anterior a 2002, ver Programa de Pós-Graduação em Engenharia Hidráulica https://hdl.handle.net/1884/39824 2026-04-22T22:23:06Z 2026-04-22T22:23:06Z https://hdl.handle.net/1884/98119 2026-04-16T14:12:20Z 2025-01-01T00:00:00Z

Metodologia computacional para estimativa de esforços na viga inferior de comportas segmento sujeitas a ondas de ressalto hidráulico Resumo: Os cenários atuais indicam que, no Brasil, será cada vez mais comum a construção de usinas hidrelétricas de baixa queda, caracterizadas por vertedouros com alto grau de submergência. Essa condição ocorre devido aos elevados níveis de água de jusante, que tendem a forçar o ressalto hidráulico contra a comporta segmento. A compreensão desses esforços hidrodinâmicos atuantes sobre a viga inferior das comportas segmento, não é amplamente abrangida na bibliografia consagrada. Visto isso, o presente trabalho propõe aprimorar o conhecimento existente neste tema, por meio do desenvolvimento de uma metodologia computacional capaz de estimar esses esforços. Para isso, serão aplicadas técnicas de modelagem computacional que possibilitem a determinação desses esforços, com o objetivo de minimizar as incertezas existentes nas etapas de projeto ou verificação desse tipo de comporta. Este trabalho apresenta parte dos resultados do Projeto de Pesquisa e Desenvolvimento (P&D), regulamentado pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), identificado pelo código PD-06491-0445/2017 e intitulado "Critério Empírico e Metodologia Computacional para a estimativa de Esforços na Viga Inferior de Comportas Segmento Sujeitas a Ondas de Ressalto Hidráulico", no que diz respeito a metodologia computacional desenvolvida no âmbito desse projeto de pesquisa. O projeto foi desenvolvido pelas empresas executoras Lactec - Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento e Intertechne Consultores S.A, e financiado pela Copel Geração e Transmissão S.A; Abstract: The currrent scenarios indicate that, in Brazil, it will become increasingly common to construct low-head plants, characterized by spillways with a high degree of submergence. This condition occurs due to high downstream water levels, which tend to push the hydraulic jump against the segment gate. The understanding of the hydrodynamic forces acting on the inferior beam of segment gates is not widely covered in the established literature. Given this, the present work aims to enhance the existing knowledge on this subject through the development of a computational methodology capable of estimating these forces. For this purpose, computational modeling techniques will be applied to determine these forces, with the objective of minimizing uncertainties during the design or verification phases of this gate’s type. This work presents part of the results of the Electric Sector’s Research and development program, regulated by National Agency of Electric Energy (ANEEL), identified by code PD-06491-0445/2017 and entitled "Empirical Criterion and Computational Methodology for the Estimation of Efforts in the Lower Beam of Segment Gates Subject to Hydraulic Jump Waves" ("Critério Empírico e Metodologia Computacional para a estimativa de Esforços na Viga Inferior de Comportas Segmento Sujeitas a Ondas de Ressalto Hidráulico", in Portuguese) specifically regarding the computational methodology developed as part of this research project. The was carried out by the executing companies Lactec Instituto de Tecnologia para o desenvolvimento and Intertechne Consultores S.A., and financed by the Copel Geração e Transmissão S.A Orientador: Prof. Dr. José Junji Ota; Coorientador: Prof. Fernando Oliveira Andrade (in memoriam); Banca: José Junji Ota (Presidente da Banca), Andre Luiz Tonso Fabiani, Bruno Victor Veiga e Marcos Cristiano Palu; Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Recursos Hídricos e Ambiental. Defesa : Curitiba, 30/05/2025; Inclui referências

2025-01-01T00:00:00Z https://hdl.handle.net/1884/101651 2026-04-14T15:38:18Z 2025-01-01T00:00:00Z

