Orientador : Ana Ines Borri Genovez / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo / Made available in DSpace on 2018-08-03T22:16:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Oliveira_AdrianoMoreira_M.pdf: 4685344 bytes, checksum: 292717b27af36f39bd3416da6c899878 (MD5) Previous issue date: 2004 / Resumo: Os vertedores são estruturas relativamente simples e de grande importância prática. São utilizados em diversas obras hidráulicas, medindo ou controlando a vazão em escoamento por um canal ou sobre uma barragem. Um vertedor do tipo labirinto apresenta um maior desenvolvimento de sua crista vertente do que um vertedor retilíneo, por se caracterizar de uma estrutura poligonal, com uma geometria em planta, em forma triangular ou trapezoidal, disposta repetidamente lado a lado na forma de ciclos. Proporciona assim uma menor ocupação de área na barragem, reduzindo a sua dimensão. Nas pequenas centrais hidrelétricas, o vertedor da barragem representa uma parcela significativa no custo total da obra, e o vertedor tipo labirinto aparece como uma alternativa para a redução dos custos das estruturas. De acordo com a bibliografia existente, serão apresentados parâmetros para o seu dimensionamento hidráulico, e através do estudo de caso da Usina Hidrelétrica Antas I em Poços de Caldas - MG, por meio de um comparativo de custo e eficiência com um vertedor retilíneo tipo Creager, serão demonstradas suas vantagens de uso, tanto por sua economia nos volumes de escavação quanto pelo aumento na receita de geração da usina. Como conclusão deste estudo, a alternativa mais vantajosa é a utilização de um vertedor principal com soleira retilínea e um vertedor auxiliar tipo labirinto / Abstract: The spillways are relatively simple structures of great practical importance. They are employed in several hydraulic projects, measuring or controlling the drainage flow through a channel or over a dam. One labyrinth-type spillway presents a higher development of its declivity crest than a common spillway, because it is characterized by a polygonal structure with triangular or trapezoid site geometry, arranged side by side repeatedly in a cycle. In this way, it offers a smaller occupation of the dam area, reducing its dimension. In small hydroelectric power plants, the dam spillway represents a significant portion in the total cost of the project, and the labyrinth-type spillway is an alternative for the reduction of cost of the structure. According to the existing literature, some parameters for its hydraulic dimensions will be presented. The study of the Antas I Hydroelectric Power Plant in Poços de Caldas MG - Brasil, will be performed and some advantages of its use will be demonstrated by comparison of cost and efficiency to a Creager type rectilinear spillway, both according to its economy regarding excavation volumes and according to the increase in generation of electricity of the hydroelectric power plant. This study concludes that the most advantageous solution is the use of a main spillway with rectilinear sill and one auxiliary spillway of the labyrinth type / Mestrado / Recursos Hidricos / Mestre em Engenharia Civil

Resumo: Esta pesquisa visa apresentar os resultados de um modelo numérico e comparar com os de um modelo reduzido em escoamentos turbulentos. Foi enfocado o escoamento sobre o vertedouro da UHE São Salvador e foram comparados os resultados (pressões, velocidades, vazão e linha de água) dos modelos numérico e físico. A aplicação de modelos numéricos como uma primeira análise de arranjos de estruturas hidráulicas pode ser de grande utilidade facilitando posteriores estudos em modelos reduzidos físicos. Também pode ser uma importante ferramenta quando questões econômicas ou de cronograma não permitem a utilização de um modelo físico reduzido. Foi utilizado o software FLOW-3D® que usa o método dos volumes finitos para a solução de diversos problemas de mecânica dos fluídos tanto em regime forçado como com superfície livre. Em termos gerais, o método dos volumes finitos utiliza uma malha retangular para resolver o balanço de massa e de quantidade de movimento em um elemento (volume) através da discretização das equações de Reynolds. São apresentados os resultados das simulações numéricas utilizando diferentes discretizações de malha e as diferenças em relação ao modelo físico. Verifica-se que os resultados numéricos dependem fortemente do tamanho da malha. Também foi feita uma análise de sensibilidade dos efeitos da variação da rugosidade mostrando a necessidade de calibração do modelo numérico. Em muitos casos de aplicação de modelos numéricos não se dispõem de medidas físicas para tal calibração, sendo necessário à adoção de valores apresentados na literatura. Também pôde ser onstatada a importância das condições de contorno e da abrangência do domínio de calculo nos resultados computacionais.

