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.

As expectativas dinâmicas de um mundo de inovações tecnológicas, consubstanciados por explorações menos agressivas ao meio ambiente, dirigidas a um mercado consumista emergente, representam desafios para soluções de problemas de engenharia dirigidos para diversos segmentos da sociedade. Com o desenvolvimento do concreto compactado com rolo (CCR), a partir dos anos 70, o emprego de vertedouros em degraus em barragens de gravidade tornou-se uma solução atrativa, visto que, proporciona, simultaneamente, o aumento da dissipação da energia do escoamento e a redução do tempo e dos custos de implantação dessas obras. Atualmente, têm-se usado como restrições ao seu emprego de vertedouros em degraus valores máximos de vazões específicas que, sem um limite consensual, vêm tolhendo suas potencialidades. A macrorugosidade da calha acelera o processo de aeração do escoamento, se comparado com um vertedouro de soleira lisa, protegendo, para a zona aerada, os degraus contra erosão por cavitação. Entretanto, para o trecho não aerado do escoamento, existem riscos desse processo se estabelecer. As descontinuidades da fronteira sólida propiciam a sucessiva separação da camada limite nos cantos externos dos degraus. Nessa região são geradas pressões muito baixas. O presente estudo, realizado no Instituto de Pesquisas Hidráulicas, objetivou, através de medições experimentais, descrever, caracterizar e modelar pressões hidrodinâmicas nas soleiras dos degraus, estabelecendo limites para incipiência à cavitação no trecho não-aerado do escoamento. Três calhas escalonadas com declividade 1V:0,75H e alturas de degraus iguais a 0,03 m; 0,06 m e 0,09 m foram projetadas e construídas para a investigação. As amostras de pressões registradas com transmissores de pressão a 50 Hz e duração de 3minutos e 12 horas possibilitaram caracterizar o campo de pressão identificando zonas críticas, bem como, avaliando o comportamento estatístico dessas solicitações. As maiores flutuações de pressões foram registradas nas extremidades externas dos degraus e na seção de afloramento da camada limite, chegando a valores negativos de 0,69 vezes a distância vertical entre a crista e a seção analisada. Determinaram-se freqüências dominantes compreendidas entre 7-18 Hz, com valores máximos situados nos patamares dosdegraus. Os números adimensionais de Strouhal, calculados com as freqüências predominantes e as profundidades equivalente do escoamento, diminuíram de 0,40 a 0,04 no sentido do fluxo. Quanto aos limites de incipiência à cavitação, as vazões especificas mais restritivas ao emprego de vertedouros em degraus ficaram na faixa entre 11,3 e 15,6 m²/s com velocidades médias da ordem de 17 m/s, obtidas para a seção de afloramento da camada limite. / Hydraulic researchers have to accomplish the technological and construction materials innovations to new security design project criteria compatible to low costs requirement. At 70’s years, with the development of the Roller Compact Concrete (RCC), the use of stepped spillways has become an attractive solution for gravity dams. In steeply sloping stepped spillways, the large step macro-roughness promotes the occurrence of negative pressures on the step cavity, particularly near the external edge of the vertical step face. Consequently one may expect the occurrence of sub-atmospheric pressure conditions capable to induce cavitation for velocities lower than those observed in smooth chute spillways. Predicting cavitation damage is more complex than predicting cavitation inception. Flow conditions leading to the onset of cavitation are generally conservative in predicting damage. The severity of damage that may be expected is related both to intensity of cavitation and time of exposure. There is still no consensus on the maximum unit discharge or flow velocity which assures cavitation safe design of stepped spillways.The study carried through in the Institute of Hydraulic Research (UFRGS - Brazil), had the main goal: described, characterized and modeled experimental measurements of hydrodynamic pressures on the faces of the steps and established limits of incipient cavitation. Three stepped chutes with declivity 1V:0.75H and 0.03 m; 0.06 m and 0.09 m steps heights were projected. The samples of pressures were registered with pressure transmitters with 50 Hz and 3 minutes duration. Long-duration test were also conducted (12 hours sample size) that permitted characterize the pressure field, identifying critical zones, as well as, evaluating its statistical behaviour. The largest fluctuating pressures had been registered in the outer corner on the steps and at the inception point of air entrainment. At this last position can be expected negative pressure values close to 0.69 times the vertical distance between the crest and the analyzed section. The dominant frequencies found varied between 7-18 Hz. The dimensionless number of Strouhal calculated with the predominant frequencies and the clear equivalent depth, had diminished of 0.40 the 0.04 in the direction of the flow. The pressure measurements indicated specific discharge between 11.3-15.6 m²/s and average velocity in order of 17 m/s to inception cavitation process near the inception point.

