Avaliação hidráulica de escoamento livre com mudanças de direção com o auxílio de modelo experimental
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Dissertação de mestrado
Título alternativo
Hydraulic evaluation of open channel flow in sharp bends through experimental modelling
Primeiro orientador
Membros da banca
Gustavo Meirelles Lima
Aloysio Portugal Maia Saliba
Maurício Dai Prá
Aloysio Portugal Maia Saliba
Maurício Dai Prá
Resumo
Estruturas de drenagem superficial são comuns no contexto da mineração no Brasil,
sendo encontradas em pilhas de estéril, barragens, cavas e outras estruturas. Suas
geometrias podem ser influenciadas por diversas condições de campo, como
restrições de terraplenagem e espaço disponível. Dessa forma, é comum utilizar
dispositivos de mudança de direção, ou deflexões, para contornar essas dificuldades.
Este estudo investiga o escoamento livre em mudanças de direção em canais de
drenagem superficial, buscando melhor compreender o comportamento do
escoamento nesse tipo de estrutura, com o objetivo de identificar as geometrias mais
eficientes do ponto de vista de variação de profundidade e perturbações causadas no
escoamento, contribuindo para um melhor dimensionamento hidráulico em aplicações
práticas. Para o estudo do fenômeno, foi utilizado um modelo experimental, construído
no Centro de Pesquisas Hidráulicas (CPH) da Universidade Federal de Minas Gerais
(UFMG). Se trata de um modelo de um canal em acrílico, com 15 centímetros de
largura e 35 centímetros de altura, com peças de deflexão em diferentes ângulos (45º,
60º e 90º) que, juntamente com a utilização de fundos falsos para simular degraus e
soleiras antes e depois de cada deflexão, permitem múltiplas configurações
geométricas. Os experimentos foram filmados por múltiplos ângulos e as medições
feitas posteriormente à realização dos testes, por meio de análise de vídeo. Para essa
análise, desenvolveu-se uma ferramenta computacional em linguagem de
programação Python, baseada em modelos de detecção de movimento para medir a
profundidade do escoamento. Dessa forma, foi possível comparar o comportamento
do escoamento em cada configuração geométrica. Os resultados obtidos mostram
que a geometria do fundo do canal impacta significativamente o comportamento do
escoamento nas deflexões, assim como o ângulo de deflexão, tendo sido observadas,
em alguns casos, profundidades máximas na deflexão da ordem de cinco vezes as de
aproximação. Além disso, foram identificados fenômenos como vórtices de
recirculação, zonas de separação e ressaltos hidráulicos em múltiplos testes. Em
relação à propagação de perturbações, concluiu-se que as geometrias B (degrau a
montante e fundo liso a jusante) e C (degrau a montante e soleira a jusante)
apresentaram os melhores desempenhos, a montante e jusante da deflexão,
respectivamente. Também foi possível concluir que ângulos mais suaves de deflexão
fazem com que as profundidades máximas ocorram mais a jusante e as perturbações
se propaguem por maiores distâncias. Os resultados reforçam a necessidade de se
avaliar cada cenário prático antes de definir a configuração mais adequada, de acordo
com os objetivos almejados no dimensionamento.
Abstract
Surface water drainage structures are common in Brazil’s mining sector, often found
in waste dumps, dams, pits, and other structures. The geometries of these structures
can be influenced by various field conditions, such as earthwork constraints and/or
available space. Sharp bends are commonly used to overcome these difficulties. This
study explores open channel flow in sharp bends to identify the most efficient bend
geometries from the flow depth increase and disturbance propagation perspective,
contributing to improved hydraulic design in practical applications. An experimental
model was constructed to study the phenomenon at the Centro de Pesquisas
Hidráulicas (CPH) of the Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG). The model
consists of an acrylic channel with a width of 15 centimeters and a height of 35
centimeters, with bends at different angles (45º, 60º, and 90º) that, combined with the
use of false channel beds to simulate steps and sills before and after each deflection,
allow for various geometric configurations. Multiple angle records of the experiments
were analyzed using a computational tool developed in Python programming language
based on motion detection models to measure the flow depth, enabling the comparison
of flow behavior across the different geometric configurations. Results show that both
the channel bed geometry and the bend angle significantly impact flow behavior at
sharp bends. In some cases, maximum depths observed at the bend reached up to
five times the approach depths. Additionally, phenomena such as recirculation
vortices, separation zones, and hydraulic jumps were identified in multiple tests.
Regarding disturbance propagation, geometries B (step upstream and smooth bed
downstream) and C (step upstream and sill downstream) exhibited the best
performances upstream and downstream of the bend, respectively. Smoother
deflection angles cause maximum depths further downstream, and disturbances
propagate over longer distances. The results highlight the need for each practical
scenario to be carefully evaluated before determining the most adequate geometry
according to the desired design objectives.
Assunto
Engenharia sanitária, Recursos hídricos - Desenvolvimento, Água - Escoamento, Drenagem - Projetos, Modelos e construção de modelos
Palavras-chave
Mudança de direção, Escoamento livre, Análise de vídeo, Drenagem superficial, Modelagem experimental