Resumo: A busca de viabilidade e rentabilidade em empreendimentos hidrelétricos recorre em soluções que apresentem baixos custos de implantação e de operação, além do atendimento aos requisitos ambientais. Somados estes fatores a implantação de aproveitamentos em sítios com características diferenciadas dos comumente utilizados, há o surgimento de estruturas e arranjos atípicos. Por estas razões, estudos em estruturas complexas, associadas ou até inovadoras tornam-se necessários para o desenvolvimento de projetos seguros, econômicos e com desempenho satisfatório. No presente trabalho realiza-se uma análise em um canal de adução associado a um vertedouro lateral em curva, da Usina Hidrelétrica de Dardanelos, localizada no estado do Mato Grosso, usada como caso piloto para desenvolvimento e verificação de metodologia. Devido à complexidade para a realização de uma avaliação única, o canal foi divido em três trechos; inicial, curvo e final. Cada trecho apresentou um comportamento hidráulico iferenciado, conforme o posicionamento em relação ao fluxo e a geometria em planta. Na região intermediária foi implantado um vertedouro lateral em curva, que até o presente momento não possui quacionamento específico, sendo necessários ajustes em equações existentes, provenientes de constatações dos resultados obtidos em modelo físico. Ao final, esta dissertação apresenta os resultados obtidos em testes em dois modelos reduzidos confrontados com resultados teóricos e, também, contribui com uma elaboração de parâmetros e de metodologia para projetos que utilizem estruturas semelhantes.

Resumo: A utilização de vertedouros labirinto deverá ser cada vez mais frequente em obras de pequenas e médias usinas hidrelétricas, por apresentar maior capacidade de descarga em relação ao vertedouro convencional, mantendo-se a mesma sobreelevação. Observa-se a necessidade da realização de pesquisas que esclareçam a operação de vertedouros labirinto, preenchendo uma lacuna do conhecimento do meio técnico brasileiro. Os projetos atuais procuram viabilizar soluções cada vez mais econômicas, até mesmo lançando mão de formas não convencionais. Torna-se necessário, portanto, obter maiores onhecimentos para diversas alternativas de projeto, identificando eventuais particularidades do escoamento nessas estruturas. O objetivo principal deste trabalho foi avaliar o comportamento de vertedouros labirinto, tomando como caso piloto o vertedouro labirinto da PCH Bocaiúva. A partir de uma anál se crítica realizada, foram determinadas alternativas de layout da crista do vertedouro que conferem maior ficiência em relação à capacidade de descarga e aeração, sem aumento significativo dos custos. A revisão da literatura realizada sobre o tema revelou que há um bom material bibliográfico que serve de base para a pesquisa proposta. Entretanto, foi observado também que há lacunas a serem preenchidas em termos de capacidade de descarga. Os resultados obtidos nos ensaios realizados em canal prismático retangular, nos quais foram verificados diferentes tipos de perfil da crista e comparados os comportamentos da crista em labirinto frente à crista retilínea, serviram como base para os estudos realizados em modelo reduzido tridimensional. Apresenta-se uma planilha que calcula as dimensões e principais parâmetros de projeto de vertedouros labirinto, e determina uma vazão teórica baseada no método de TULLIS et al. (1995). Como resultado, selecionam-se os principais parâmetros que devem ser levados em conta no projeto de vertedouros labirinto, baseados nas pesquisas teóricas e na comprovação experimental desse trabalho.

