Avaliação das tensões tangenciais em ressaltos hidráulicos para dimensionamento de bacias de dissipação

Abstract

Resumo: O ressalto hidráulico é amplamente estudado há muitos anos, e mesmo assim existem muitas incertezas sobre suas propriedades. Normalmente, constrói-se uma bacia de dissipação a jusante de estruturas vertentes, que tem por função proteger o leito contra as possíveis erosões causadas pelo escoamento. O critério clássico é a adoção do comprimento da bacia igual ao comprimento do ressalto hidráulico. Como o fenômeno é altamente turbulento, surgem algumas dificuldades para caracterizar seu comprimento. Primeiramente, não há uma solução analítica que seja capaz de defini-lo por completo, sendo necessário recorrer à modelagem física e estudos empíricos. Como se sabe que a erosão está diretamente relacionada ao desenvolvimento de tensões tangenciais no leito, o objetivo do trabalho é buscar definir o comprimento do ressalto hidráulico com base nessas tensões, tentando encontrar um ponto de potencial erosivo suficientemente baixo. Para isso, realizaramse simulações no software OpenFOAM de ressaltos hidráulicos estáveis, na faixa de número de Froude entre 4,5 e 9,0. Para validar os resultados encontrados, foi realizada simulação em modelo físico. Por fim, utilizando o critério de condição crítica de arraste, definido por Shields, foi definida uma curva com a qual é possível dimensionar o comprimento do ressalto hidráulico, baseado na tensão tangencial crítica. Essa nova medida é menor que as propostas por outros autores, o que indica a necessidade de uma bacia de dissipação menor, para o caso de números de Froude na faixa estável. Palavras-chave: Ressalto hidráulico. Tensões tangenciais. OpenFOAM. Bacia de dissipação.

Abstract: The hydraulic jump is widely studied for many years, and there is still a lot of uncertainties about its properties. Usually, it is build up a stilling basin downstream of spillway structure, which have the role of bed protection against erosion caused by the flow. Usually, it is adopted the stilling basin length equals to the hydraulic jump length. As this phenomenon is highly turbulent, as consequence emerges difficulties to define this length. First, there is no analytical solution capable to define it, so it is necessary to resort to physical modelling and empirical studies. As it is know that the erosion is directly related to bed shear stress development, the objective of this paper is to define the hydraulic jump length based on the bed shear stress, trying to find a point of erosion potential low enough. To do that, simulations were made with OpenFOAM of stable hydraulic jumps, with Froude numbers between 4.5 and 9.0. To validate the obtained results, an experimental work was performed in a physical model. Finally, using the critical scour criteria, defined by Shields, it was defined a curve which turns possible to define the hydraulic jump length, based on critical bed shear stress. This new measure is smaller than the proposed by other authors, what indicates also a smaller stilling basin for stable Froude numbers. Keywords: Hydraulic jump. Bed shear stress. OpenFOAM. Stilling basin.