Modelagem física da utilização de soleiras entre trechos liso e em degraus em uma descida de água: uma análise fotográfica
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Dissertação de mestrado
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Primeiro orientador
Membros da banca
José Carlos Cesar Amorim
Maurício Dai Prá
Maurício Dai Prá
Resumo
Este trabalho apresenta uma análise experimental dos efeitos da mudança brusca de
declividade em um canal em modelo físico reduzido. A mudança brusca de declividade
em um canal, de menor para maior declividade, pode ocasionar o descolamento do
fluxo, originando um jato que atinge o segundo trecho com potencial de ocasionar
dano a estrutura.
Neste trabalho são conduzidos dois experimentos utilizando-se de um canal localizado
no Centro de Pesquisas Hidráulicas da Universidade federal de Minas Gerais (CPHUFMG). O canal é composto por três trechos, sendo um primeiro trecho em degraus
(26°), seguido de um trecho horizontal liso, terminando em um novo trecho em degraus
(26°). O primeiro experimento testa de diferentes vazões e avalia o efeito da alta
velocidade do escoamento no segundo trecho em degraus. Já o segundo
experimento, também envolvendo várias vazões, explora os efeitos da utilização de
uma soleira no trecho horizontal para diminuir a velocidade do escoamento e impedir
o descolamento do escoamento no início do segundo trecho em degraus.
Para o entendimento dos fenômenos que envolvem a ocorrência do jato e o controle
do escoamento por soleira, são apresentados os parâmetros da modelagem física.
Todos os dados do escoamento são obtidos por meio de filmagem. É apresentada
uma proposta de tratamento dos dados por meio de análises de visão computacional,
em especial relacionadas à biblioteca OpenCV, em linguagem de programação
Python.
Por meio dos códigos desenvolvidos, é possível extrair das filmagens os parâmetros
necessários para análise qualitativa e quantitativa dos jatos de descolamento no
primeiro experimento e do efeito da utilização de soleiras na transição entre trechos
de diferentes declividades. A utilização da visão computacional para a obtenção dos
parâmetros do escoamento esbarra em algumas limitações, como a não obtenção da
carga piezométrica e da velocidade, mas se mostram de grande utilidade na
verificação da operação dos modelos reduzidos.
Com base nas equações de movimento balístico, é possível prever a trajetória do jato
com base na velocidade de entrada do jato. As metodologias aqui apresentadas
mostram como é possível prever o ponto de impacto do jato e avaliar as suas
consequências.
Com a utilização de soleiras, é possível impedir a ocorrência dos jatos. No entanto, a
utilização das soleiras promove a ocorrência do ressalto hidráulico a montante. Os
resultados indicam que, a partir de determinada vazão, a recirculação do ressalto se
propaga até a região sobre a soleira, gerando um jato no escoamento.
Por fim, são discutidos os parâmetros de modelagem física relacionados ao controle
do escoamento por outras soleiras e as relações experimentais necessárias para guiar
os próximos estudos e dimensionamentos de soleiras em mudanças de direção
vertical bruscas.
Abstract
This work presents an experimental analysis of the sudden slope changes effects in a
chute using physical modeling. A sudden slope changes from lower to higher slope in
a chute can cause the flow detaching from the surface, occurring a jet flow that reaches
the floor above with potential to cause damage to the structure.
In this work, two experiments are made using an experimental acrylic flume located at
the Centro de Pesquisas Hidráulicas da Universidade federal de Minas Gerais (CPHUFMG). The flume is made up of three stretches, the first stretch is a stepped chute
(26º), followed by a smooth horizontal stretch, ending in a new stepped chute (26º).
The first experiment uses different flow rates and evaluates the effect of high flow
speed in the entrance of the second stepped chute. Also using various flow rates, the
second experiment explores the effects of using an end sill in the horizontal section to
reduce flow speed and prevent flow detachment at the second chute.
The physical modeling parameters to understand the occurrence of the jet and the
control of flow through the sill are presented. All flow data is obtained by flow video
recording. For data processing through computer vision analysis, a technique is
proposed using OpenCV library, in Python coding language.
Using the codes developed, it is possible to extract from the footage the necessary
parameters for qualitative and quantitative analysis of the detachment jets in the first
experiment and the effect of sills in the second experiment. The use of computer vision
to obtain the flow parameters faces some limitations, such as not obtaining the flow
piezometric head and velocity, but they prove to be very useful in verifying the
operation of physical models.
Based on the ballistic equations of motion, it is possible to predict the trajectory of the
jet based on the incoming speed of the flow. The methodologies presented shows how
it is possible to predict the point of impact of the jet and evaluate its consequences.
With the use of end sills, it is possible to prevent the occurrence of jets. However, the
use of sills promotes the occurrence of hydraulic jump on the horizontal stretch. The
results indicate that for higher flow rates the recirculation of the hydraulic jump ends
just above the end sill, generating a new flowing jet.
Finally, the physical modeling parameters related to the control of flow by using other
sills and the experimental relationships are discussed, looking forward to guide future
studies and sills design in sudden slope changes.
Assunto
Engenharia sanitária, Recursos hídricos - Desenvolvimento, Canais (Engenharia hidráulica), Modelagem física, Água - Escoamento - Velocidade
Palavras-chave
Modelagem física, Escoamento em degraus, Ressalto controlado por soleiras, Quedas singulares, Visão computacional
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