GOMES, V. U. Estudo comparativo dos modelos da onda cinemática e da onda difusiva na análise de propagação de cheias, em função dos parâmetros hidráulicos da bacia. 2006. 89 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil: Recursos Hídricos) – Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2006. / Submitted by Hohana Sanders (hohanasanders@hotmail.com) on 2016-04-29T13:31:36Z No. of bitstreams: 1 2006_dis_vugomes.pdf: 712449 bytes, checksum: 62e1ea78c60f394322ad8748c54e8c9f (MD5) / Approved for entry into archive by Marlene Sousa (mmarlene@ufc.br) on 2016-05-25T19:24:13Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2006_dis_vugomes.pdf: 712449 bytes, checksum: 62e1ea78c60f394322ad8748c54e8c9f (MD5) / Made available in DSpace on 2016-05-25T19:24:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2006_dis_vugomes.pdf: 712449 bytes, checksum: 62e1ea78c60f394322ad8748c54e8c9f (MD5) Previous issue date: 2006-08-08 / Models of Kinematic Wave and diffusive wave were applied in a natural river, to study the propagation of a flood wave in the water body. These models are derivations of the Dynamic Wave Model, from simplifications in the Saint Venant equations, where some terms are neglected. In the solution process of differential equations relevant to the model, we used the method of finite differences, wherein the explicit scheme approach was applied to the kinematic wave, while the implied approximation scheme was applied to the diffusive wave. For this research, a computer program in FORTRAN language was developed and allowed road simulations were performed for different scenarios found in natural rivers. Studies to verify the sensitivity of the models with respect to the hydraulic parameters of the basin, were performed. the influence of linearization of differential equations, which make up the models, we calculations of the control variables also was verified. The results showed that the model of the kinematic wave is most sensitive to the coefficient of roughness of the channel walls, while the model of the diffusive wave is more sensitive to the channel bottom slope parameters, where this parameter acts directly on the damping process wave propagation. The results also showed that for the scenarios used in the simulations, the linearization process of differential equations does not affect considerably the solution models. / Os Modelos da Onda Cinemática e da Onda Difusiva foram aplicados em um rio natural, para estudar a propagação de uma onda de cheia neste corpo hídrico. Esses modelos são derivações do Modelo da Onda Dinâmica, a partir de simplificações nas Equações de Saint Venant, onde alguns termos são desprezados. No processo de solução das equações diferenciais, pertinentes aos modelos, foi usado o Método das Diferenças Finitas, sendo que o esquema de aproximação explicita foi aplicado para a onda cinemática, enquanto que o esquema de aproximação implícita foi aplicado para a onda difusiva. Para esta pesquisa, um programa computacional, em linguagem FORTRAN, foi desenvolvido e permitiu que viárias simulações fossem realizadas, para diferentes cenários encontrados nos rios naturais. Estudos para verificar a sensibilidade dos modelos, com respeito aos parâmetros hidráulicos da bacia, foram realizados. Também foi verificada a influência da linearização das equações diferenciais, que compõem os modelos, nós cálculos das variáveis de controle. Os resultados mostraram que o modelo da onda cinemática é mais sensível ao coeficiente de rugosidade das paredes do canal, enquanto que o modelo da onda difusiva é mais sensível para parâmetros da declividade de fundo do canal, onde este parâmetro atua diretamente no processo de amortecimento da onda em propagação. Os resultados mostraram ainda que, para os cenários usados nas simulações, o processo de linearização das equações diferenciais não afeta, consideravelmente, a solução dos modelos.

Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil (Hidráulica, Recursos Hídricos e Ambiente). Universidade do Porto. Faculdade de Engenharia. 2010

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.