O uso de comportas ou válvulas em condutos para efetuar o controle de fluxo em estruturas hidráulicas é bastante usual. Uma das aplicações deste tipo de dispositivo de controle de vazões é para fazer o enchimento e esvaziamento de câmaras de eclusas de navegação. Entretanto, a sua aplicação deve ser feita com cuidado em função da complexidade do escoamento, o qual pode apresentar grandes variações de velocidade e pressões junto à base e ao teto da galeria a jusante da comporta. O gradiente de pressão pode variar no tempo e no espaço podendo vir a ocasionar danos por erosão (desgaste) e/ou cavitação. Assim, torna-se fundamental obter critérios para a estimativa de previsão do valor dessas pressões para, então, poder inferir a possibilidade de danos junto à superfície sólida, permitindo que se determinem as condições críticas de operação que devem ser evitadas ou minimizadas durante as operações de esvaziamento ou de enchimento da câmara da eclusa. Esta pesquisa procura apresentar o estado da arte em relação à distribuição longitudinal das pressões a jusante de comportas tipo segmento invertida e os resultados e análises desenvolvidas em um modelo físico de laboratório. Estes estudos permitiram compreender o comportamento das pressões e verificar se o método sugerido por Batistton (2013), para estimar os valores da distribuição longitudinal das pressões junto à base e o teto da galeria a jusante da comporta, podem ser aplicados para todas as aberturas da comporta. As análises desenvolvidas consentiram observar que as situações críticas ocorrem para aberturas entre 40% e 60% e que as pressões mínimas ocorrem em uma distância adimensional ( ) em torno de 2 a 6. Destaca-se que todos os resultados apresentados na presente pesquisa são válidos para coeficiente de pressão média para abertura de 100% da comporta, CP* 100%, entre 2,8 e 65,9. / The practice of using of gates or valves in conduits to control the flow in hydraulic structures is a common one. One of the applications for this type of device is the flow control for filling and emptying navigation locks. However proper care should be taken when applying those due to the inherit complexity of the flows, which can present significant pressure and velocity fluctuation in the regions next to the floor and ceiling downstream of these gates. Fluctuations in the pressure gradients can cause damage by erosion and/or cavitation. For these reasons its of interest the understanding of criteria for the estimative of those pressures to then infer the possibility of damage in the solid boundaries, allowing the determination of critical operation conditions which to avoid or minimize during the emptying and filling operations of lock chambers. This research aims to present the state of art regarding the longitudinal pressure distribution downstream of inverted tainter gates and the results of experimental data obtained in a physical model. These study allowed to comprehend the behavior of the aforementioned pressures and to verify the method proposed by Battiston (2013) to estimate longitudinal pressure distributions next to the ceiling and floor of those types of structures. The developed analysis showed that the critical conditions occur in between the 40% and 60% opening and that the minimum pressures occur in between a dimensionless distance (Ladm) 2 and 6. The presented results are valid for a mean pressure coefficient of 100% gate opening, CP*100%, between 2,81 and 65,9.

