático. No capítulo seguinte apresenta-se com detalhes a nova solução, que é o tema central desta tese. No capítulo 5 é feito o desenvolvimento do modelo matemático de cálculo de transitório, empregando o método das características, e estabelecendo as condições de contorno associadas a um reservatório hidropneumático convencional. No capítulo 6, estuda-se o fenômeno da dissolução de ar num reservatório hidropneumático. Através da elaboração de um equacionamento teórico e exemplos ilustrativos, a intenção é obter as equações que traduzam o mais próximo possível o que efetivamente ocorre dentro do reservatório em termos de transferência de massa de ar. O desenvolvimento dos capítulos 5 e 6 é importante, pois estabelecem as equações referentes a um reservatório hidropneumático convencional, que servirão de base para o desenvolvimento das equações correspondentes a um reservatório empregando a nova solução proposta. Isto é feito no capítulo 7. O capítulo 8 é referente aos testes realizados, onde são apresentados os resultados e as análises dos mesmos. Finalmente, entre muitas conclusões obtidas, há a clara constatação de que a solução proposta é viável, mas que, porém, o assunto não se esgotou, de forma que são feitas recomendações para trabalhos futuros. / This work proposes to present a new solution for the problem of the air dissolution in hydropneumatic reservoir. In the introductory chapter are presented information and characteristics about hydropneumatic reservoir, mainly the ones related to his operation. In this chapter it is commented about the main solutions used to overcome the problem of the air dissolution. In the second chapter the objectives of this work are presented. In the literature review several references are presented related to the studies of transitory regime and of the behavior of the hydropneumatic reservoir. In the following chapter it is presented with details the new solution, that is the central theme of this thesis. In chapter 5 the development of a mathematical model for calculation of transitory was made using the method of the characteristics, establishing the boundary conditions associated to a conventional hydropneumatic reservoir. In the chapter 6, the air dissolution phenomenon in a hydropneumatic reservoir is studied. Through the elaboration of theoretical equations and illustrative examples, the intention is to obtain the equations that translate the closest possible what occurs inside of the reservoir in terms of mass transfer of air. The development of the chapters 5 and 6 is important, because they establish the referring equations to a conventional hydropneumatic reservoir, which will serve as base for the development of equations corresponding to a reservoir using the new proposed solution. That is done in the chapter 7. Chapter 8 regards the tests accomplished, where the results and analyses of the same ones are presented. Finally, among many obtained conclusions, there is the clear verification that the proposed solution is viable, but that, however, the subject didn\'t become exhausted, so that there are made recommendations for future works.

O transiente hidráulico na adução de Pequenas Centrais Hidrelétricas (PCH) é um importante tema de estudo para a correta escolha e dimensionamento das estruturas de amortecimento, que protegem o circuito adutor da variação abrupta da pressão interna causada pela variação na velocidade média do escoamento. Este trabalho propõe a utilização da hidrodinâmica computacional (CFD) para avaliar a oscilação de massa ou nível d\'água no interior da estrutura de proteção denominada Chaminé de Equilíbrio e comparar esses resultados com a solução teórica analítica, com os critérios de dimensionamento definidos em norma técnica e com os dados de medições experimentais. O problema foi modelado no software Ansys CFX que utiliza o método dos volumes finitos (MVF) para resolver os campos de velocidade e pressão do escoamento, tanto em regime permanente, quanto em regime transiente. Aplicando-se o modelo CFD proposto ao circuito hidráulico didático, os resultados foram validados com a formulação teórica e com as medições experimentais do nível d\'água na chaminé. O modelo foi aplicado num estudo de caso que consiste num circuito hidráulico de PCH. Os resultados da oscilação de massa no interior da chaminé para este estudo de caso confirmam o emprego da fluidodinâmica computacional para avaliar tais escoamentos em regime transitório. / The hydraulic transient in the circuit of Small Hydroelectric Power Plants (SHP) is an important study subject for the correct choice and design of damping structure which protects the conduit from an abrupt variation of the internal pressure caused by the changes in the average flow velocity. This work proposes the use of computational fluid dynamics (CFD) to evaluate the mass oscillation or water level inside the protection structure called Surge Tank and compares these results with theory, design criteria defined by the technical standard, and experimental data. The problem was modeling in Ansys CFX software that uses the finite volume method (FVM) to solve velocity and pressure flow fields, in both steady state and transient flow. The proposed model used in a hydraulic circuit led to results validation with experimental measurements of water level surge tank. For the proposed case study, the response of the numerical CFD simulation confirms the use of computational fluid dynamics to evaluate such transient flows.