Modelagem computacional utilizando autômatos celulares para o cálculo do total de gás dissolvido Resumo: A Saturação Gasosa, também conhecida como Total de Gás Dissolvido (TDG -Total Dissolved Gas), pode ocorrer em barragens, cachoeiras e corredeiras. Em usinas hidroelétricas, eventos de vertimento elevam significativamente os níveis de TDG, podendo provocar a doença da bolha (GBD – Gas Bubble Disease) na ictiofauna. Uma forma de reduzir a supersaturação de TDG em vertedouros é a instalação de defletores, que modificam a hidrodinâmica do escoamento, evitando que a alta velocidade do fluxo "empurre" "bolhas" de gás para regiões profundas da bacia de dissipação, onde a alta pressão favorece sua dissolução e, consequentemente, o aumento do TDG. Idealmente, o projeto desses defletores deve ser fundamentado em ensaios em modelo físico, complementados por estudos em modelos matemáticos ou computacionais. Entretanto, simulações numéricas demandam um grande esforço computacional. O objetivo desta tese foi desenvolver um modelo computacional baseado em autômatos celulares para o cálculo do TDG, capaz de estimar o valor máximo e o comportamento do TDG ao longo do vertedouro e da bacia de dissipação. O modelo de autômatos celulares, apresentado e implementado nesta tese, apresentou valores máximos de TDG ao longo do vertedouro e da bacia de dissipação, aderentes a outros estudos, sendo um modelo promissor para estimar esse parâmetro de qualidade da água. Devido ao menor esforço computacional, o modelo proposto baseado em autômato celular, pode ser aplicado nas etapas de Estudo de Viabilidade ou Projeto Básico de aproveitamentos hidroelétricos. Nesses estágios iniciais, a ferramenta permite estudar os valores máximos de TDG e propor, de forma simplificada, a geometria preliminar de um defletor em vertedouros, contribuindo para reduzir, desde o início do projeto, os riscos à ictiofauna; Abstract: Gas supersaturation, also known as Total Dissolved Gas (TDG), may occur in dams, waterfalls, and rapids. In hydroelectric plants, spill events can significantly increase TDG levels, potentially causing gas bubble disease (GBD) in fish. One approach to reducing TDG supersaturation in spillways is the installation of deflectors, which modify the flow hydrodynamics and prevent the high-velocity jet from driving gas bubbles into deeper regions of the stilling basin. At greater depths, the elevated hydrostatic pressure promotes bubble dissolution, thereby increasing TDG. Ideally, the design of these deflectors should be supported by physical model tests, complemented by mathematical or computational modeling. However, numerical simulations require substantial computational resources. The objective of this thesis was to develop a cellular automata model for calculating TDG, capable of estimating both the maximum TDG value and its spatial distribution along the spillway and stilling basin. The cellular automata model presented and implemented in this thesis showed maximum TDG values along the spillway and stilling basin, with good agreement with other studies, demonstrating its potential as a reliable tool for estimating this water quality parameter. Due to its lower computational cost, the proposed cellular automata model can be applied during the Initial Studies or Basic Design phases of hydropower projects. At these early stages, the tool enables the assessment of maximum TDG levels and the simplified proposal of preliminary deflector geometries, thereby helping to mitigate risks to fish fauna during preliminary projects phases Orientador: Prof. Dr. Eloy Kaviski; Banca: Eloy Kaviski (Presidente da Banca), Vanderlei Galina, Jorge Antonio Silva Centeno, Wellington Mazer e José Junju Ota; Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Recursos Hídricos e Ambiental. Defesa : Curitiba, 15/12/2025; Inclui referências

2025-01-01T00:00:00Z https://hdl.handle.net/1884/98432 2026-04-10T17:47:54Z 2025-01-01T00:00:00Z