O termo macro-rugosidade é empregado para caracterizar os elementos contínuos ou esparsos de formas diversas, que são aplicados artificialmente no fundo e paredes dos condutos hidráulicos, em oposição à rugosidade de grão, relacionada às asperezas das paredes destes condutos. Neste trabalho apresenta-se o estudo teórico-experimental do comportamento do escoamento livre com a presença de macro-rugosidade constituída de elementos prismáticos de seção transversal retangular, denominados travessões, que encontram aplicações práticas na estabilização de leitos e regularização de canais para navegação. O emprego da macro-rugosidade resulta na ocorrência de maiores perdas de energia quando as profundidades são pequenas e na redução progressiva deste efeito à medida que a lâmina d\'água se eleva. O estudo teórico compreende o tratamento dado pela literatura ao problema da resistência ao escoamento em canais, desenvolvido a partir da integração da tradicional lei logarítmica para o para o perfil bidimensional de velocidades. Também foi abordado o modelo de distribuição probabilística de velocidades de CHIU, baseado na maximização da entropia. Estudos específicos sobre macro-rugosidade de fundo, desenvolvidos a partir da década de 1960, foram pesquisados para orientação dos estudos experimentais desenvolvidos, notadamente os trabalhos de MORRIS & WIGGERT, SAYRE & ALBERTSON e KNIGHT & MACDONALD. Ensaios experimentais foram desenvolvidos em canal de laboratório para acaracterização das perdas de carga dos travessões de fundo, em diferentes condições de profundidade e espaçamento longitudinal. Nestes ensaios desenvolveu-se uma técnica para medição das perdas de energia e cálculo das tensões de atrito em escoamentos permanentes e gradualmente variados no espaço, situação esta usual nos canais empregados em engenharia. ) Foi também considerado o efeito de parede, resultante do emprego de um canal de laboratório de pequenas dimensões, de modo a poder-se generalizar os resultados para o caso bidimensional. Os dados experimentais permitiram o teste dos modelos para cálculo de perdas de carga de Manning e do Perfil Logarítmico, estabelecendo-se correlações entre as perdas e as características geométricas da macro-rugosidade. Como contribuição ao tema foi proposta uma adaptação do modelo logarítmico considerando a hipótese de MORRIS & WIGGERT da separação do escoamento em uma zona de interferência, denominada de zona de hiper-turbulência e outra, de turbulência normal. Os resultados obtidos indicaram a validade do modelo proposto. Ainda como contribuição ao tema, a lei de distribuição probabilística das velocidades foi aplicada, obtendo-se uma estimativa dos parâmetros para as diferentes configurações geométricas. / The designation large-scale roughness is generally employed to describe spot or continuous elements artificially disposed in channel bottom, different from wall roughness or grain roughness, associated to the wall material. This work presents a theoretical and experimental study of the free flow in channels with prismatic rectangular elements regularly disposed on the bottom, named traverse blocks, which have large application in river stabilization and navigation works. The use of the large-scale roughness results in a great head loss for small depths and a progressive reduction of these losses as the depth increases. The theoretical analysis initially focused the traditional approach considering the logarithmic velocity distribution law. It was also analyzed the probabilistic velocity distribution law by CHIU, based on the maximum entropy principle. Specific studies about large-scale roughness, developed since 1960, where considered to guide the model testes, especially those by MORRIS & WIGGERT, SAYRE & ALBERTSON and KNIGHT & MACDONALD. Experimental data where collected from a laboratory channel and a technique for computing bottom shear stress were developed allowing to consider permanent gradually varied flows, a regular situation in engineering applications. The wall interference in total channel shear stress where considered in order to make data comparable with those from real two-dimensional flow. Practical correlations using geometriccharacteristics of the traverse block roughness and flow parameters where established considering Manning\'s Formula and the Logarithmic Law model. In order to achieve a better modeling of the phenomenon, a complementary term to the Logarithmic law was proposed, considering the hyper-turbulent layer over the roughness, and fit to the data. Finally, parameter estimation for the use of the CHIU\'s law with large-scale roughness where developed as another contribution to the matter.