O transiente hidráulico na adução de Pequenas Centrais Hidrelétricas (PCH) é um importante tema de estudo para a correta escolha e dimensionamento das estruturas de amortecimento, que protegem o circuito adutor da variação abrupta da pressão interna causada pela variação na velocidade média do escoamento. Este trabalho propõe a utilização da hidrodinâmica computacional (CFD) para avaliar a oscilação de massa ou nível d\'água no interior da estrutura de proteção denominada Chaminé de Equilíbrio e comparar esses resultados com a solução teórica analítica, com os critérios de dimensionamento definidos em norma técnica e com os dados de medições experimentais. O problema foi modelado no software Ansys CFX que utiliza o método dos volumes finitos (MVF) para resolver os campos de velocidade e pressão do escoamento, tanto em regime permanente, quanto em regime transiente. Aplicando-se o modelo CFD proposto ao circuito hidráulico didático, os resultados foram validados com a formulação teórica e com as medições experimentais do nível d\'água na chaminé. O modelo foi aplicado num estudo de caso que consiste num circuito hidráulico de PCH. Os resultados da oscilação de massa no interior da chaminé para este estudo de caso confirmam o emprego da fluidodinâmica computacional para avaliar tais escoamentos em regime transitório. / The hydraulic transient in the circuit of Small Hydroelectric Power Plants (SHP) is an important study subject for the correct choice and design of damping structure which protects the conduit from an abrupt variation of the internal pressure caused by the changes in the average flow velocity. This work proposes the use of computational fluid dynamics (CFD) to evaluate the mass oscillation or water level inside the protection structure called Surge Tank and compares these results with theory, design criteria defined by the technical standard, and experimental data. The problem was modeling in Ansys CFX software that uses the finite volume method (FVM) to solve velocity and pressure flow fields, in both steady state and transient flow. The proposed model used in a hydraulic circuit led to results validation with experimental measurements of water level surge tank. For the proposed case study, the response of the numerical CFD simulation confirms the use of computational fluid dynamics to evaluate such transient flows.

Este trabalho se propõe a apresentar uma nova solução para o problema da dissolução de ar em reservatório hidropneumático. No capítulo introdutório são apresentadas informações e características sobre reservatório hidropneumático, sobretudo relacionadas ao seu funcionamento. Neste capítulo comenta-se sobre as principais soluções utilizadas para superar o problema da dissolução de ar. No segundo capítulo enumeram-se com detalhes os objetivos do trabalho. Na revisão da literatura são apresentadas diversas referências, relativas aos estudos do regime transitório e do comportamento do reservatório hidropneumático. No capítulo seguinte apresenta-se com detalhes a nova solução, que é o tema central desta tese. No capítulo 5 é feito o desenvolvimento do modelo matemático de cálculo de transitório, empregando o método das características, e estabelecendo as condições de contorno associadas a um reservatório hidropneumático convencional. No capítulo 6, estuda-se o fenômeno da dissolução de ar num reservatório hidropneumático. Através da elaboração de um equacionamento teórico e exemplos ilustrativos, a intenção é obter as equações que traduzam o mais próximo possível o que efetivamente ocorre dentro do reservatório em termos de transferência de massa de ar. O desenvolvimento dos capítulos 5 e 6 é importante, pois estabelecem as equações referentes a um reservatório hidropneumático convencional, que servirão de base para o desenvolvimento das equações correspondentes a um reservatório empregando a nova solução proposta. Isto é feito no capítulo 7. O capítulo 8 é referente aos testes realizados, onde são apresentados os resultados e as análises dos mesmos. Finalmente, entre muitas conclusões obtidas, há a clara constatação de que a solução proposta é viável, mas que, porém, o assunto não se esgotou, de forma que são feitas recomendações para trabalhos futuros. / This work proposes