https://hdl.handle.net/1884/39826 2026-04-22T22:23:03Z https://hdl.handle.net/1884/98119 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/1884/97962 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 https://hdl.handle.net/1884/98565 Determinação da dose de cal e período mínimos necessários para obtenção de biossólido classe A Resumo: A estabilização alcalina é uma técnica promissora para o tratamento de lodo de esgoto, visando a redução de patógenos e a produção de biossólido seguro para destinação final com uso agrícola. Este trabalho investigou a eficácia da adição de cal virgem (CaO) e cal hidratada (Ca(OH)2) na higienização de lodo anaeróbio desaguado por centrífuga, provenientes de reatores UASB. O estudo foi dividido em duas etapas principais: avaliação físico-química e avaliação microbiológica. Na avaliação físico química, testaram-se proporções de 30%, 40% e 50% de cal (em relação aos sólidos totais do lodo) e um controle (0%), monitorando pH, sólidos totais (ST) e temperatura por 30 dias. Verificou-se que a dose de 30% de ambas as cales foi suficiente para elevar e manter o pH acima de 12 por 30 dias, atendendo ao critério da CONAMA 498/2020 (pH>12 por 72h) e Instrução Normativa n° 38 do estado do Paraná para estabilização alcalina prolongada. A cal virgem induziu aumento significativo de temperatura nas primeiras horas (até 41,27°C com 50% de cal), potencializando a higienização, enquanto a cal hidratada não apresentou efeito térmico; nenhuma das condições atingiu o critério de temperatura (> 50°C por 12h) da CONAMA 498/2020 para higienização térmica associada. Na avaliação microbiológica, utilizou-se a dose de 30% de ambas as cales, monitorando coliformes termotolerantes, Salmonella spp. (inoculada), ovos viáveis de helmintos e colifagos somáticos FX-174 (inoculado) por 30 dias. Ambos os tratamentos com cal foram altamente eficazes na redução rápida dos indicadores bacterianos: coliformes termotolerantes atingiram níveis abaixo do limite de detecção a partir do terceiro dia, e Salmonella spp. foi inativada nas primeiras horas, atendendo aos critérios da CONAMA 498/2020 e padrões internacionais. Contudo, a inativação do colifago somático foi mais lenta, alcançando níveis indetectáveis somente após segunda semana, evidenciando a maior resistência viral ao tratamento alcalino. Os ovos viáveis de helmintos não foram encontrados em números quantificáveis no lodo inicial, impossibilitando a avaliação de sua inativação. Conclui-se que a dose de 30% é recomendada como referência inicial, sendo suficiente para a manutenção da alcalinidade necessária e a redução efetiva de microrganismos bacterianos e virais, e que o período mínimo necessário de cura é de 21 dias, haja vista a necessidade de um período maior em relação aos bioindicadores virais. A diferença na cinética de inativação dos patógenos reforça a importância de monitorar indicadores virais para garantir a segurança sanitária completa do biossólido. Sugere-se a realização de experimentos em escala plena, a avaliação de processos combinados (alcalino + térmico) e a inoculação de ovos de helmintos para estudos futuros; Abstract: Alkaline stabilization is a promising technique for sewage sludge treatment, aiming at pathogen reduction and the production of safe biosolids for final disposal with agricultural use. This work investigated the effectiveness of adding quicklime (CaO) and hydrated lime (Ca(OH)2) in the hygienization of centrifuge-dewatered anaerobic sludge from UASB reactors. The study was divided into two main stages: physicochemical evaluation and microbiological evaluation. In the physicochemical evaluation, proportions of 30%, 40%, and 50% lime (relative to the total solids of the sludge) and a control (0%) were tested, monitoring pH, total solids (TS), and temperature for 30 days. It was verified that the 30% dose of both limes was sufficient to raise and maintain pH above 12 for 30 days, meeting the criteria of CONAMA Resolution 498/2020 (pH > 12 for 72h) and Normative Instruction No. 38 of the State of Paraná for prolonged alkaline stabilization. Quicklime induced a significant increase in temperature in the first hours (up to 41.27°C with 50% lime), enhancing hygienization, while hydrated lime showed no thermal effect; none of the conditions met the temperature criterion (> 50°C for 12h) of CONAMA 498/2020 for associated thermal hygienization. In the microbiological evaluation, a 30% dose of both limes was used, monitoring thermotolerant coliforms, Salmonella spp. (inoculated), viable helminth eggs, and somatic coliphages FX-174 (inoculated) for 30 days. Both lime treatments were highly effective in the rapid reduction of bacterial indicators: thermotolerant coliforms reached levels below the detection limit from the third day, and Salmonella spp. was inactivated within the first hours, meeting CONAMA 498/2020 criteria and international standards. However, the inactivation of somatic coliphage was slower, reaching undetectable levels only after the second week, highlighting the