Dinâmica da interação entre o ferro e o carbono orgânico dissolvido em sistema aquático considerando o aporte difuso Resumo: O carbono orgânico dissolvido exerce papel fundamental na dinâmica do transporte e transferência de poluentes em ambientes aquáticos, influenciando na mobilidade, na biodisponibilidade e na persistência tanto de substâncias orgânicas como inorgânicas. Esta pesquisa investigou a atuação do carbono orgânico dissolvido como coadjuvante no transporte de ferro, com base no desenvolvimento de um modelo matemático sítio específico, fundamentado na abordagem pelo balanço de massa. O rio Passaúna, localizado na Região Metropolitana de Curitiba, Paraná, foi adotado como estudo de caso devido a sua importância para o abastecimento público e carência de estudos voltados à dinâmica fluvial a montante do reservatório. O modelo desenvolvido é integrado por três módulos calibrados e confirmados, o que permitiu simular a dinâmica do transporte fluvial de sólidos suspensos, do ferro e do carbono orgânico dissolvido. Os resultados mostraram bom ajuste entre os dados observados in situ e os simulados, com os valores para o coeficiente de Nash-Sutcliffe superiores a 0,9, o que indica ajuste quase perfeito entre os dados simulados e observados, e baixos valores para a média dos desvios absolutos para todas as variáveis calibradas. Ao longo de 50 dias, as simulações permitiram estimar o transporte de, aproximadamente, 320 t de sólidos suspensos, 31 t de carbono orgânico dissolvido e 5 t de ferro através da seção de controle, o que mostra a importância da modelagem integrada no contexto do escoamento superficial com aporte difuso de poluentes. A aplicação do teste de correlação de Pearson entre o transporte de carbono orgânico dissolvido e de Fe resultou no valor para o coeficiente e correlação (r) igual a 0,886. Este valor evidencia a forte correlação entre ambos os parâmetros. Valores de pH próximos da neutralidade podem favorecer a formação de hidróxidos de ferro. Entretanto, a presença do carbono orgânico dissolvido contribuiu para a manutenção de parte do metal na fase dissolvida, mesmo considerando o valor do pH de 7,3, em média, intensificando o transporte do Fe na fração dissolvida. As simulações também indicaram que a associação entre o carbono orgânico dissolvido e o ferro reduz a taxa de sedimentação do metal, aumentando sua mobilidade. A abordagem adotada nesta pesquisa mostrou que modelos matemáticos integrados são ferramentas efetivas para simular a dinâmica de transporte de poluentes em corpos aquáticos, particularmente rios. Modelos concebidos para um sistema aquático específico podem ser de grande valia para o entendimento das peculiaridades do sistema e, consequentemente, produzir melhores condições para o planejamento de ações de monitoramento e gestão de recursos hídricos. Os resultados obtidos nesta pesquisa reforçam a importância de incluir o carbono orgânico dissolvido como variável estratégica em modelos de qualidade da água voltados ao controle de sistemas fluviais; Abstract: Dissolved organic carbon plays a key part in the transport and transfer of pollutants in aquatic environments, influencing the mobility, bioavailability, and persistence of both organic and inorganic substances. This research investigated the role of dissolved organic carbon as a coadjutant in iron transport by developing a site-specific mathematical model based on a mass balance approach. The Passaúna River, located in the Metropolitan Region of Curitiba, Paraná, was chosen as a case study due to its importance for public water supply and the lack of research on fluvial dynamics upstream of the reservoir. The model combines three calibrated and confirmed modules to simulate the transport dynamics of suspended solids, iron, and dissolved organic carbon in rivers. The results showed a good fit between the simulated and in situ data, with Nash-Sutcliffe coefficient values greater than 0.9, which suggests an almost perfect alignment between the simulated and observed data. Additionally, all calibrated variables displayed low mean absolute deviations. Over 50 days, the calculations predicted that about 320 tons of suspended particles, 31 tons of dissolved organic carbon, and 5 tons of iron passed through the control area. These findings emphasize the relevance of integrated modeling in understanding surface runoff and diffuse pollution. Pearson's correlation test on the transport of dissolved organic carbon and iron produced a correlation coefficient (r) of 0.886. This value indicates a high correlation between these two factors, which supports the thesis' hypothesis. Near neutral pH values can favor the formation of iron hydroxides. Nevertheless, even with an average pH of 7.3, dissolved organic carbon helped keep some iron in the solution. The simulations indicated that the interaction between dissolved organic carbon and iron decreases the metal's sedimentation rate. Therefore, integrated mathematical models are effective tools for simulating pollutant transport dynamics in aquatic environments, particularly rivers. This study highlights the pivotal role of integrated mathematical models for simulating contaminant transport in aquatic environments, especially rivers. Models conceptualized for specific aquatic systems enhance understanding of their unique characteristics, paving the way for more effective monitoring and water resources management strategies. The findings underscore the importance of including dissolved organic carbon as a strategic variable in water quality models Orientadora: Prof.ª Maria Cristina Borba Braga; Coorientador: Prof. Dr. Sérgio Michelotto Braga; Banca: Maria Cristina Borba Braga (Presidente da Banca), Adilson Pinheiro, Patricio Guillermo Peralta Zamora, Júlio César Rodrigues de Azevedo, Cristovão Vicente Scapulatempo Fernandes Sérgio Michelotto Braga, e José Junji Ota; Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Recursos Hídricos e Ambiental. Defesa : Curitiba, 02/07/2025; Inclui referências; Área de concentração: Engenharia de Recursos Hídricos