to present a new solution for the problem of the air dissolution in hydropneumatic reservoir. In the introductory chapter are presented information and characteristics about hydropneumatic reservoir, mainly the ones related to his operation. In this chapter it is commented about the main solutions used to overcome the problem of the air dissolution. In the second chapter the objectives of this work are presented. In the literature review several references are presented related to the studies of transitory regime and of the behavior of the hydropneumatic reservoir. In the following chapter it is presented with details the new solution, that is the central theme of this thesis. In chapter 5 the development of a mathematical model for calculation of transitory was made using the method of the characteristics, establishing the boundary conditions associated to a conventional hydropneumatic reservoir. In the chapter 6, the air dissolution phenomenon in a hydropneumatic reservoir is studied. Through the elaboration of theoretical equations and illustrative examples, the intention is to obtain the equations that translate the closest possible what occurs inside of the reservoir in terms of mass transfer of air. The development of the chapters 5 and 6 is important, because they establish the referring equations to a conventional hydropneumatic reservoir, which will serve as base for the development of equations corresponding to a reservoir using the new proposed solution. That is done in the chapter 7. Chapter 8 regards the tests accomplished, where the results and analyses of the same ones are presented. Finally, among many obtained conclusions, there is the clear verification that the proposed solution is viable, but that, however, the subject didn\'t become exhausted, so that there are made recommendations for future works.

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / Elevados nÃveis de pressÃo provocados pelo desligamento de bombas sÃo responsÃveis pelo elevado Ãndice de danos estruturais em adutoras. Um controle efetivo destas perdas requer um melhor dimensionamento do sistema ou dos dispositivos de atenuaÃÃo do golpe de arÃete. Esse ajuste depende das formulaÃÃes propostas para as equaÃÃes de continuidade e momento do golpe de arÃete. Neste sentido, a consideraÃÃo de modelos mais precisos tem se revelado Ãtil para o dimensionamento de sistemas hidrÃulicos. Muitas anÃlises tÃm sido feitas para transientes provocados por fechamento ou abertura de vÃlvulas, mas poucos avanÃos tÃm sido feitos na anÃlise de transientes provocados pelo desligamento de bombas. Assim, o principal objetivo deste trabalho à implementar um programa computacional que leve em consideraÃÃo formulaÃÃes de fator de atrito variÃvel e comportamento mecÃnico de condutos plÃsticos em transientes provocados por desligamento de bomba em adutoras. Resultados satisfatÃrios foram obtidos para um modelo hidrÃulico que considere o comportamento viscoelÃstico dos tubos. Os modelos de atrito variÃvel nÃo apresentaram resultados satisfatÃrios para esse tipo de evento transiente. / Elevated pressures caused by sudden and unexpected shutdown of pumps are usually responsible for structural damage in water pipes. An effective control of these losses requires an adequate designing of system or devices whose purpose is relieving the water hammer effects. This adjustment depends on the proposed formulations for the equations of continuity and momentum of the water hammer phenomenon. In this sense, the consideration of more accurate models has been useful for the designing of hydraulic systems. Many analyses have been made for transients caused by opening or closing of valves, but little progress has been made in the analysis of transients caused by sudden and unexpected shutdown of pumps. Thus, the main objective of this work is to implement a computational program that takes into consideration formulations of variable friction term and mechanical behavior of plastic pipes in transients caused by sudden pump shutdown in water pipe. Satisfactory results were obtained for a hydraulic model that considers the viscoelastic behavior of the pipes. The variable friction models showed no satisfactory results for this type of transient event.

