Avaliações numéricas de chaminés de equilíbrio : subsídios para projetos de circuitos de geração

Abstract

Resumo: Estudar detalhadamente os transientes hidráulicos dos circuitos de geração de usinas hidrelétricas de alta queda e as oscilações de água nas chaminés de equilíbrio pode indicar otimizações importantes nas estruturas hidráulicas e defini-las economicamente. Com a atual disponibilidade dos recursos computacionais, diferentes métodos de resolução das equações do escoamento não-permanente em condutos podem ser desenvolvidos. O objetivo desta dissertação é realizar a comparação entre os resultados de métodos de resolução de chaminés de equilíbrio, baseados em métodos numéricos de diferentes complexidades, com os resultados obtidos de um protótipo instalado em laboratório hidráulico. Quatro métodos são comparados: o primeiro considera o fenômeno como de aceleração da massa de água no conduto forçado, o segundo corresponde à solução das equações do escoamento não-permanente a partir das curvas características, o terceiro método soluciona as equações do escoamento não permanente por diferenças finitas discretizadas pelo esquema difusivo de Lax e o quarto pelos critérios editados pela ELETROBRÁS. O segundo e o quarto método são amplamente utilizados pelos projetistas devido à simplificações das equações, estas necessárias para a resolução. Em geral, todos os métodos apresentaram resultados condizentes com as observações do protótipo. Os modelos computacionais tiveram maiores discrepâncias nos resultados de abertura da válvula. A maior diferença observada entre todos os resultados observados foi referente ao método de cálculo pelos critérios da ELETROBRÁS, mas soluciona a estrutura a favor da segurança. Para estudos preliminares de chaminés de equilíbrio são adequados, mas para etapas posteriores podem indicar estruturas antieconômicas.

Abstract: The detailed study of the hydraulic transients of water power circuits of high headhydropower plants and the design of surge tanks is an effort that can indicate the need for substantial changes of the structures, and the opportunity for defining them more economically. With the present easy and cheap availability of computational resources different computational methods for the solution of the non-permanent flow equations in conduits can be developed without major difficulties. The aim of this dissertation is the comparison among the results of computational models based on numerical methods of different complexities and the data taken from a prototype installed in a hydraulic laboratory. Basically four methods were compared: the first is based on ordinary differential equations of the permanent flow. The second one corresponds to the solution of thenon-permanent flow equations by the characteristic method and the third is based on the criteria edited by ELETROBRÁS. The second and the third methods are widely used by designers because its simplicity. The forth is the solution of the variable flow by the Lax diffusive scheme using Pascal computer language and finite differences method. Generally all four methods presented results adherent to the prototype data. The computational methods have only shown greater differences on the valve opening data. The exception resulted from the application of ELETROBRÁS’ criteria that showed major differences and conservative results, generally leading to antieconomic design. Thus this method is just applicable for preliminary studies.