O adequado projeto de obras fluviais requer o conhecimento das condições sob as quais um curso d\'água natural atinge seu estado de equilíbrio. Para que este estado de equilíbrio seja determinado analiticamente é necessário utilizar um número de equações compatível com a quantidade de incógnitas do sistema, denominadas de graus de liberdade. Em um curso d\'água escoando sobre leito aluvionar não coesivo é possível admitir até quatro graus de liberdade, que são: a largura, a profundidade, a declividade e o traçado em planta do canal. Neste trabalho são apresentados alguns métodos que permitem avaliar as condições de estabilidade de um canal através do uso de relações puramente empíricas, ou através da aplicação de equações derivadas dos princípios físicos que regem a Hidráulica Fluvial, sendo possível ainda combinar o uso das duas abordagens no mesmo método. / The properly design of river improvements depends on the knowledge of the conditions under which a natural river becomes stable. This state of equilibrium is determined analytically if the number of equations is enough to describe the unknown system factors, called degrees of freedom. In an alluvial stream, it\'s possible to consider four degrees of freedom, they are: width, depth, channel slope and the variations in plan-form stream. This text presents some methods to evaluate the stability condition of a channel using empirical relationships, equations based on theoretical principles of Fluvial Hydraulics or both of these approaches in the same method.

O adequado projeto de obras fluviais requer o conhecimento das condições sob as quais um curso d\'água natural atinge seu estado de equilíbrio. Para que este estado de equilíbrio seja determinado analiticamente é necessário utilizar um número de equações compatível com a quantidade de incógnitas do sistema, denominadas de graus de liberdade. Em um curso d\'água escoando sobre leito aluvionar não coesivo é possível admitir até quatro graus de liberdade, que são: a largura, a profundidade, a declividade e o traçado em planta do canal. Neste trabalho são apresentados alguns métodos que permitem avaliar as condições de estabilidade de um canal através do uso de relações puramente empíricas, ou através da aplicação de equações derivadas dos princípios físicos que regem a Hidráulica Fluvial, sendo possível ainda combinar o uso das duas abordagens no mesmo método. / The properly design of river improvements depends on the knowledge of the conditions under which a natural river becomes stable. This state of equilibrium is determined analytically if the number of equations is enough to describe the unknown system factors, called degrees of freedom. In an alluvial stream, it\'s possible to consider four degrees of freedom, they are: width, depth, channel slope and the variations in plan-form stream. This text presents some methods to evaluate the stability condition of a channel using empirical relationships, equations based on theoretical principles of Fluvial Hydraulics or both of these approaches in the same method.

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.

Dada a importância estratégica das barragens no Brasil e à disputa de interesses, o descomissionamento dessas estruturas é um assunto inevitável a ser discutido. Um conjunto de casos de descomissionamento de outros países é apresentado e ilustra de maneira abrangente essa questão pouco discutida e ainda não legislada no Brasil. Uma metodologia para avaliação da necessidade de descomissionamento com base no potencial de risco oferecido foi proposta e aplicada aos barramentos constantes do Cadastro de barragens das bacias PCJ, no estado de São Paulo. Apesar de a metodologia não poder ser aplicada em sua total extensão devido à insuficiência de dados do cadastro, é possível perceber quando algumas barragens encontram-se descuidadas, sem nenhum tipo de monitoramento podendo ser elegíveis para escomissionamento. / Due to the importance of dams in Brazil and to different interests, dam decommissioning is an unavoidable issue to be discussed. Some examples of dam removal in some countries are presented to generally elucidate this subject that still hasnt been acknowledged, neither legislated in Brazil. A methodology for evaluation of decommissioning demanding, based on the potential risk offered by dams has been set up and tested over a few dams that are constituent of a data basis of dams of Piracicaba-Capivari-Jundiaí (PCJ) basins, in São Paulo state. Despite the fact that the methodology couldnt be used at its full length due to lack of field data, it has been realized when some dams of the data basis are most despised, recklessly maintained and are contestant for decommissioning.