The standard design approach of water distribution systems requires that pressure at any point in the system is maintained within a range whereby the maximum pressure is not exceeded so that the likelihood of a pipe burst is reduced and the minimum pressure is always maintained or exceeded to ensure adequate flows for satisfying expected demands. High pressure systems tend to cause more frequent pipe breaks and an increase in energy use and leakage. Low pressure systems cause consumer complaints, make the system more susceptible to negative pressures, and possibly to the ingress of contaminants during transient events. The overall goal of establishing pressure standards is to balance these opposing tendencies to achieve a safe, reliable, and economic operation of the system. Yet, there are no universally acceptable or established rules or guidelines for establishing a pressure standard for water distribution system design, and few studies have considered whether the traditional standards are still applicable in modern systems. This study has made a critical appraisal on what pressure standards mean, where they are violated, and where they need revision to achieve a comprehensive picture about what the pressure standards really mean. The research also highlights the inter-related issues associated with pressure criteria. Assessment of the relationships governing water pressure, leakage, energy use and economics is realized via the analytical investigation of single pipes and the simulation of representative networks using the steady state analysis software EPANET 2. The role of minimum pressure standards, storage, pumping strategy, and resource prices on the energy and water loss of systems is analysed and assessed. In anticipation that pressure contributes to pipe break rates, a probabilistic approach considering uncertain water demand and pipe’s roughness modeled with a Monte Carlo simulation (MCS) algorithm is presented. This study also explores how the minimum pressure standards affect transient pressures and reviews how destructive transient pressures may be controlled to limit reduced pressure surges within acceptable limits even when the minimum steady state pressure is relatively low. In order to place the research in practical context, this study develops a surge limit control algorithm for the design of a portable device for limiting the down-surge pressures by creating a pressure control boundary in a pipe system during hydrant operations. This boundary is established using the portable control device to safely operate a hydrant in a water distribution system. This study also highlights the notion that high level of pressure standards may lead to a troublesome squandering of water and energy and may disrupt the performance of water distribution systems. Given the too often degraded nature of water supply infrastructures, the on-going challenges of urban growth, and the increased stress on natural resources, the significant benefits of better controlling water pressure are not only welcome but urgently needed. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)

FundaÃÃo Cearense de Apoio ao Desenvolvimento Cientifico e TecnolÃgico / Neste trabalho foram realizadas simulaÃÃes do transiente hidrÃulico com vÃlvula antecipadora de onda com abertura e fechamento completo e nÃo instantÃneo, como mecanismo de alÃvio para o golpe de arÃete. A vÃlvula deve situar-se prÃximo ao conjunto motor-bomba. Assim, a vÃlvula antecipadora serà aplicada ao segundo nà das adutoras consideradas, utilizando-se para o cÃlculo o software UFC6, produzido no Grupo de Estudos em HidrÃulica Computacional da Universidade Federal do CearÃ. A vÃlvula antecipadora de onda inicia sua abertura quando a pressÃo mÃnima de regulagem à excedida, logo apÃs a passagem da onda de baixa pressÃo. O fluido expulso deve ser disposto em um manancial, ou armazenado em um reservatÃrio que comporte todo esse volume. Neste trabalho, a vÃlvula antecipadora de onda à modelada utilizando a Ãgua como fluido. O fluido (Ãgua) à expulso segundo um modelo de descarga com pressÃo externa atmosfÃrica. As simulaÃÃes aqui descritas utilizam o mÃtodo das caracterÃsticas. Devido à falta de estudos nessa Ãrea, este trabalho visa contribuir para o dimensionamento de vÃlvulas antecipadora de onda e servir como base para trabalhos subsequentes. / In this work was made Hydraulic Transient simulations with anticipation valve with opening and closing complete and non-instantaneous, as a mechanism of relief for water hammer. The valve must be located near the pump. Thus in this work, the valve in advance shall be applied to the second node of the pipelines in question. The software UFC6 was used for estimates the Transient and was produced by the Study Group on Computational Fluid of UFC. Anticipation is a mechanism for relief from water hammer that starts opening when the low pressure of regulation is exceeded, after the passage of the wave of low pressure. The fluid expelled must be placed on a spring or stored in a reservoir in order to accommodate the volume of fluid to be expelled. In this work, the Anticipation Valve is modeling into the water as a fluid. It uses the method of characteristics for simulations. Due to the lack of studies in this area, this research aims to contribute to the design of anticipation valves and a basis for further work.

