Análise experimental e numérica de padrões de escoamento e de deposição de sedimentos em reservatórios retangulares rasos: influência do posicionamento dos canais de entrada e de saída
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Experimental and numerical analysis of flow patterns and sediment deposition in shallow rectangular reservoirs: influence of the positioning of the inlet and outlet channels
Primeiro orientador
Membros da banca
António Heleno Cardoso
Márcio Benedito Baptista
Jorge de Saldanha Gonçalves Matos
José Junji Ota
Geraldo de Freitas Maciel
Márcio Benedito Baptista
Jorge de Saldanha Gonçalves Matos
José Junji Ota
Geraldo de Freitas Maciel
Resumo
Os escoamentos rasos correspondem a escoamentos turbulentos com profundidade limitada
por uma superfície de fundo e por sua superfície livre, cuja dimensão é significativamente
menor do que as duas dimensões horizontais. São de grande importância para a Engenharia
Hidráulica, já que se relacionam a aplicações frequentemente adotadas, tais como as bacias de
detenção, as lagoas de estabilização para tratamento de efluentes, assim como os tanques de
aquicultura.
Usualmente, os escoamentos rasos são tratados como escoamentos bidimensionais ou “quase bidimensionais”,
tanto por conta da velocidade líquida, admitida como a média do perfil
vertical, quanto por suas flutuações turbulentas. Suas características tridimensionais são
introduzidas por efeitos difusivos e dispersivos turbulentos adicionais.
Pelo fato de estarem associados a baixas velocidades de escoamento, os reservatórios rasos,
para os quais se aplicam as premissas ora mencionadas, são frequentemente afetados por
contínuo processo de sedimentação. Destaca-se, por esta razão, a importância em se ampliar o
conhecimento acerca de seu comportamento hidrodinâmico em função da configuração
geométrica e das condições hidráulicas. Uma vez compreendidos os principais fenômenos em
causa, seria possível estabelecer um adequado plano de manutenção desses reservatórios e
estimar sua vida útil de forma mais robusta e assertiva.
A presente pesquisa teve como objetivo analisar, a partir de abordagem experimental e
numérica, a influência do posicionamento variável dos canais de entrada e de saída sobre o
padrão de escoamento e sobre a deposição de sedimentos em dois reservatórios retangulares
rasos, para vazões e profundidades distintas.
Para tanto, foram realizados dois programas experimentais associados a reservatórios com
diferentes dimensões, vinculados pela relação de escala 1:2, um no Centro de Pesquisas
Hidráulicas da Universidade Federal de Minas Gerais (CPH-UFMG, Brasil) e o outro, no
Laboratório de Hidráulica do Instituto Superior Técnico de Lisboa (LH-IST, Portugal). Em
ambos os casos, foram consideradas três possibilidades de acoplagem dos canais de entrada e
de saída na correspondente parede do reservatório: esquerda (L), central (C) e direita (R). Para
cinco diferentes combinações geométricas dos canais (CC, LC, LL, LR e CR), realizaram-se
ensaios apenas com água, nos dois reservatórios, com o objetivo de caracterizar o padrão de
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escoamento em cada caso. Além disso, para o reservatório português, foram realizados
experimentos envolvendo a introdução contínua de baquelite granular, visando caracterizar as
tendências de sedimentação para as diferentes combinações geométricas dos canais, avaliar os
volumes de sedimentos retidos no reservatório em cada caso e permitir a análise dos padrões
de escoamento pós-estabelecimento da condição de equilíbrio sólido do reservatório.
Paralelamente, foram geradas simulações numéricas, para todos os cenários no âmbito desta
pesquisa envolvendo apenas água, auxiliadas por dois programas computacionais, WOLF 2D
e Autodesk® CFD.
Verificou-se, nos ensaios com água limpa e nas simulações numéricas correspondentes, que o
padrão de escoamento foi comparável para todas as configurações geométricas cujo canal de
entrada foi posicionado à esquerda do eixo longitudinal do reservatório (configurações LL,
LC e LR). Para as configurações geométricas CC e CR, contudo, observou-se em algumas
situações não haver convergência entre resultados experimentais e numéricos, provavelmente
por conta de alguma ligeira alteração geométrica não identificada durante os ensaios. Com
relação aos ensaios com sedimentos, constatou-se que o percurso do jato desde o início da
alimentação sólida até a finalização do ensaio foi significativamente afetado pela alteração da
morfologia do fundo, por sua vez, decorrente do processo de sedimentação. Toda a carga
sólida introduzida no reservatório ficou retida até cerca de metade da duração de cada ensaio.