2025-01-01T00:00:00Z https://hdl.handle.net/1884/97962 2026-04-06T14:54:49Z 2025-01-01T00:00:00Z

Uso de modelagem numérica como ferramenta exploratória de conceitos da mecânica dos fluidos : simulação de escoamento livre em canal retangular com OpenFOAM Resumo: A prática de ensaios experimentais no currículo do ensino em engenharia visa dinamizar o processo de ensino e aprendizagem. No entanto, o investimento e manutenção da infraestrutura costumam ser relegados à segundo plano e os novos currículos simplificados tendem a escolher práticas paliativas como substitutos. De maneira a enfrentar essas restrições, a modelagem numérica encontra-se acessível e tem potencial para simular as práticas laboratoriais através de modelos desenvolvidos em OpenFOAM, uma ferramenta livre e com uma comunidade de desenvolvedores sólida e ampla. Esse conjunto de bibliotecas é utilizado em muitas indústrias, e já ganhou notoriedade e credibilidade no meio acadêmico. Com os modelos definidos, as investigações pelos alunos podem ser executadas com computadores pessoais, em sala ou extra sala, possibilitando ampliar análise e exploração de dados em conjunto com os ensaios. Neste sentido, parte-se da hipótese de que é possível representar numericamente em OpenFOAM a hidrodinâmica do canal físico presente em laboratório, segundo a determinação do conjunto de estratégias numéricas referentes aos modelos que resultam simular o escoamento do canal. Como objetivo geral, pretende-se criar um modelo numérico hidrodinâmico representativo do canal físico com ferramentas de código aberto e passível de ser utilizado enquanto recurso didático na aprendizagem da mecânica dos fluidos no contexto do ensino superior. Após a criação do modelo, pode-se comparar os resultados numéricos com valores medidos em ensaio no canal, e com isso acessar a capacidade isso, obter valores bem próximos dado o potencial do OpenFOAM. O modelo superou em representar os fenômenos hidráulicos de ressalto hidráulico e vertimento; Abstract: The use of experimental procedures in engineering education aims to enhance the teaching and learning process. However, the high cost of investment and maintenance of laboratory infrastructure is often overlooked, leading to the adoption of palliative alternatives in modern curricula. In this context, numerical modeling emerges as a viable, accessible, and effective approach to simulate laboratory practices, particularly through the use of OpenFOAM, an open-source tool widely recognized in both industry and academia. This dissertation is based on the hypothesis that it is possible to numerically represent, with fidelity, the hydrodynamics of a physical laboratory channel using OpenFOAM. The main objective is to develop a representative numerical model of the channel that can serve as an educational resource for teaching fluid mechanics in higher education. Two experimental tests were conducted in the laboratory to obtain validation data. The numerical model was then developed and simulated based on the experimental conditions. The numerical results showed good agreement with the measured data, especially in representing the hydraulic phenomena of hydraulic jump and overflow. The discrepancy between the simulated and observed profiles was minimal, demonstrating the potential of OpenFOAM as a teaching and numerical validation tool. It is concluded that the developed model is suitable for educational purposes and can expand students’ access to hydrodynamic analysis beyond the physical laboratory Orientador: Prof. Dr. Tobias Bleninger; Banca: Tobias Bernward Bleninger (Presidente da Banca), Maurício Felga Gobbi, ndre Luiz Tonso Fabiani e Marcos Cristiano Palu; Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos e Ambiental. Defesa : Curitiba, 23/04/2025; Inclui referências; Área de concentração: Engenharia de Recursos Hídricos

2025-01-01T00:00:00Z