O estudo de redes hidrÃulicas para fins de operaÃÃo ou anÃlise de viabilidade para ampliaÃÃo ou recuperaÃÃo das mesmas à iniciado pela calibraÃÃo, neste contexto, entendida como identificaÃÃo de parÃmetros tais como: fator de atrito, rugosidade e diÃmetro. O MÃtodo Transiente Inverso em conjunto com Algoritmo genÃtico se mostra eficiente nessa tarefa. O referido mÃtodo emprega o MÃtodo das CaracterÃsticas na soluÃÃo das equaÃÃes de movimento para escoamento transiente em tubos de redes e a otimizaÃÃo das soluÃÃes à baseada na Teoria Evolutiva e avaliada por uma funÃÃo objetivo, que neste estudo à o somatÃrio do mÃdulo da diferenÃa entre as cargas medidas e calculadas pelo modelo para cada conjunto de soluÃÃes. Considerando que o objetivo do desenvolvimento de modelos matemÃticos para a calibraÃÃo de redes hipotÃticas à a utilizaÃÃo dos mesmos em redes reais, e que nessas, a coleta de dados de carga està sujeita a erros de mediÃÃo, seja devido a defeitos nos equipamentos seja por condiÃÃes ambiente desfavorÃveis ou outros efeitos aleatÃrios e tendo em vista a relevÃncia dos fatores de atrito nas tubulaÃÃes, pela sua relaÃÃo com perdas de carga que devem ser controladas para um Ãtimo funcionamento de redes, garantindo um abastecimento contÃnuo em quantidade e condiÃÃes de funcionamento adequados, este trabalho propÃe-se a verificar a interferÃncia da presenÃa de erros de mediÃÃo de carga transiente na identificaÃÃo dos fatores de atrito em duas redes hidrÃulicas hipotÃticas. As mesmas sÃo de portes diferentes com relaÃÃo ao nÃmero de anÃis, nÃs e tubos. Ambas sÃo alimentadas por um reservatÃrio cada. As condiÃÃes transientes sÃo atribuÃdas a uma manobra de vÃlvula instalada em um dos nÃs de cada rede. A coleta de dados de carga à restrita a 20% dos nÃs de cada rede, sendo que um deles à o nà onde se encontra a vÃlvula. O tempo de observaÃÃo do transiente hidrÃulico à restrito ao tempo da manobra de vÃlvula, 20s, e ocorre em intervalos de 0,1s, resultando em 200 registros de carga. A condiÃÃo permanente das redes à inicialmente desconhecida o conhecimento acerca da mesma à restrito a carga nos reservatÃrios e demandas nos nÃs, bem como diÃmetros dos tubos, os fatores de atrito sÃo inicialmente estipulados. A determinaÃÃo das condiÃÃes permanente e transiente bem como a identificaÃÃo dos fatores de atrito à realizada com a utilizaÃÃo de um modelo hidrÃulico e geram cargas transientes que sÃo consideradas convencionalmente verdadeiras, essas entÃo recebem incrementos de diversos erros sistemÃticos e aleatÃrios, que geram novas cargas e essas sÃo consideradas coletadas com erros de mediÃÃo. A partir dessas novas cargas sÃo realizadas identificaÃÃes de fatores de atrito, os quais sÃo comparados com os que foram obtidos considerando um caso ideal de cargas sem erros de mediÃÃo. A referida comparaÃÃo à realizada atravÃs do Erro MÃdio Relativo e da FunÃÃo Objetivo Ãtima. Os resultados encontrados demonstram que os erros de mediÃÃo interferem na identificaÃÃo dos fatores de atrito apesar de nÃo ser possÃvel delinear uma relaÃÃo entre os mesmos. / The study of hydraulic networks for operation purposes or viability analysis for extension or renovation of the same is started the calibration in this context understood as identification parameters, such as friction coefficient, surface roughness and diameter. The Transient Inverse Method in conjunction with genetic algorithm is efficient in this task shows. This method employs the method of characteristics in the solution of the equations of motion for transient flow in networks of pipes and the optimization of solutions is based on Evolutionary Theory and evaluated by an objective function, which in this study is the sum of the difference between the module loads measured and calculated by the model for each set of solutions. Whereas the objective of the development of mathematical models for calibration hypothetical networks is their use in real networks, and that these, the collection of payload data is subject to measurement errors, is due to defects in the equipment or by conditions unfavorable environment or other random effects and taking into account the relevance of friction factors in pipelines, by their relationship to head losses that must be controlled to a great operation of networks, ensuring a continuous supply in quantity and appropriate operating conditions, this work is proposed to verify the influence of the presence of