Modelagem hidrodinâmica 3D de escoamentos em vertedouros

Abstract

Resumo: Esta pesquisa visa apresentar os resultados de um modelo numérico e comparar com os de um modelo reduzido em escoamentos turbulentos. Foi enfocado o escoamento sobre o vertedouro da UHE São Salvador e foram comparados os resultados (pressões, velocidades, vazão e linha de água) dos modelos numérico e físico. A aplicação de modelos numéricos como uma primeira análise de arranjos de estruturas hidráulicas pode ser de grande utilidade facilitando posteriores estudos em modelos reduzidos físicos. Também pode ser uma importante ferramenta quando questões econômicas ou de cronograma não permitem a utilização de um modelo físico reduzido. Foi utilizado o software FLOW-3D® que usa o método dos volumes finitos para a solução de diversos problemas de mecânica dos fluídos tanto em regime forçado como com superfície livre. Em termos gerais, o método dos volumes finitos utiliza uma malha retangular para resolver o balanço de massa e de quantidade de movimento em um elemento (volume) através da discretização das equações de Reynolds. São apresentados os resultados das simulações numéricas utilizando diferentes discretizações de malha e as diferenças em relação ao modelo físico. Verifica-se que os resultados numéricos dependem fortemente do tamanho da malha. Também foi feita uma análise de sensibilidade dos efeitos da variação da rugosidade mostrando a necessidade de calibração do modelo numérico. Em muitos casos de aplicação de modelos numéricos não se dispõem de medidas físicas para tal calibração, sendo necessário à adoção de valores apresentados na literatura. Também pôde ser onstatada a importância das condições de contorno e da abrangência do domínio de calculo nos resultados computacionais.

Abstract: This research presents and compares results from numerical simulations and measurements obtained in the corresponding physical model regarding turbulent flows. Particularly the results of the flow over the spillway of the São Salvador hydro plant were focused upon. The compared characteristics are pressure, velocities,discharge and free surface elevation. The application of numerical methods as a first analysis of the performance of hydraulic structures may be useful as a guidance for further physical model testing. It’s also an important tool when physical testing is notpossible due to economical or time limitations. The FLOW-3D® software which uses the finite volume numerical method to solve a large range of hydraulic problems was used. It allows the simulation of both forced and free surface flows. In general terms the finite volume method uses a rectangular grid to solve the balance of mass and momentum of the Reynolds equations. Numerical results are presented using different mesh sizes and compared with the physical model esults. Numerical results depend strongly on the mesh size. A sensitivity analysis of wall roughness was also performed showing the need of previous roughness calibration. Often one has no physical results to calibrate the numerical model and the roughness value has to be assumed based on the literature. It was also concluded that boundary conditions and the size of the computational domain plays an important role n the results of numerical models.