Os conceitos de competência do escoamento e de capacidade de transporte foram desenvolvidos para escoamentos fluviais e acabam sendo transferidos para a modelagem de correntes de turbidez. No entanto, não é claro até que ponto o estabelecimento de analogias entre o ambiente fluvial e as correntes de turbidez pode ser realizado. Nesse contexto, o principal objetivo deste trabalho foi avaliar os conceitos de competência e de capacidade nas correntes de turbidez. O estudo foi desenvolvido experimentalmente, em um canal de inclinação variável de 4 m de comprimento, 40 cm de altura e 12 cm de largura. Um leito móvel foi construído em um trecho intermediário do canal utilizando sedimento - carvão mineral (ρ = 1405 kgm³) - com tamanho areia média. No total, 30 simulações de correntes de turbidez contínuas foram realizadas, utilizando o mesmo sedimento, porém com tamanho areia muito fina. Foram simuladas três declividades diferentes (6%, 0,3% e 0,015%), vazões de injeção entre 15 e 25 lmin, concentrações iniciais variando entre 0,03% e 5,5% e a duração dos ensaios ficou compreendida entre 3 e 30 min. O levantamento do perfil longitudinal do leito móvel, antes e após o ensaio, foi realizado e todo o sedimento foi coletado. Três quantidades distintas de sedimento foram quantificadas: a quantidade depositada antes do leito móvel, a quantidade depositada no leito móvel e a quantidade depositada depois do leito móvel. O cálculo da eficiência de transporte das correntes de turbidez no trecho do leito móvel, bem como das suas descargas sólidas, foi realizado. Também foram realizadas análises granulométricas do sedimento depositado antes e após do leito móvel. Por fim, parâmetros do fluxo foram obtidos (altura e velocidade) através de análises visuais e números adimensionais clássicos do transporte sólido em canais abertos foram avaliados. A partir da interpretação dos dados, conclui-se que os conceitos de competência do escoamento e de capacidade de transporte não foram capazes de refletir o diâmetro característico do sedimento transportado pelas correntes simuladas e a capacidade máxima de transporte desses fluxos, como normalmente ocorre em escoamentos fluviais. A relação entre a eficiência de transporte desses fluxos e a descarga sólida dos mesmos indicou que a partir de uma região a eficiência tornou-se invariante. Essa relação possui curvas com tendência logarítmica e as suas assíntotas ocorreram em valores de eficiência da ordem de 50% (inclinação de 6%) e de 40% (inclinações de 0,3% e 0,015%). A relação entre o diâmetro característico do sedimento depositado depois do leito e antes do leito indicou uma diminuição de cerca de 18% no tamanho dos grãos depositados a jusante. / The modeling of turbidity currents uses the concepts of competence and flow capacity that have been developed based on river hydraulics. However, the analogies between the fluvial environment and turbidity currents are not very clear. The main purpose of this study was to evaluate the competence and flow capacity of turbidity currents. The study was performed using an experimental channel 4 m long, 40 cm high, and 12 cm wide with variable slope. A mobile bed of medium sand-size - mineral coal (ρ=1405 kgm³) - was constructed in an intermediate area of the channel. In total, 30 simulations of continuous turbidity currents were performed and the sediment used in the turbidity currents was very fine sand-size mineral coal. The simulations were accomplished considering three different channel slopes (6%, 0.3% e 0.015%); injection discharge varied between 15 and 25 l/min, and initial volumetric concentrations varied between 0.03% and 5.5%. The simulations lasted between 3 and 30 minutes. The longitudinal profile of the mobile bed was analyzed before and after each simulation, and all the sediment was collected at the end. Three different amounts of sediment were quantified: the amount of sediment deposited before, on, and after the mobile bed. Based on this data, both the transport efficiency and solid discharge of the turbidity current on the mobile bed were determined. Particle-size distribution of the deposited sediment before and after the mobile bed was also carried out. Finally, flow parameters were obtained (high and velocity) considering visual evaluation and the classical dimensional numbers in sediment transport in open channel flows were analyzed. The data interpretation revealed that the competence and flow capacity parameters were not able to reflect the grain diameter transported by the simulated currents and a maximum flow capacity of these flows, as usually is observed in fluvial flows. The relation between the transport efficiency and solid discharge of these flows demonstrated that after a certain point, the efficiency became constant. This relation resulted in log trend curves with asymptotes located at efficiency values of approximately 50% (6% slope) and 40% (0.3% and 0.015% slopes). The characteristic diameter of the sediment deposited after the mobile bed presented a reduction of 18% when compared to the sediment deposited before the mobile bed.