As expectativas dinâmicas de um mundo de inovações tecnológicas, consubstanciados por explorações menos agressivas ao meio ambiente, dirigidas a um mercado consumista emergente, representam desafios para soluções de problemas de engenharia dirigidos para diversos segmentos da sociedade. Com o desenvolvimento do concreto compactado com rolo (CCR), a partir dos anos 70, o emprego de vertedouros em degraus em barragens de gravidade tornou-se uma solução atrativa, visto que, proporciona, simultaneamente, o aumento da dissipação da energia do escoamento e a redução do tempo e dos custos de implantação dessas obras. Atualmente, têm-se usado como restrições ao seu emprego de vertedouros em degraus valores máximos de vazões específicas que, sem um limite consensual, vêm tolhendo suas potencialidades. A macrorugosidade da calha acelera o processo de aeração do escoamento, se comparado com um vertedouro de soleira lisa, protegendo, para a zona aerada, os degraus contra erosão por cavitação. Entretanto, para o trecho não aerado do escoamento, existem riscos desse processo se estabelecer. As descontinuidades da fronteira sólida propiciam a sucessiva separação da camada limite nos cantos externos dos degraus. Nessa região são geradas pressões muito baixas. O presente estudo, realizado no Instituto de Pesquisas Hidráulicas, objetivou, através de medições experimentais, descrever, caracterizar e modelar pressões hidrodinâmicas nas soleiras dos degraus, estabelecendo limites para incipiência à cavitação no trecho não-aerado do escoamento. Três calhas escalonadas com declividade 1V:0,75H e alturas de degraus iguais a 0,03 m; 0,06 m e 0,09 m foram projetadas e construídas para a investigação. As amostras de pressões registradas com transmissores de pressão a 50 Hz e duração de 3minutos e 12 horas possibilitaram caracterizar o campo de pressão identificando zonas críticas, bem como, avaliando o comportamento estatístico dessas solicitações. As maiores flutuações de pressões foram registradas nas extremidades externas dos degraus e na seção de afloramento da camada limite, chegando a valores negativos de 0,69 vezes a distância vertical entre a crista e a seção analisada. Determinaram-se freqüências dominantes compreendidas entre 7-18 Hz, com valores máximos situados nos patamares dosdegraus. Os números adimensionais de Strouhal, calculados com as freqüências predominantes e as profundidades equivalente do escoamento, diminuíram de 0,40 a 0,04 no sentido do fluxo. Quanto aos limites de incipiência à cavitação, as vazões especificas mais restritivas ao emprego de vertedouros em degraus ficaram na faixa entre 11,3 e 15,6 m²/s com velocidades médias da ordem de 17 m/s, obtidas para a seção de afloramento da camada limite. / Hydraulic researchers have to accomplish the technological and construction materials innovations to new security design project criteria compatible to low costs requirement. At 70’s years, with the development of the Roller Compact Concrete (RCC), the use of stepped spillways has become an attractive solution for gravity dams. In steeply sloping stepped spillways, the large step macro-roughness promotes the occurrence of negative pressures on the step cavity, particularly near the external edge of the vertical step face. Consequently one may expect the occurrence of sub-atmospheric pressure conditions capable to induce cavitation for velocities lower than those observed in smooth chute spillways. Predicting cavitation damage is more complex than predicting cavitation inception. Flow conditions leading to the onset of cavitation are generally conservative in predicting damage. The severity of damage that may be expected is related both to intensity of cavitation and time of exposure. There is still no consensus on the maximum unit discharge or flow velocity which assures cavitation safe design of stepped spillways.The study carried through in the Institute of Hydraulic Research (UFRGS - Brazil), had the main goal: described, characterized and modeled experimental measurements of hydrodynamic pressures on the faces of the steps and established limits of incipient cavitation. Three stepped chutes with declivity 1V:0.75H and 0.03 m; 0.06 m and 0.09 m steps heights were projected. The samples of pressures were registered with pressure transmitters with 50 Hz and 3 minutes duration. Long-duration test were also conducted (12 hours sample size) that permitted characterize the pressure field, identifying critical zones, as well as, evaluating its statistical behaviour. The largest fluctuating pressures had been registered in the outer corner on the steps and at the inception point of air entrainment. At this last position can be expected negative pressure values close to 0.69 times the vertical distance between the crest and the analyzed section. The dominant frequencies found varied between 7-18 Hz. The dimensionless number of Strouhal calculated with the predominant frequencies and the clear equivalent depth, had diminished of 0.40 the 0.04 in the direction of the flow. The pressure measurements indicated specific discharge between 11.3-15.6 m²/s and average velocity in order of 17 m/s to inception cavitation process near the inception point.

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.

