Estudo das tensões tangenciais em leitos de canais utilizando modelo computacional

Abstract

Resumo: A avaliação da capacidade de transporte de sedimentos usualmente utiliza o conceito de tensão tangencial média ????, calculada a partir da Equação Geral da Resistência. No entanto, estudos experimentais conduzidos por Ota e Nalluri (2003) demonstraram que, para seções circulares rugosas com profundidades intermediárias de fluxo, a capacidade de transporte de sedimentos por arraste é subestimada ao utilizar o valor da tensão tangencial média ????. Buscando determinar os valores de tensão tangencial que permitissem avaliar a capacidade real de transporte de sedimentos, o propósito desta pesquisa foi realizar simulações em modelo numérico (Telemac3D) que permitissem determinar relações entre tensão tangencial média e máxima no fundo de canais com seção transversal circular, trapezoidal e retangular, considerando escoamento uniforme e permanente. Para a representação da geometria da seção transversal circular, fez-se necessária uma alta definição de nós na malha de elementos finitos, tornando muito longos os tempos de simulação. As simulações em canal trapezoidal indicaram tensões tangenciais inferiores nos vértices quando comparados aos valores no eixo. Uma avaliação quantitativa mais precisa não pôde ser realizada devido à variabilidade dos resultados do modelo numérico na região do contorno do canal próxima à superfície livre. As tensões tangenciais nos canais trapezoidais e retangulares resultaram inferiores aos indicados em bibliografia. De modo geral, o modelo numérico apresentou resultados instáveis, com variações de acordo com a discretização vertical (número de camadas) da malha de elementos finitos. O Telemac3D mostrou-se uma ferramenta instável para o estudo em questão. Palavras-chave: Distribuição de tensão tangencial no leito. Dinâmica dos fluidos computacional. Escoamento em canais.

Abstract: The evaluation of sediment transport capacity usually uses the concept of mean shear stress , calculated from the Resistance Equation. However, experimental studies conducted by Ota and Nalluri (2003) have shown that, for rough circular sections with intermediate flow depths, the sediment transport capacity is underestimated by using the mean shear stress value . The purpose of this research was to perform simulations in a numerical model (Telemac3D) that allowed the determination of the relationship between mean and maximum shear stress on the bottom for circular, trapezoidal and rectangular cross-sections, considering uniform flow and permanent with free surface. A high definition of nodes in the finite element mesh was necessary to represent the geometry of the circular cross section, making simulation time unfeasible. The trapezoidal channel simulations indicated lower shear stresses at the vertices when compared to the values on the axis. A more accurate quantitative assessment could not be performed due to the variability of numerical program results in the contour region of the channel near the free surface. Shear stresses in the trapezoidal and rectangular channels were inferior to those indicated in the bibliography. In general, the numerical model presented unstable results, with variations according to the vertical discretization (number of layers) of the finite element mesh. Telemac 3D appeared unstable for the present study. Keywords: Shear tension distribution in the bed. Fluid computational dynamics. Flow in channels.