transient load measurement errors in the identification of friction factors in two hypothetical hydraulic networks. They are of different sizes with the number of rings, knots and tubes. Both are each fed by a reservoir. The transient conditions are assigned to a valve maneuver installed in one of the nodes of each network. The load data collection is restricted to 20% of the nodes in each network, one of which is the node where the valve is located. The hydraulic transient observation time is restricted to the valve maneuver time, 20s, and occurs at intervals of 0.1s, resulting in 200 charge records. The permanent condition of networks is initially unknown knowledge about the same is restricted to load in the reservoirs and demands on us as well as pipe diameter, the friction factors are initially stipulated. The determination of the permanent and transient conditions and the identification of the friction factors is performed using a hydraulic model and generate transient loads which are conventionally considered true, then these various steps of receiving systematic and random errors, which generate new burdens and these are considered collected with measurement errors. From these new loads are carried IDs friction factors, which are compared with those obtained considering an ideal case with no measurement errors loads. This comparison is performed using the mean relative error and function great goal. The results show that measurement errors in the identification of interfering friction factors although not possible to draw a relationship between them.

A ventosa de trÃplice funÃÃo atua na admissÃo e/ou expulsÃo de ar contido na tubulaÃÃo, protegendo tubulaÃÃo e equipamentos contra os efeitos decorrentes do acÃmulo de ar e golpe de arÃete. AtravÃs do orifÃcio cinÃtico, ela admite grande quantidade de ar quando a pressÃo no interior da tubulaÃÃo torna-se inferior à atmosfÃrica, e expulsa ar apÃs a separaÃÃo da coluna a uma pressÃo superior à atmosfÃrica. Na regiÃo de admissÃo de ar, a ventosa com orifÃcio âNon Slamâ admite grande volume de ar atravÃs do orifÃcio cinÃtico, e inicia a expulsÃo de ar, atravÃs do mesmo orifÃcio. A partir de um determinado valor de pressÃo positiva, o orifÃcio cinÃtico à fechado e abre-se um orifÃcio de menor diÃmetro, chamado de orifÃcio de "Non Slam", amortecendo, assim, o choque das colunas lÃquidas que estavam separadas. Neste trabalho, propÃe-se uma metodologia para o cÃlculo dos coeficientes de admissÃo e expulsÃo de ar no regime transiente a partir das curvas disponibilizadas pelos fabricantes. O trabalho visa minimizar a falta de informaÃÃes experimentais sobre as ventosas com base nas curvas dos fabricantes para a determinaÃÃo dos coeficientes de admissÃo e expulsÃo de ar. Nesse estudo nÃs comparamos o efeito de se usar um Ãnico coeficiente de descarga de ar para entrada e outro Ãnico para a saÃda de ar versus considerar a variaÃÃo desses coeficientes de descarga à medida que as pressÃes variam. O programa computacional UFC7, escrito em Java, implementa o transiente hidrÃulico com suas condiÃÃes de contorno. / sucker triple function acts on admission and / or expulsion of air in the pipe, protecting piping and equipment against the effects of air and accumulation water hammer. Through kinetic hole, she admits lot of air when the pressure inside the pipe becomes lower than atmospheric, and expels air after separation column at a superatmospheric pressure. The inlet region air, the suction orifice "Non slam" admits large volume of air through the orifice Kinetic and starts expelling air through the same hole. From a certain Positive pressure value, the kinetic orifice is closed and opens a lower orifice diameter hole called "Non slam", cushioning, thus, the shock of columns they were separated liquid. In this paper, we propose a methodology for calculating the admission rates and expulsion of air in transient from the curves provided by the manufacturers. The work aims to minimize the lack of information Experimental suction cups on the basis of the curves for the determination of makers the admission rates and expulsion of air. In this study we compared the effect of using a single air discharge coefficient for input and another for output only Air versus consider the variation of these coefficients discharge pressures as range. The UFC7 computer program written in Java, implements the transient Hydraulic with its boundary conditions