O uso de comportas ou válvulas em condutos para efetuar o controle de fluxo em estruturas hidráulicas é bastante usual. Uma das aplicações deste tipo de dispositivo de controle de vazões é para fazer o enchimento e esvaziamento de câmaras de eclusas de navegação. Entretanto, a sua aplicação deve ser feita com cuidado em função da complexidade do escoamento, o qual pode apresentar grandes variações de velocidade e pressões junto à base e ao teto da galeria a jusante da comporta. O gradiente de pressão pode variar no tempo e no espaço podendo vir a ocasionar danos por erosão (desgaste) e/ou cavitação. Assim, torna-se fundamental obter critérios para a estimativa de previsão do valor dessas pressões para, então, poder inferir a possibilidade de danos junto à superfície sólida, permitindo que se determinem as condições críticas de operação que devem ser evitadas ou minimizadas durante as operações de esvaziamento ou de enchimento da câmara da eclusa. Esta pesquisa procura apresentar o estado da arte em relação à distribuição longitudinal das pressões a jusante de comportas tipo segmento invertida e os resultados e análises desenvolvidas em um modelo físico de laboratório. Estes estudos permitiram compreender o comportamento das pressões e verificar se o método sugerido por Batistton (2013), para estimar os valores da distribuição longitudinal das pressões junto à base e o teto da galeria a jusante da comporta, podem ser aplicados para todas as aberturas da comporta. As análises desenvolvidas consentiram observar que as situações críticas ocorrem para aberturas entre 40% e 60% e que as pressões mínimas ocorrem em uma distância adimensional ( ) em torno de 2 a 6. Destaca-se que todos os resultados apresentados na presente pesquisa são válidos para coeficiente de pressão média para abertura de 100% da comporta, CP* 100%, entre 2,8 e 65,9. / The practice of using of gates or valves in conduits to control the flow in hydraulic structures is a common one. One of the applications for this type of device is the flow control for filling and emptying navigation locks. However proper care should be taken when applying those due to the inherit complexity of the flows, which can present significant pressure and velocity fluctuation in the regions next to the floor and ceiling downstream of these gates. Fluctuations in the pressure gradients can cause damage by erosion and/or cavitation. For these reasons its of interest the understanding of criteria for the estimative of those pressures to then infer the possibility of damage in the solid boundaries, allowing the determination of critical operation conditions which to avoid or minimize during the emptying and filling operations of lock chambers. This research aims to present the state of art regarding the longitudinal pressure distribution downstream of inverted tainter gates and the results of experimental data obtained in a physical model. These study allowed to comprehend the behavior of the aforementioned pressures and to verify the method proposed by Battiston (2013) to estimate longitudinal pressure distributions next to the ceiling and floor of those types of structures. The developed analysis showed that the critical conditions occur in between the 40% and 60% opening and that the minimum pressures occur in between a dimensionless distance (Ladm) 2 and 6. The presented results are valid for a mean pressure coefficient of 100% gate opening, CP*100%, between 2,81 and 65,9.

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.

As expectativas dinâmicas de um mundo de inovações tecnológicas, consubstanciados por explorações menos agressivas ao meio ambiente, dirigidas a um mercado consumista emergente, representam desafios para soluções de problemas de engenharia dirigidos para diversos segmentos da sociedade. Com o desenvolvimento do concreto compactado com rolo (CCR), a partir dos anos 70, o emprego de vertedouros em degraus em barragens de gravidade tornou-se uma solução atrativa, visto que, proporciona, simultaneamente, o aumento da dissipação da energia do escoamento e a redução do tempo e dos custos de implantação dessas obras. Atualmente, têm-se usado como restrições ao seu emprego de vertedouros em degraus valores máximos de vazões específicas que, sem um limite consensual, vêm tolhendo suas potencialidades. A macrorugosidade da calha acelera o processo de aeração do escoamento, se comparado com um vertedouro de soleira lisa, protegendo, para a zona aerada, os degraus contra erosão por cavitação. Entretanto, para o trecho não aerado do escoamento, existem riscos desse processo se estabelecer. As descontinuidades da fronteira sólida propiciam a sucessiva separação da camada limite nos cantos externos dos degraus. Nessa região são geradas pressões muito baixas. O presente estudo, realizado no Instituto de Pesquisas Hidráulicas, objetivou, através de medições experimentais, descrever, caracterizar e modelar pressões hidrodinâmicas nas soleiras dos degraus, estabelecendo limites para incipiência à cavitação no trecho não-aerado