Modelagem computacional tridimensional de escoamentos em vertedouros de baixa queda

Abstract

Resumo: O Brasil possui cerca de dois terços de seu potencial hidroelétrico inexplorado, sendo que a maioria desse potencial se encontra na Bacia Amazônica. Dessa maneira, o planejamento energético brasileiro, provavelmente, demandará a construção de diversas usinas hidroelétricas na região. A Bacia Amazônica é formada por rios caudalosos, porém possui um relevo caracterizado por planícies, ou seja, usinas hidroelétricas a serem instaladas na região apresentarão como características principais de seus vertedouros uma grande vazão de dimensionamento e um pequeno desnível entre montante e jusante, gerando um escoamento do tipo afogado. Dessa maneira, o presente trabalho buscou avaliar a capacidade de uma ferramenta de modelagem numérica, o software FLOW 3D®, em reproduzir as principais características do escoamento sobre vertedouros com alto grau de afogamento. Para cumprir tal objetivo foram reproduzidos no FLOW 3D® os testes realizados no modelo físico da UHE Belo Monte. Foram realizadas simulações de escoamento livre e controlado nas quais foram comparadas a capacidade de descarga, perfis de linha de água e distribuição de pressões resultante dos dois modelos. As conclusões indicam que o modelo numérico consegue reproduzir satisfatoriamente os escoamentos propostos sendo desde que tomadas algumas precauções em relação à qualidade de malha e à garantia de convergência do modelo. Adicionalmente, foram feitas algumas análises de sensibilidade abordando assuntos como modelos de turbulência, efeito da escala em modelos numéricos, efeito das paredes laterais dos modelos físicos e geometria da crista de vertedouros com alto grau de afogamento.

Abstract: Brazil has about two thirds of its hydroelectric potential untapped and yet most of it lies in the Amazon Basin. Thus, the Brazilian energy planning will probably require the construction of several hydroelectric power plants (HPP) in the region. The Amazon Basin is formed by rivers with very high discharges, but has a landscape characterized by plains, making so that any hydropower to be installed in the region will present as main spillway's features a large design discharge and a small difference between the upstream and downstream water level, generating highly submerged flow. Thus, the present study evaluated the ability of a numerical modeling tool, FLOW 3D®, to reproduce the main features of flows over spillways with high degree of submergence. To fulfill this objective, tests developed in the physical model of the HPP Belo Monte have been reproduced in FLOW 3D®. Free-flow and gated simulations were performed which results concerning discharge capacity, water line profiles and pressure distribution were then compared between the two models. The results indicate that the numerical model can satisfactorily reproduce the proposed flow as long as necessary precautions are taken, such as mesh quality and model convergence insurance. Additionally, some sensitivity analyzes were done addressing issues such as turbulence models, effect of scale in numerical models, effect of side walls of physical models and regarding the geometry of the crest of highly submerged spillways.