Velocimetria por Processamento de Imagens (PIV) aplicada a escoamentos fluviais

Abstract

Resumo: Para o estudo proposto, utilizou-se a tecnica de velocimetria por processamento de imagens de particulas para grandes escalas (LS-PIV), que consiste no registro fotografico da superficie do escoamento onde previamente se adicionou tracadores flutuantes. O deslocamento de grupos de tracadores e obtido a partir da comparacao de fotos sequenciais e, conhecendo-se o tempo de registro das imagens, obtem-se a velocidade superficial do escoamento. A tecnica foi aplicada diretamente as obras hidraulicas do modelo reduzido da Usina Hidreletrica de Sinop. Para definicao do metodo foram realizados testes exploratorios onde foram ajustadas as configuracoes da imagem, o sistema de iluminacao, a calibracao das velocidades, os parametros do software de processamento de imagens e foram escolhidos os tracadores. Apos a definicao do metodo foi realizado um estudo detalhado das relacoes existentes entre o tipo da particula tracadora e os ajustes de resolucao espacial do programa de correlacao estatistica. Este esforco resultou na validacao do metodo a partir do levantamentos de velocidades realizados em duas secoes localizadas na area de aproximacao do vertedouro. Os parametros e procedimentos operacionais validados foram utilizados para caracterizacao do escoamento em tres areas do modelo reduzido da Usina Hidreletrica de Sinop: area de aproximacao do vertedouro, canal de fuga do circuito de geracao e regiao de entorno da ensecadeira de protecao por jusante. Como resultados, foram obtidos, para estas regioes, os campos de velocidades superficiais, as representacoes das linhas de corrente, os padroes de vorticidade e divergencia e um resumo dos valores minimos, medios e maximos das variaveis hidraulicas em funcao da area total do levantamento. A representacao do resultado em formato grafico quantitativo permitiu a verificacao dos tracados predominantes do fluxo, das regioes de recirculacao, das areas de estagnacao e separacao do escoamento, de regioes de intensa turbulencia e ate mesmo a visualizacao da area de ressurgencia proveniente da vazao turbinada. A tecnica de LS-PIV se mostrou bastante eficiente no levantamento dos campos de velocidades relacionados ao escoamento presente nas obras hidraulicas do modelo reduzido da Usina Hidreletrica de Sinop. Palavras-chaves: LS-PIV. Modelo Reduzido. Escoamentos Fluviais.

Abstract: The proposed study comprises the large-scale particle image velocimetry technique (LS-PIV) application, which consists of the photographic record of the floating tracer observed onto the water surface. The displacement of groups of tracers is obtained from the comparison of sequential photos and, regarding the respective recording times, the superficial velocity of the flow is calculated. The technique was applied directly to the hydraulic works of the Sinop Hydroelectric Plant scale model. To define the method, exploratory tests were performed, where image settings, lighting system, speed calibration, the parameters of image processing software were set, and the tracers were chosen. After the method definition, a detailed study regarding the relationship between the tracer type and the spatial resolution settings of the statistical correlation program was carried out. This analysis resulted in the validation of the method from the velocity site surveys performed in two sections located in the spill approach area. The validated parameters and operational procedures were used to the flow characterization in three areas of the Sinop Hydroelectric Power Plant scale model: the spillway approaching area, the generation outlet channel and the downstream cofferdam surrounding areas. Consequently, the fields of surface velocities, the streamline representations, the vorticity and divergence patterns were reached for these regions. In addition, a summary of minimum, average and maximum values of hydraulic variables as a function of the area was delivered. The graphical representation of the quantitative result allowed the verification of flow predominant streamlines, recirculation regions, stagnation areas and flow splits, intense turbulence regions. As an unexpected result, the graphical representation provides the visualization of the resurgence flow area in the outlet channel. Thus, LS-PIV technique proved to be an effective tool in the hydraulic field surveying applied to Sinop Hydroelectric Power Plant scale model. Key-words: LS-PIV. Reduced Hydraulic Model. Rivers Flows.