do escoamento. Três calhas escalonadas com declividade 1V:0,75H e alturas de degraus iguais a 0,03 m; 0,06 m e 0,09 m foram projetadas e construídas para a investigação. As amostras de pressões registradas com transmissores de pressão a 50 Hz e duração de 3minutos e 12 horas possibilitaram caracterizar o campo de pressão identificando zonas críticas, bem como, avaliando o comportamento estatístico dessas solicitações. As maiores flutuações de pressões foram registradas nas extremidades externas dos degraus e na seção de afloramento da camada limite, chegando a valores negativos de 0,69 vezes a distância vertical entre a crista e a seção analisada. Determinaram-se freqüências dominantes compreendidas entre 7-18 Hz, com valores máximos situados nos patamares dosdegraus. Os números adimensionais de Strouhal, calculados com as freqüências predominantes e as profundidades equivalente do escoamento, diminuíram de 0,40 a 0,04 no sentido do fluxo. Quanto aos limites de incipiência à cavitação, as vazões especificas mais restritivas ao emprego de vertedouros em degraus ficaram na faixa entre 11,3 e 15,6 m²/s com velocidades médias da ordem de 17 m/s, obtidas para a seção de afloramento da camada limite. / Hydraulic researchers have to accomplish the technological and construction materials innovations to new security design project criteria compatible to low costs requirement. At 70’s years, with the development of the Roller Compact Concrete (RCC), the use of stepped spillways has become an attractive solution for gravity dams. In steeply sloping stepped spillways, the large step macro-roughness promotes the occurrence of negative pressures on the step cavity, particularly near the external edge of the vertical step face. Consequently one may expect the occurrence of sub-atmospheric pressure conditions capable to induce cavitation for velocities lower than those observed in smooth chute spillways. Predicting cavitation damage is more complex than predicting cavitation inception. Flow conditions leading to the onset of cavitation are generally conservative in predicting damage. The severity of damage that may be expected is related both to intensity of cavitation and time of exposure. There is still no consensus on the maximum unit discharge or flow velocity which assures cavitation safe design of stepped spillways.The study carried through in the Institute of Hydraulic Research (UFRGS - Brazil), had the main goal: described, characterized and modeled experimental measurements of hydrodynamic pressures on the faces of the steps and established limits of incipient cavitation. Three stepped chutes with declivity 1V:0.75H and 0.03 m; 0.06 m and 0.09 m steps heights were projected. The samples of pressures were registered with pressure transmitters with 50 Hz and 3 minutes duration. Long-duration test were also conducted (12 hours sample size) that permitted characterize the pressure field, identifying critical zones, as well as, evaluating its statistical behaviour. The largest fluctuating pressures had been registered in the outer corner on the steps and at the inception point of air entrainment. At this last position can be expected negative pressure values close to 0.69 times the vertical distance between the crest and the analyzed section. The dominant frequencies found varied between 7-18 Hz. The dimensionless number of Strouhal calculated with the predominant frequencies and the clear equivalent depth, had diminished of 0.40 the 0.04 in the direction of the flow. The pressure measurements indicated specific discharge between 11.3-15.6 m²/s and average velocity in order of 17 m/s to inception cavitation process near the inception point.

O uso de comportas ou válvulas em condutos para efetuar o controle de fluxo em estruturas hidráulicas é bastante usual. Uma das aplicações deste tipo de dispositivo de controle de vazões é para fazer o enchimento e esvaziamento de câmaras de eclusas de navegação. Entretanto, a sua aplicação deve ser feita com cuidado em função da complexidade do escoamento, o qual pode apresentar grandes variações de velocidade e pressões junto à base e ao teto da galeria a jusante da comporta. O gradiente de pressão pode variar no tempo e no espaço podendo vir a ocasionar danos por erosão (desgaste) e/ou cavitação. Assim, torna-se fundamental obter critérios para a estimativa de previsão do valor dessas pressões para, então, poder inferir a possibilidade de danos junto à superfície sólida, permitindo que se determinem as condições críticas de operação que devem ser evitadas ou minimizadas durante as operações de esvaziamento ou de enchimento da câmara da eclusa. Esta pesquisa procura apresentar o estado da arte em relação à distribuição longitudinal das pressões a jusante de comportas tipo segmento invertida e os resultados e análises desenvolvidas em um modelo físico de laboratório. Estes estudos permitiram compreender o comportamento das pressões e verificar se o método sugerido por Batistton (2013), para estimar os valores da distribuição longitudinal das