A crista ou soleira de um vertedor, que é a parte superior e que está em contato com a água, tem em geral um desenvolvimento em planta linear, no sentido transversal ao do escoamento. Nos vertedores do tipo labirinto esse desenvolvimento em planta não é linear, é composto de um ou mais ciclos, os quais podem ter uma forma triangular ou trapezoidal. A vantagem do uso desse tipo de obra hidráulica é o aumento do comprimento total da soleira para uma mesma largura, o que se traduz em um aumento da capacidade de vazão da estrutura. A utilização de vertedores do tipo labirinto é particularmente vantajosa para cargas pequenas, pois sua eficiência se reduz com o aumento da carga. Um exemplo de aplicação é a utilização em locais nos quais a geologia ou a topografia impõe restrições de espaço para construção. Outro exemplo é o emprego em uma ampliação da capacidade de vazão de um vertedor existente, quando o vertedor labirinto seria construído sobre o mesmo. Foram apresentadas as principais metodologias de projeto publicadas desse tipo de vertedor . Para auxiliar na análise crítica das metodologias de projeto foram apresentados quatro estudos de casos de vertedores labirinto, cujas pesquisas foram realizadas em modelos físicos reduzidos, a saber: Barragem Prado (EUA), Vertedor Labirinto da Estação de Tratamento de Esgotos de Barueri (Brasil), Barragem Ute (EUA) e Barragem Dog River (EUA). Os resultados desses ensaios mostraram que as metodologias de projeto são capazes de predizer o desempenho dos vertedores dentro de uma faixa limitada de desvio, variável com a carga. Recomenda-se que projetos de maior responsabilidade, ou que tenham características diferentes das preconizadas pela bibliografia, sejam estudados em modelo físico reduzido. / The crest or weir of a spilway, that is the superior part and that it is in contact with the water, has usually a linear plan shape, in perpendicular to the flow direction. In the labyrinth spillways the plan shape is not linear, but varies using a triangular or trapezoidal planform. The advantage of the use of this water work is the increase of the total length of the weir for same width, what it is expressed as an increase of the capacity of discharge of the structure. The use of labyrinth spillways is particularly advantageous for small heads, therefore its efficiency reduces with the increase of the head. An application example is the use in sites in which geology or the topography impose restrictions of space for construction, another example is increase of the capacity of discharge of an existing spillway, where the labyrinth spillway would be constructed on it. The main design curves of this type of spillway had been presented. To assist in the critical analysis of the methodologies of design four case studies had been presented, whose research had been done in physical models: Prado Dam (U.S.A.), Labyrinth Spillway of the Wastewater Treatment Plant Barueri (Brazil), Ute Dam (U.S.A.) and Dog River Dam (U.S.A.). The results show that the design curves can predict the performance of the labyrinth spillways in a limited way. It is recommended that designs which have more responsibility (risks for human being) or that have different characteristics than the design methodologies should be studied in physical model.

A modelagem matemática do escoamento em duas dimensões é uma ferramenta importante para a pesquisa hidráulica e o desenvolvimento de projetos. Nesta dissertação é apresentado um estudo da hidrodinâmica bidimensional através de modelos matemáticos, sendo inicialmente introduzidas as equações básicas da mecânica dos fluídos que regem o movimento em duas direções. Em seguida são discutidas alguns modelos apresentados pela bibliografia, de onde podem ser obtidas valiosas informações sobre a técnica de modelação. Após a apresentação do método das diferenças finitas, um modelo matemático implícito é proposto para a aplicação em estudos bidimensionais onde é necessário o cálculo detalhado do campo de velocidades, evitando-se as restrições devido a estabilidade e acuracidade do método de diferenças. Como conclusão, são apresentados alguns exemplos de aplicação e comparações dos resultados com outros modelos. / Numerical modelling of two-dimensional flow is very important as a tool for hydraulic research and design. This work starts with a review of basic fluid mechanics equations of the wave motion in two-directions. Then some aspects of models proposed by several authors are discussed. The Finite Diference method is presented and na implicit model is proposed for aplication in detailed studies. The stability and acuraccy are investigated to recognize the range of model aplication. Some practical examples and comparisons are shown to test model capabilities.

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.