greater viral resistance to alkaline treatment. Viable helminth eggs were not found in quantifiable numbers in the initial sludge, preventing the evaluation of their inactivation. It is concluded that the 30% dose is recommended as an initial reference, being sufficient to maintain the required alkalinity and effectively reduce bacterial and viral microorganisms, and that the minimum curing period required is 21 days, given the need for a longer period with respect to viral bioindicators. The difference in pathogen inactivation kinetics reinforces the importance of monitoring viral indicators to ensure complete sanitary safety of the biosolid. It is suggested that full-scale experiments, evaluation of combined processes (alkaline + thermal), and inoculation of helminth eggs be carried out in future studies Orientador: Prof. Dr. Miguel Mansur Aisse; Coorientadora: Dr. Simone Bittencourt; Banca: Miguel Mansur Aisse (Presidente da Banca), Maria Elisa Magri, Charles Carneiro, Simone Bittencourt e Heloise Garcia Knapik; Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Recursos Hídricos e Ambiental. Defesa : Curitiba, 16/06/2025; Inclui referências 2025-01-01T00:00:00Z https://hdl.handle.net/1884/98402 Agrupamento de cheias históricas em Rio Negro - Paraná, utilizando o método Fuzzy C-Means Resumo: No Brasil, a frequência de eventos de cheia tem aumentado significativamente, tanto por fatores naturais, quanto antrópicos. A expansão urbana desordenada, particularmente em áreas de risco, as alterações no uso e ocupação do solo, além das mudanças climáticas, contribuem de forma substancial para o agravamento da frequência e severidade das cheias. Os impactos dessas inundações são amplamente sentidos em diferentes esferas da sociedade, manifestando-se em perdas humanas, sobrecarga no sistema de saúde pública e elevado impacto econômico. O município de Rio Negro no Paraná possui um vasto histórico de cheias, observadas ao longo dos anos. Nesse sentido, objetivando compreender o comportamento hidrológico da bacia hidrográfica do Rio Negro e os mecanismos de formação das cheias, este estudo buscou caracterizar tais eventos por meio do agrupamento de cheias históricas, a partir de um conjunto de oito indicadores de severidade de cheia. Para tanto, aplicou-se o método de agrupamento Fuzzy C-Means às cheias observadas no período de 1931 a 2015 na estação fluviométrica Rio Negro (6510000). Foram gerados agrupamentos em quatro cenários distintos, considerando-se a precipitação como um dos indicadores de severidade de cheia e a Análise de Componentes Principais (ACP) para a definição de um segundo conjunto de indicadores (componentes principais). Os resultados obtidos mostraram que o indicador precipitação acumulada, quando incorporada às componentes principais passou a expressar, de forma mais robusta, sua correlação com outras variáveis, como vazão e volume total, melhorando a sensibilidade do agrupamento em relação a variabilidade dos eventos hidrológicos extremos, resultando no melhor agrupamento entre as 4 alternativas analisadas; Abstract: In Brazil, the frequency of flood events has increased significantly, due to both natural and anthropogenic factors. Disorderly urban expansion, particularly in high-risk areas, changes in land use and occupation, and climate change contribute substantially to the worsening of the frequency and severity of floods. The impacts of these floods are widely felt in different spheres of society, manifesting themselves in human losses, overload of the public health system, and high economic losses. The municipality of Rio Negro in Paraná state has a vast history of floods, observed over the years. In this sense, aiming to understand the hydrological behavior of the Rio Negro river basin and the mechanisms of flood formation, this study sought to characterize such events by grouping historical floods, based on a set of eight flood severity indicators. To this end, the Fuzzy C-Means clustering method was applied to the floods observed from 1931 to 2015 at the Rio Negro fluviometric station (6510000). Groups were generated in four different scenarios, considering precipitation as one of the flood severity indicators and 0Principal Component Analysis (PCA) to define a second set of indicators (principal components). The results showed that the accumulated precipitation indicator, when incorporated into the principal components, express, in a more robust way, its correlation with other variables, such as flow and total volume, improving the sensitivity of the clustering in relation to the variability of the extreme hydrological events, resulting in the best clustering among the 4 alternatives analyzed Orientador: Prof. Dr. Eloy Kaviski; Coorientador: Prof. Dr. Júlio Gomes; Banca: Eloy Kaviski (Presidente da Banca), Júlio Gomes, Daniel Henrique Marco Detzel, Regina Tiemy Kishi e Patricia Cristina Steffen; Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Recursos Hídricos e Ambiental. Defesa : Curitiba, 06/06/2025; Inclui referências 2025-01-01T00:00:00Z