Os vertedores são estruturas hidráulicas de suma importância no controle de escoamento e também para medição de vazões. Estas estruturas são amplamente utilizadas em aproveitamento múltiplos principalmente como controle de vazão. Neste trabalho é apresentado um histórico dos estudos elaborados para vertedores, demonstrando as principais características entre cada estudo.Também são apresentados os resultados obtidos através dos cálculos de linha d\'água é pressão utilizando as equações para superfícies de fundo curvo para um perfil segundo o equacionamento de Creager e o perfil Cossenoidal proposto por este trabalho. O escoamento realizado em um perfil Cossenoidal apresenta um comportamento muito semelhante ao escoamento realizado em um perfil do tipo Creager. Com a utilização do perfil Cossenoidal foi possível realizar a coincidência de raio de curvatura no trecho da crista onde o raio de curvatura do perfil Cossenoidal ajustado a um perfil do tipo Creager, apresentou o mesmo valor para o raio de curvatura para uma elipse proposta por Maynord modificado por este trabalho. Os resultados de linha d\'água e pressão foram bons e satisfatórios muito semelhantes aos valores já apresentados pelas soleiras convencionais (Creager e Maynord). / The spillways are hydraulic structures very important in the control flow and for measuring flow rates. These structures are widely used mainly for multiple use flow control. This work presents a history of the studies prepared for spillways, showing the main features of each study. It is intended to study a cosinusoidal profile through a mathematical model seeking to obtain satisfactory answers to the water lines and pressure for the studied profile. Showing the results obtained through the water level and pressure calculations, using the equations for curve surface for a Creager\'s profile and Cossenoidal\'s profile suggest in this work. The flow realized in a Cossenoidal\'s profile show a behavior similar at the flow realized in a Creager\'s profile. The utilization of the Cossenoidal\'s profile was possible to realize the coincidence of the curvature radius in the crest between Cossenoidal\'s profile and Maynord Modified ellipse, and this profile was adjusted with a Creager\'s profile and Maynord\'s ellipse. The results of water level and pressure showed goods and satisfactory, very similar with the values showed in other studies for a conventional weirs (Creager and Maynord).

Esta dissertação trata da aeração induzida em vertedores com objetivo de mitigar os efeitos da cavitação sobre os mesmos. A análise bibliográfica do tema está calcada na introdução ao mecanismo da cavitação e no levantamento do estado da arte a partir dos trabalhos pioneiros, nos clássicos e nos recentes. Com base nos princípios da física: Conservação de Massa e Primeira Lei da Termodinâmica, foi desenvolvido um modelo matemático para aeração induzida em vertedores. O modelo proposto, após ser analisado do ponto de vista de sua consistência, foi avaliado em comparações com resultados fornecidos por outros pesquisadores, obtidos através de modelos físicos reduzidos. Os resultados obtidos pelo modelo matemático proposto correspondem a boas estimativas das grandezas envolvidas na aeração induzida em vertedores, o que credencia o modelo proposto como uma ferramenta apropriada para projetos de engenharia hidráulica e futuros desenvolvimentos científicos. / This study adress prompt aeration in spillways reaching to reduce the cavitation effects on them. References were based on introduction to cavitation machanism and, state of art survey, to leave on not only earlier studies, but also on classical and most recent ones. Based on principles of Physics, such as Mass Conservation and the First Law of Thermodynamics, a mathematical model has been developed as an example of prompt aeration in spillways. After extensive consistency analyses the proposed model has been validated by comparing different results furnished by studies on physical reduced models by other researchers. Results obtained from the mathematical model proposed here correspond to good estimates of greatnesses involved in prompt aeration is spillways and that turns the proposed model into an adequate tool for Hydraulic Engineering projects and for future scientifics stydies.

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.

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.

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.

Esta dissertação trata da aeração induzida em vertedores com objetivo de mitigar os efeitos da cavitação sobre os mesmos. A análise bibliográfica do tema está calcada na introdução ao mecanismo da cavitação e no levantamento do estado da arte a partir dos trabalhos pioneiros, nos clássicos e nos recentes. Com base nos princípios da física: Conservação de Massa e Primeira Lei da Termodinâmica, foi desenvolvido um modelo matemático para aeração induzida em vertedores. O modelo proposto, após ser analisado do ponto de vista de sua consistência, foi avaliado em comparações com resultados fornecidos por outros pesquisadores, obtidos através de modelos físicos reduzidos. Os resultados obtidos pelo modelo matemático proposto correspondem a boas estimativas das grandezas envolvidas na aeração induzida em vertedores, o que credencia o modelo proposto como uma ferramenta apropriada para projetos de engenharia hidráulica e futuros desenvolvimentos científicos. / This study adress prompt aeration in spillways reaching to reduce the cavitation effects on them. References were based on introduction to cavitation machanism and, state of art survey, to leave on not only earlier studies, but also on classical and most recent ones. Based on principles of Physics, such as Mass Conservation and the First Law of Thermodynamics, a mathematical model has been developed as an example of prompt aeration in spillways. After extensive consistency analyses the proposed model has been validated by comparing different results furnished by studies on physical reduced models by other researchers. Results obtained from the mathematical model proposed here correspond to good estimates of greatnesses involved in prompt aeration is spillways and that turns the proposed model into an adequate tool for Hydraulic Engineering projects and for future scientifics stydies.