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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usp.br/oai:teses.usp.br:tde-04012019-090123 |
| Date | 04 April 2003 |
| Creators | Martins, José Rodolfo Scarati |
| Contributors | Brighetti, Giorgio |
| Publisher | Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP |
| Source Sets | Universidade de São Paulo |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | Tese de Doutorado |
| Format | application/pdf |
| Rights | Liberar o conteúdo para acesso público. |
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