Análise da macroturbulência do escoamento sobre vertedouro em degraus com aeração induzida por defletor e câmara de ar - Novakoski, Carolina Kuhn (2021)
Os vertedouros em degraus possuem como principais vantagens a dissipação de energia ao longo da calha, que proporciona a utilização de estruturas de dissipação de jusante de menor porte, e também a facilidade e baixo custo de construção através de técnicas como o concreto compactado com rolo (CCR). Apesar disso, essas estruturas tem sua utilização limitada a vazões da ordem de 15 m²/s/m, devido à possibilidade de ocorrência de danos por cavitação, fenômeno relacionado às baixas pressões desenvolvidas nos espelhos dos degraus e das altas velocidades do escoamento. É consenso que a inserção de ar próximo à superfície da estrutura de concreto proporciona proteção contra o efeito de cavitação. Essa solução é amplamente adotada em estruturas de calha lisa e vem sendo objeto de estudos também para calhas escalonadas. Nesse contexto, o presente trabalho objetiva verificar se um aerador do tipo defletor, posicionado no início dos degraus e associado a uma câmara de ar, é capaz de proporcionar a introdução de quantidades suficientes de ar junto ao fundo de forma a ampliar a faixa de vazões possíveis de escoamento em um vertedouro em degraus sem que ocorram danos por cavitação. O estudo, que faz parte do projeto de Pesquisa e Desenvolvimento intitulado Análise da Macroturbulência em Vertedouros em Degraus com Aeração Forçada (Pré-Aeração) em parceria entre Furnas Centrais Elétricas S.A. e Universidade Federal do Rio Grande do Sul foi realizado através de modelagem física, utilizando três modelos de vertedouros em degraus com diferentes características. Dois modelos encontram-se no Laboratório de Obras Hidráulicas (IPH/UFRGS) e um no Laboratório de Hidráulica Experimental (LAHE/Furnas). Nos ensaios foram coletados dados de pressões ao longo da calha, junto às quinas dos degraus e na bacia de dissipação junto ao pé do vertedouro, bem como dados referentes às alturas de escoamento e medições de velocidade de entrada de ar utilizando como sistema aerador defletores de diferentes comprimentos em conjunto com uma câmara de ar. Os dados obtidos foram comparados a dados provenientes de ensaios com aeração natural e também foi estimada teoricamente a concentração de ar junto ao fundo da calha. De forma geral as pressões analisadas, com diferentes probabilidades de não excedência, com exceção da região de impacto do jato, não apresentaram diferenças significativas em relação às mesmas pressões com aeração natural. Porém foi observada concentração de ar ao longo de todo o contato do escoamento com a calha. A concentração de ar foi maior utilizando o defletor de maior comprimento, sendo superior a 3% em todos os pontos da calha para as vazões até 0,4 m³/s/m (referente a cerca de 23 m³/s/m em protótipo) o que representa uma vantagem significativa em relação à aeração natural, que tem início de inserção de ar no escoamento apenas a jusante do ponto de início de aeração. Também foi realizada uma análise de dissipação de energia que indicou que não houve alteração na dissipação de energia com a indução de ar no escoamento devido às concentrações não serem suficientes para reduzir significativamente o coeficiente de atrito.