Modelagem computacional utilizando autômatos celulares para o cálculo do total de gás dissolvido

Abstract

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