A crista ou soleira de um vertedor, que é a parte superior e que está em contato com a água, tem em geral um desenvolvimento em planta linear, no sentido transversal ao do escoamento. Nos vertedores do tipo labirinto esse desenvolvimento em planta não é linear, é composto de um ou mais ciclos, os quais podem ter uma forma triangular ou trapezoidal. A vantagem do uso desse tipo de obra hidráulica é o aumento do comprimento total da soleira para uma mesma largura, o que se traduz em um aumento da capacidade de vazão da estrutura. A utilização de vertedores do tipo labirinto é particularmente vantajosa para cargas pequenas, pois sua eficiência se reduz com o aumento da carga. Um exemplo de aplicação é a utilização em locais nos quais a geologia ou a topografia impõe restrições de espaço para construção. Outro exemplo é o emprego em uma ampliação da capacidade de vazão de um vertedor existente, quando o vertedor labirinto seria construído sobre o mesmo. Foram apresentadas as principais metodologias de projeto publicadas desse tipo de vertedor . Para auxiliar na análise crítica das metodologias de projeto foram apresentados quatro estudos de casos de vertedores labirinto, cujas pesquisas foram realizadas em modelos físicos reduzidos, a saber: Barragem Prado (EUA), Vertedor Labirinto da Estação de Tratamento de Esgotos de Barueri (Brasil), Barragem Ute (EUA) e Barragem Dog River (EUA). Os resultados desses ensaios mostraram que as metodologias de projeto são capazes de predizer o desempenho dos vertedores dentro de uma faixa limitada de desvio, variável com a carga. Recomenda-se que projetos de maior responsabilidade, ou que tenham características diferentes das preconizadas pela bibliografia, sejam estudados em modelo físico reduzido. / The crest or weir of a spilway, that is the superior part and that it is in contact with the water, has usually a linear plan shape, in perpendicular to the flow direction. In the labyrinth spillways the plan shape is not linear, but varies using a triangular or trapezoidal planform. The advantage of the use of this water work is the increase of the total length of the weir for same width, what it is expressed as an increase of the capacity of discharge of the structure. The use of labyrinth spillways is particularly advantageous for small heads, therefore its efficiency reduces with the increase of the head. An application example is the use in sites in which geology or the topography impose restrictions of space for construction, another example is increase of the capacity of discharge of an existing spillway, where the labyrinth spillway would be constructed on it. The main design curves of this type of spillway had been presented. To assist in the critical analysis of the methodologies of design four case studies had been presented, whose research had been done in physical models: Prado Dam (U.S.A.), Labyrinth Spillway of the Wastewater Treatment Plant Barueri (Brazil), Ute Dam (U.S.A.) and Dog River Dam (U.S.A.). The results show that the design curves can predict the performance of the labyrinth spillways in a limited way. It is recommended that designs which have more responsibility (risks for human being) or that have different characteristics than the design methodologies should be studied in physical model.

Em um mercado de comércio internacional cada vez mais competitivo existe a necessidade de a infraestrutura do sistema portuário brasileiro modernizar-se, tornando-se mais eficiente do ponto de vista operacional e com capacidade para receber navios de maior porte. Neste cenário, as técnicas de projeto de espaços náuticos precisam ser revistas, utilizando-se de ferramentas mais sofisticadas que permitam otimizar os dimensionamentos sem deixar de lado as questões da eficiência e, principalmente, da segurança operacional. O presente trabalho apresenta uma abordagem experimental para análise do projeto das dimensões de canais de acesso e bacias portuárias, fundamentada no desenvolvimento de um simulador de manobras de navios em modelo físico de escala reduzida, denominado Simulador Analógico de Manobras SIAMA 2014. Além disso, é proposto um sistema completo para avaliação das condições de manobrabilidade de espaços náuticos portuários, desde a calibração da ferramenta de simulação, até a verificação de cenários complexos e situações de emergência. O SIAMA 2014 e o sistema desenvolvido foram aplicados em um estudo de caso, que contou com a participação de práticos e autoridades portuárias na realização de simulações de manobras para verificação das condições de atracação no novo berço do Terminal Portuário Marítimo de Ponta da Madeira, em São Luís do Maranhão. Os resultados deste estudo foram apresentados e discutidos, de forma a mostrar a importância da utilização de modelos físicos reduzidos na simulação de manobra de navios. / In an increasingly competitive international trading market there is a need for modernizing the infrastructure of the Brazilian port system, becoming more efficient from an operational point of view and with ability to handle larger vessels. In this scenario, the port approach channels design techniques need to be reviewed, using more sophisticated tools to improve the design without forgetting important questions such as efficiency and, especially, operational safety. This paper presents an experimental approach to evaluate the design of the dimensions of port channels and manoeuvring areas, based on the development of a shiphandling simulator for physical scale models, called Analogic Manouevring Simulator SIAMA 2014. Besides, it is proposed a complete system to evaluate the manoeuvring conditions of port approach channels, since calibration of the simulation tool to check complex scenarios and emergency situations. The SIAMA 2014 and the system developed were applied in a case study, in which pilots and port authorities performed manoeuvring simulations to verify the shiphandling conditions in the new berth of the Maritime Port of Ponta da Madeira in São Luis, Maranhão. The results of this study were presented and discussed in order to show the importance of using physical models in simulation of ship manoeuvering.