Por outro lado, na metade final de cada experimento, a taxa de retenção diminuiu
progressivamente até resultar no alcance do equilíbrio sólido entre a entrada e a saída do
reservatório. A configuração geométrica LR foi aquela em que houve maior retenção de
sedimentos dentro do reservatório, ao passo que a do tipo LL teria sido aquela com a menor
retenção sólida.
Abstract
Shallow flows correspond to turbulent flows with water depth limited by a bottom surface and
by a free surface, whose dimension is significantly smaller compared to the horizontal ones.
They are of great importance for Hydraulic Engineering, since they are related to frequently
adopted applications, such as detention basins, stabilization ponds for effluent treatment, as
well as aquaculture tanks.
Usually, shallow flows are treated as two-dimensional or "quasi-two-dimensional" flows,
because of the water velocity, depth-averaged, and because of their turbulent fluctuations.
Their three-dimensional features are provided by additional turbulent diffusive and dispersive
effects.
Shallow reservoirs, for which the aforementioned premises are applied, are often affected by a
continuous sedimentation process, since they are associated with low flow velocities. For this
reason, it is important to increase the knowledge about their hydrodynamic behavior as a
function of their geometric configuration and the hydraulic conditions. Once the main
involved phenomena were understood, it would be possible to establish an adequate
maintenance plan for these reservoirs and to estimate their useful life in a more robust and
assertive way.
The present research had as objective to analyze, from an experimental and numerical
approach, the influence of the variable positioning of the inlet and outlet channels on the flow
pattern and on the sediment deposition in two shallow rectangular reservoirs, for different
flow rates and water depths.
For that, two experimental programs were performed in reservoirs with different dimensions,
linked by the 1: 2 scale ratio, one at the Hydraulic Research Center of the Federal University
of Minas Gerais (CPH-UFMG, Brazil) and the other at the Laboratory of Hydraulics of the
Instituto Superior Técnico of Lisbon (LH-IST, Portugal). In both cases, three possibilities of
coupling the inlet and outlet channels were considered in the corresponding reservoir wall:
left (L), central (C) and right (R). For five different geometric channel combinations (CC, LC,
LL, LR and CR), clear water tests were carried out in both reservoirs, in order to characterize
the flow pattern in each case. In addition, for the Portuguese reservoir, experiments were
carried out involving the continuous introduction of granular bakelite, in order to characterize
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the sedimentation trends for the different geometric channels combinations, to assess the
sediment volumes retained in the reservoir in each case and to allow the analysis of flow
pattern after the establishment of the solid balance condition of the reservoir. At the same
time, numerical simulations were generated for all the clear water scenarios of this research,
aided by two computational programs, WOLF 2D and Autodesk® CFD.
It was verified in the clear water tests and in the corresponding numerical simulations that the
flow pattern was comparable for all geometric configurations whose inlet channel was
positioned to the left of the longitudinal axis of the reservoir (LL, LC and LR configurations).
For the CC and CR configurations, however, it was observed in some situations that there was
no convergence between experimental and numerical results, probably due to some slight
geometric disturbance not identified during the tests. With respect to the sediment tests, it was
verified that the jet path was significantly affected from the beginning of the solid feed until
the end of the test by the alteration of the bottom morphology, in turn, due to the
sedimentation process. All solid volume introduced into the reservoir was retained until about
half the duration of each test. On the other hand, in the final half of each experiment, the
retention rate decreased progressively until it reached the solid balance between the inlet and
the outlet of the reservoir. The LR configuration was the one in which there was greater
sediment retention inside the reservoir, while the LL configuration would have been the one
with the lowest solid retention.
Assunto
Engenharia sanitária, Recursos hídricos - Desenvolvimento, Escoamento turbulento, Reservatório - Sedimentação, Análise numérica
Palavras-chave
Escoamento raso, Sedimentação, Comportamento hidrodinâmico, Avaliação experimental, Avaliação numérica
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