pressões junto à base e o teto da galeria a jusante da comporta, podem ser aplicados para todas as aberturas da comporta. As análises desenvolvidas consentiram observar que as situações críticas ocorrem para aberturas entre 40% e 60% e que as pressões mínimas ocorrem em uma distância adimensional ( ) em torno de 2 a 6. Destaca-se que todos os resultados apresentados na presente pesquisa são válidos para coeficiente de pressão média para abertura de 100% da comporta, CP* 100%, entre 2,8 e 65,9. / The practice of using of gates or valves in conduits to control the flow in hydraulic structures is a common one. One of the applications for this type of device is the flow control for filling and emptying navigation locks. However proper care should be taken when applying those due to the inherit complexity of the flows, which can present significant pressure and velocity fluctuation in the regions next to the floor and ceiling downstream of these gates. Fluctuations in the pressure gradients can cause damage by erosion and/or cavitation. For these reasons its of interest the understanding of criteria for the estimative of those pressures to then infer the possibility of damage in the solid boundaries, allowing the determination of critical operation conditions which to avoid or minimize during the emptying and filling operations of lock chambers. This research aims to present the state of art regarding the longitudinal pressure distribution downstream of inverted tainter gates and the results of experimental data obtained in a physical model. These study allowed to comprehend the behavior of the aforementioned pressures and to verify the method proposed by Battiston (2013) to estimate longitudinal pressure distributions next to the ceiling and floor of those types of structures. The developed analysis showed that the critical conditions occur in between the 40% and 60% opening and that the minimum pressures occur in between a dimensionless distance (Ladm) 2 and 6. The presented results are valid for a mean pressure coefficient of 100% gate opening, CP*100%, between 2,81 and 65,9.

[pt] Esta dissertação de mestrado tem por objetivo avaliar e determinar a influência da cavitação no fenômeno da erosão de materiais de engenharia à luz das recomendações da norma ASTM G32:2010. O trabalho foi motivado pelo interesse do Programa de Metrologia em participar, no âmbito da cooperação celebrada com o Instituto de Metrologia do Reino Unido, de um novo desafio no campo da metrologia científica relacionado à medição de cavitação. A metodologia utilizada baseou-se em trabalhos experimentais realizados com o medidor de cavitação recentemente desenvolvido pelo Laboratório de Acústica do NPL, que foi pioneiramente utilizado para mapear os níveis de cavitação nos experimentos de erosão de materiais de engenharia para diferentes amplitudes (delta) de pulsação do transdutor e diferentes posicionamentos (lambda) da haste do transdutor em relação ao espécime submetido à erosão. Dentre os resultados destaca-se a perda de massa mensurada para cada um dos três materiais de engenharia submetidos à erosão por cavitação: 101,4 mg no Alumínio; 66,0 mg na Liga Alumínio-Bronze e 6,80 mg no Aço inoxidável 304. Três são as conclusões mais relevantes do trabalho (i) no que concerne a perda de massa (medida da erosão), o parâmetro delta mostrou-se mais crítico que o parâmetro lambda; (ii) os materiais de menor dureza são os mais susceptíveis à erosão por cavitação e (iii) quanto maior a resistência à erosão menor é a uniformidade da cavitação. / [en] The aim of this dissertation is to evaluate and assess the influence of the cavitation on the erosion of engineering materials in line with recommendations of the ASTM G32:2010 standard. The work was motivated by the interest of the postgraduate Metrology Programme to participate, within the framework of the cooperation celebrated with the National Metrology Institute of the United Kingdom (National Physical Laboratory, NPL), in a new metrology challenge related to measurement of cavitation. The methodology used was based on experimental work carried out with the cavitation meter recently developed by the Laboratory of Acoustics of the NPL, which was first used to map the levels of cavitation inducing erosion in engineering materials for different amplitude of the transducer (delta) and displacement (lambda) of the transducer horn relative to the specimen subjected to erosion. Among the results is emphasized the mass loss measured for each of the three engineering materials submitted to cavitation erosion: 101.4 mg for the aluminium; 66.00 mg for the Alloy Aluminium-Bronze and 6.80 mg for the stainless steel 304. Three are the main findings of the work (i) with respect to loss of mass (a measure of erosion), the parameter delta was more critical that the parameter lambda; (ii) the lower the hardness of the engineering material eroded, the most susceptible it becomes to cavitation erosion and (iii) the higher the erosion resistance the lower the uniformity of cavitation.