energia específica e escoamento crítico

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Energia específica e escoamento crí1co Hidráulica – EN2130 Profa. Dra. Ta8ane Araujo de Jesus [email protected]

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Page 1: Energia Específica e Escoamento Crítico

Energia  específica  e  escoamento  crí1co  

Hidráulica  –  EN2130  Profa.  Dra.  Ta8ane  Araujo  de  Jesus  

[email protected]  

 

Page 2: Energia Específica e Escoamento Crítico
Page 3: Energia Específica e Escoamento Crítico
Page 4: Energia Específica e Escoamento Crítico

Regimes de escoamento

Azevedo  NeDo  et  al.,  1998  

Para  uma  dada  vazão  em  determinado  canal,  podemos  ter  diversas  alturas  de  coluna  d’água,  em  função  das  variações  da  declividade  ou  presença  de  obstáculos.  

Page 5: Energia Específica e Escoamento Crítico

Energia ou carga específica Energia  ou  carga  disponível  em  uma  seção  como  plano  de  referência  o  fundo  do  canal  naquela  seção.  

1912  

Boris  Bakmeteff  Engenheiro  russo  

1880  -­‐  1951  

Linha  EnergéDca  

y  y1  

gv2

21

y2  

gv2

22

Plano  de  Referência  

z1  

z2  

(1)   (2)  

ΔE  

E1  

E2  

Egvyz

gvyz Δ+++=++

22

22

22

21

11

Page 6: Energia Específica e Escoamento Crítico

2

22

22 AgQyE

gvyEEspecíficaEnergia +=⇒+=⇒

Assim, para uma dada Vazão (Q) a Energia Específica (E) é a distância vertical entre o fundo do canal e a linha de energia, correspondendo à soma de duas parcelas, ambas funções da altura d’água (Y)

Energia ou carga específica

Aplicando  a  equação  da  conDnuidade  

Page 7: Energia Específica e Escoamento Crítico

Exemplo:   Canal   de   seção   retangular   com   3   m   de  largura,  conduzindo  4,5  m³/s  de  água.  

Page 8: Energia Específica e Escoamento Crítico

2

22

22 gAQyE

gvyEEspecíficaEnergia +=⇒+=⇒

Ec  

yc  

E  

yf  

yt  

y  

E  

E    

( ) ( )cc yCríticaofundidadePrECríticaEnergia ⇒

yf  ⇒  região  do  escoamento  SubcríDco  ou  Fluvial  ou  Tranqüilo  ou  Superior  

yt  ⇒  região  do  escoamento  SupercríDco  ou  Torrencial  ou  

Rápido  ou  Inferior  E  

Energia específica e Regimes de escoamento

Page 9: Energia Específica e Escoamento Crítico

Escoamento crítico

Estágio   em   que   a   energia   específica   é   mínima  para  uma  dada  vazão.        

Page 10: Energia Específica e Escoamento Crítico

Assim, para uma dada vazão Q poderemos ter 3 situações em termos de regime de escoamento:

•  Escoamento Crítico

•  Escoamento Supercrítico

•  Escoamento Subcrítico

Como a vazão é a mesma, o que irá determinar o regime do escoamento será a declividade do fundo do canal. Assim, para uma vazão constante escoando em canal prismático com profundidade superior à crítica, teremos um escoamento subcrítico. Ao aumentarmos a declividade do fundo do canal observa-se um aumento da velocidade do escoamento. De acordo com a equação da continuidade, a esse aumento da velocidade corresponderá uma redução na profundidade do escoamento, podendo-se chegar a um ponto em que a profundidade atinge o seu valor crítico. Para esta situação tem-se, então, a Declividade Crítica.

Regimes de escoamento

Page 11: Energia Específica e Escoamento Crítico

A Declividade Crítica, portanto, é aquela à qual corresponde a Profundidade Crítica

Declividades superiores à Crítica correspondem a Escoamentos Supercríticos, pois conduzem a profundidades de escoamento inferiores à crítica è (y < yc)

Declividades inferiores à Crítica correspondem a Escoamentos Subcríticos, pois conduzem a profundidades de escoamento superiores à crítica è (y > yc)

Regimes de escoamento

Page 12: Energia Específica e Escoamento Crítico

O Número de Froude (Fr)

mygvFr⋅

=

è Serve p/ caracterizar o escoamento

Onde: v = velocidade média ym = profundidade da lâmina d’água

Tem-se então:

Fr = 1 è

Escoamento Crítico (y = yc)

Fr < 1 è

Escoamento Subcrítico (y > yc)

Fr > 1 è

Escoamento Supercrítico (y < yc)

Número de Froude e regimes de escoamento

Energia  específica  é  mínima  para  uma  

dada  vazão  

Page 13: Energia Específica e Escoamento Crítico

mcm

c ygv1ygvFr =⇒==

BAg

AQ

AQVe

BAycomo m

2m

2

m

mm ⋅=⇒==

Tem-se então que: 3m

2 AgBQ ⋅=⋅

mc ygV ⋅=

Caracterização e Ocorrência do Escoamento Crítico  

Relação  válida  apenas  para  escoamento  crí1co,  ou  seja,  quando  Fr  =  1.  

Page 14: Energia Específica e Escoamento Crítico

Exercício  1  

Um  canal  retangular,  com  3m  de  largura,  conduz  a  vazão  de  3.600  L/s.  Calcule  a  profundidade  e  a  velocidade  críDca.  

Page 15: Energia Específica e Escoamento Crítico

Exercício  2  

Um   canal   retangular   tem   2,378   m   de   largura,  coeficiente   de   Manning   igual   a   0,010   e   transporta   2  m³/s   de   água   em  movimento   uniforme.   A   declividade  do  fundo  do  canal  é  igual  a  10-­‐4  m/m.  Calcule:  a)  O  número  de  Froude  do  escoamento  e  determinar  

se  o  regime  é  fluvial  ou  torrencial;  b)  A  energia  específica  do  escoamento;  c)  A  profundidade  críDca.  

Page 16: Energia Específica e Escoamento Crítico

2/13/8 **IbnQ

Adimensional  para  canais  retangulares  e  trapezoidais  

Páginas  392  a  399  do  Manual  de  Hidráulica  

Page 17: Energia Específica e Escoamento Crítico

Exercício  3  

Qual   deveria   ser   a   declividade   do   exercício  anterior  para  que  a  mesma  vazão  ocorresse  na  profundidade  críDca?