Converting energy from ocean waves is an exciting concept aimed at reducing our dependency on fossil fuels. Ocean energy devices must convert the large forces and relatively small movements from ocean waves into electrical power with a minimum carbon and energy intensity in order to be economically viable. The research herein focuses on the Oyster, a flap-type pitching wave energy converter developed by Aquamarine Power. A device that has the minimal carbon or energy intensity is not necessarily the most mechanically efficient. A commercially viable wave energy converter should have a competitive cost of energy and be as carbon negative as possible. In order to expedite the route to commercialisation, successive designs should iterate towards a minimum lifetime cost of energy. The sheer complexity of wave energy converter systems makes for a vast optimisation problem to determine the system parameters that exhibit the minimum carbon and energy intensities. This thesis presents a study of the oscillating flap-type wave energy converter to determine the trends between design parameters, total power output and carbon and energy throughput. The minimum carbon and energy intensities have been shown to be strongly dependent on minimising maintenance requirements. In order to determine the design criterion a range of flap widths and system pressures are investigated and their effect on component service lives assessed. The results are then converted to lifetime carbon and energy intensities for a direct comparison. To achieve this, fundamental research on the maintenance requirements of critical components such as the hinge bearings and hydraulic power system is required. A hydrodynamic model describes the dynamic response and links the system energy inputs to its modelled energy output. This work is intended to help guide developers of flap-type wave energy converters towards commercialisation. It enhances the understanding of the routes to failure and service life predictions, providing avenues to balance service lives to optimise maintenance and maximise uptime. This will assist in the development of more energy efficient wave energy converters over their lifetime. This information will better enable the marine energy sector to offset our fossil fuel dependence, ultimately reducing our impact on the environment and leading to a ‘greener’ future.

This dissertation presents a detailed numerical study using fully three-dimensional Large Eddy Simulation (LES) simulations of the flow and mass exchange processes in straight channels containing one or multiple embayments with vertical spanwise walls on one side corresponding to the presence of groynes in river reaches. The main focus is on identifying, understanding and quantifying the role played by the coherent structures and large-scale motions in the momentum and mass exchange processes within the embayments and between the embayments and the main channel. Of the three configurations that are studied, the first two contain only one embayment, and the water depth in the embayment area is equal to the one in the main channel. The two groynes are fully emerged in the first configuration and fully submerged in the second. This allows the study of the intensification of the flow three-dimensionality and acceleration of the mass exchange processes between the embayment and the channel due to the top interface and associated detached shear layer that are present in the submerged case. In both cases, the mass exchange across the embayment-channel interface is highly non-uniform across the depth. The third configuration corresponds to a straight channel with multiple groynes and is identical to one of the cases studied experimentally in a previous scaled model study. The mean water depth in the embayment area is about half that in the main channel; the width and length of the embayments are large compared to the depth; and the width over length ratio is relatively large such that a one gyre circulation pattern is observed inside the embayments. The model is validated with the experimental data available at the free surface. Even for shallow emerged embayments, most of the contaminant leaves the embayment through the top layer of the channel-embayment interface. The present study shows that 3D LES simulations can clarify several important aspects of flow past groyne fields that are very difficult or expensive to quantify using experimental techniques.

Sedimentation buildup and accumulation can cause serious impediments to the hydraulic capacity of culvert systems. There has not been any significant research to date regarding the behavior of bed load transport nor the implications of bed forms upon the hydraulics associated with culvert flow. The primary objective of this study was to investigate how sediment transport occurs in a culvert and to then develop a methodology and test setup to successfully investigate this sediment transport. The investigation was limited to studying culvert and pipeline transport of alluvial material in sand and gravel sizes. This dissertation develops a semi-empirical bed load transport equation from existing open channel flow models to be used in predicting sediment yields in culvert applications. Incipient motion and critical shear stresses were investigated for application into eight empirically based models. The methods analyzed include the Meyer-Peter Müller, Engelund and Hansen, Shields, Toffaleti (as seen in the United States Army Corps of Engineers program HEC RAS), Schoklitsch, DuBoy, Yang, and Rottner methods. These methods were tested for predictive accuracy to physically modeled bed load transport data obtained from a 304.8 mm (11.89 in) diameter culvert. Tests involved fully pressurized, partially pressurized inlet controlled, and open channel flow regimes for a variety of bed elevations and bedforms. Bedform regime and associated resistance impacts on flow energy were presented to better understand their hydraulic consequence in culvert applications. An extensive literature review regarding sediment transport in both open channel and closed conduit applications is provided to develop a foundation of knowledge to pursue further research in this area. This literature review summarizes the current body of scientific knowledge that is applicable to sediment transport in culverts. Investigations into both historical and current works are cited throughout this studies literature review. A tested methodology is presented for the investigation of sediment bed load transport in culvert applications. Development of a procedure for the testing of critical shear limits and bed load transport is outlined. A detailed application example is provided. Recommended changes in testing techniques and physical model are made for the next generation of culvert sediment transport research.

Proper aeration of cavitating hydraulic equipment can greatly reduce cavitation intensity, noise, and damage. This thesis quantifies the benefit, in terms of damage and noise, from aerating six inch butterfly valve. The incipient damage level of cavitation was obtained for both aerated and non -ae ra ted conditions. The level is defined as one pit per square inch of a soft aluminum test specimen per one minute of operation. A description of the cavitation pits that occurred plus where they appeared is presented. A graph showing the aerated and non-aerated limits of incipient damage is given along with a table showing the percent reduct ion of damage from aeration. A graph and table are also given depicting the reduction in noise. The proper location of aeration ports to allow natural aeration is outlined .