Os conceitos de competência do escoamento e de capacidade de transporte foram desenvolvidos para escoamentos fluviais e acabam sendo transferidos para a modelagem de correntes de turbidez. No entanto, não é claro até que ponto o estabelecimento de analogias entre o ambiente fluvial e as correntes de turbidez pode ser realizado. Nesse contexto, o principal objetivo deste trabalho foi avaliar os conceitos de competência e de capacidade nas correntes de turbidez. O estudo foi desenvolvido experimentalmente, em um canal de inclinação variável de 4 m de comprimento, 40 cm de altura e 12 cm de largura. Um leito móvel foi construído em um trecho intermediário do canal utilizando sedimento - carvão mineral (ρ = 1405 kgm³) - com tamanho areia média. No total, 30 simulações de correntes de turbidez contínuas foram realizadas, utilizando o mesmo sedimento, porém com tamanho areia muito fina. Foram simuladas três declividades diferentes (6%, 0,3% e 0,015%), vazões de injeção entre 15 e 25 lmin, concentrações iniciais variando entre 0,03% e 5,5% e a duração dos ensaios ficou compreendida entre 3 e 30 min. O levantamento do perfil longitudinal do leito móvel, antes e após o ensaio, foi realizado e todo o sedimento foi coletado. Três quantidades distintas de sedimento foram quantificadas: a quantidade depositada antes do leito móvel, a quantidade depositada no leito móvel e a quantidade depositada depois do leito móvel. O cálculo da eficiência de transporte das correntes de turbidez no trecho do leito móvel, bem como das suas descargas sólidas, foi realizado. Também foram realizadas análises granulométricas do sedimento depositado antes e após do leito móvel. Por fim, parâmetros do fluxo foram obtidos (altura e velocidade) através de análises visuais e números adimensionais clássicos do transporte sólido em canais abertos foram avaliados. A partir da interpretação dos dados, conclui-se que os conceitos de competência do escoamento e de capacidade de transporte não foram capazes de refletir o diâmetro característico do sedimento transportado pelas correntes simuladas e a capacidade máxima de transporte desses fluxos, como normalmente ocorre em escoamentos fluviais. A relação entre a eficiência de transporte desses fluxos e a descarga sólida dos mesmos indicou que a partir de uma região a eficiência tornou-se invariante. Essa relação possui curvas com tendência logarítmica e as suas assíntotas ocorreram em valores de eficiência da ordem de 50% (inclinação de 6%) e de 40% (inclinações de 0,3% e 0,015%). A relação entre o diâmetro característico do sedimento depositado depois do leito e antes do leito indicou uma diminuição de cerca de 18% no tamanho dos grãos depositados a jusante. / The modeling of turbidity currents uses the concepts of competence and flow capacity that have been developed based on river hydraulics. However, the analogies between the fluvial environment and turbidity currents are not very clear. The main purpose of this study was to evaluate the competence and flow capacity of turbidity currents. The study was performed using an experimental channel 4 m long, 40 cm high, and 12 cm wide with variable slope. A mobile bed of medium sand-size - mineral coal (ρ=1405 kgm³) - was constructed in an intermediate area of the channel. In total, 30 simulations of continuous turbidity currents were performed and the sediment used in the turbidity currents was very fine sand-size mineral coal. The simulations were accomplished considering three different channel slopes (6%, 0.3% e 0.015%); injection discharge varied between 15 and 25 l/min, and initial volumetric concentrations varied between 0.03% and 5.5%. The simulations lasted between 3 and 30 minutes. The longitudinal profile of the mobile bed was analyzed before and after each simulation, and all the sediment was collected at the end. Three different amounts of sediment were quantified: the amount of sediment deposited before, on, and after the mobile bed. Based on this data, both the transport efficiency and solid discharge of the turbidity current on the mobile bed were determined. Particle-size distribution of the deposited sediment before and after the mobile bed was also carried out. Finally, flow parameters were obtained (high and velocity) considering visual evaluation and the classical dimensional numbers in sediment transport in open channel flows were analyzed. The data interpretation revealed that the competence and flow capacity parameters were not able to reflect the grain diameter transported by the simulated currents and a maximum flow capacity of these flows, as usually is observed in fluvial flows. The relation between the transport efficiency and solid discharge of these flows demonstrated that after a certain point, the efficiency became constant. This relation resulted in log trend curves with asymptotes located at efficiency values of approximately 50% (6% slope) and 40% (0.3% and 0.015% slopes). The characteristic diameter of the sediment deposited after the mobile bed presented a reduction of 18% when compared to the sediment deposited before the mobile bed.