Avaliação computacional de zonas de separação em escoamentos sobre vertedouros

Abstract

Resumo: Separação em vertedouros de superfície acarreta na diminuição da capacidade de descarga da estrutura, portanto precisa ser evitada. A ocorrência desse fenômeno foi documentada em estudos de modelo físico reduzido em duas circunstâncias: operação com carga hidráulica muito acima da carga de projeto e operação com alto grau de submergência. Nesta dissertação são apresentados os principais aspectos para formação da zona de separação e critérios para dimensionamento de vertedouros de superfície. Os dois casos documentados com existência de zona de separação foram reproduzidos em um modelo computacional tridimensional e os resultados obtidos por este modelo foram comparados com os resultados levantados nos modelos físicos. O programa FLOW-3D mostrou-se capaz de representar a separação a jusante das cristas dos vertedouros em ambos os casos, resultando em diferenças no coeficiente de descarga menores que 2 % entre o modelo computacional e o modelo físico em todas as simulações realizadas. Um comparativo entre os resultados para diferentes modelos de turbulência mostrou uma melhor capacidade dos modelos baseados nas Equações Médias de Reynolds de duas equações na representação do fenômeno, com superioridade do Grupo Renormalizado. Os efeitos de escala mostraram-se com pouca influência, devido aos elevados números de Reynolds dos escoamentos simulados. A importância do quadrante de jusante do perfil vertente foi explorada, mostrando-se determinante na supressão da ocorrência das zonas de separação e nos efeitos destas na capacidade de descarga de vertedouros de superfície. Palavras-chave: Vertedouros de superfície. Zona de separação. Dinâmica dos fluidos computacional. FLOW-3D.

Abstract: Separation in overflow spillways leads to reduction of the discharge capacities, therefore it needs to be avoided. This phenomenon has been presented in studies with reduced hydraulic models under two circumstances: operation with hydraulic head greater than the design head and operation with downstream submergence. In this dissertation, the criteria for separation and main parameters for overflow spillway design are showed. Both separation cases presented were reproduced in a tridimensional computer model and the results were compared with the physical model results. Flow-3D software proved to be able to represent the separation downstream the spillways crests in either cases, resulting in discharge coefficients differences smaller than 2 % in comparison with the ones obtained in physical models for all the simulations. An evaluation of the turbulence models showed a better capacity of Reynolds Averaged Navier-Stokes two-equation models in simulating the separation, with advantage for the Renormalization-Group model. The scale effects demonstrated to have little influence in the results, due the high Reynolds numbers of the simulated flows. The significance of the downstream crest shape was explored and has showed to be important to avoid separation and its effects in overflow spillways discharge capacity. Key-words: Overflow spillways. Separation of flow. Computational fluid dynamics. FLOW-3D.