melhoria da qualidade da Água tratada e aumento da ... · figura 3 - fotografia da conduta de...

ABES – Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

APLICAÇÃO DA MODELAÇÃO NUMÉRICA À AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO HIDRÁULICO DE COMPONENTES DE ESTAÇÕES DE

TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUAIS: O CASO DE UM GRANDE SISTEMA DE SANEAMENTO EM PORTUGAL

Vitor Faria e Sousa(1)

Doutorando em Engenharia Civil, Assistente, Instituto Superior Técnico (IST).

José Saldanha Matos Doutor em Engenharia Civil, Professor Catedrático, Instituto Superior Técnico (IST)

João Santos Silva Engenheiro Quimico, IST, Director de Exploração, SANEST - Sistema de Saneamento da Costa do Estoril.

Endereço(1)

: Departamento de Engenharia Civil, Arquitectura e Georrecursos, Instituto Superior Técnico, Av.

Rovisco Pais, Lisboa, 1049-001 Lisboa, Portugal - e-mail: [email protected]

RESUMO

No âmbito do desenvolvimento da Sociedade, as exigências de requisitos de qualidade, por um lado, e as

exigências construtivas e de disponibilidade de espaço, por outro, têm contribuído para a concepção e

construção de estações de tratamento de águas residuais (ETAR) cada vez mais complexas, incluindo: a)

condutas sob pressão e colectores com escoamento em superfície livre; b) descarregadores de superfície

(laterais, circulares, frontais, tipo bazin) ou em orifício; c) bombagem em regime contínuo (com variador de

velocidade) ou intermitente; e d) escoamento através de diferentes meios de suporte ou “obstáculos” (vide

escoamento em filtros biológicos, filtros de areia) ou em canal dispondo de equipamentos de radiação ultra-

violeta, percorrendo reservatórios/tanques, ou canais e condutas. Esta complexidade traduz-se em

comportamentos hidráulicos de difícil interpretação e explicação recorrendo aos tradicionais modelos

simplificados.

Uma alternativa que tem emergido nas últimas décadas é a Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD –

Computer Fluid Mechanics). Este é o domínio da mecânica dos fluidos que recorre a métodos numéricos e

algoritmos para estudar problemas envolvendo fluidos. Utilizando computadores, os códigos CFD permitem

simular o movimento de fluidos (e.g., líquidos; gases), bem como a sua interacção com as superfícies,

elementos ou substâncias com que tenham contacto. Presentemente, o desenvolvimento da capacidade dos

computadores pessoais tem permitido um aumento do recurso a esta ferramenta para estudar problemas

variados da mecânica dos fluidos e da termodinâmica. Paralelamente, têm sido desenvolvidos diversos códigos

CFD comerciais (e.g., CFX; FLUENT; PHOENICS; STAR-CD) e gratuitos (e.g., OpenFOAM; Code_Saturn)

cada vez mais eficientes, robustos e exactos e com um crescente leque de potencialidades de lidar com

diferentes problemas, incluindo transporte de sedimentos e outros poluentes, escoamentos multi-fásicos e

transferência de calor e massa.

Neste cenário, a presente comunicação reporta o estudo efectuado ao comportamento hidráulico de parte da

ETAR em estudo, recorrendo ao código CFD comercial FLOW-3D®, o que permitiu identificar zonas com

comportamento hidráulico deficiente e propor soluções para a sua mitigação.

PALAVRAS-CHAVE: ETAR, desempenho hidráulico, modelação numérica, CFD.

INTRODUÇÃO

A ETAR estudada constitui uma infra-estrutura muito particular, por envolver unidades de tratamento

distanciadas fisicamente, em que a fase liquida se encontra numa instalação totalmente enterrada, e a fase

sólida, com unidades à superficie, se localiza a cerca de 4 km. Adicionalmente, apresenta modos de operação e

requisitos distintos da fase líquida consoante a estação do ano (balnear ou não balnear). A ETAR inclui

sistemas de tamisação, de desarenação, de desengorduramento, de decantação lamelar assistida com reagentes,

de filtração e de desinfecção por radiação ultra-violeta. O efluente final é descarregado no Oceano Atlântico.

Face às características excepcionais do meio receptor, em termos de diluições iniciais e de condições de

dispersão de poluentes, a ETAR foi alvo de derrogação do tratamento secundário, a única concedida na

Europa, por Decisão do Conselho Europeu de Outubro de 2000. A presente ampliação da ETAR, em fase

mailto:[email protected]

Aplicação da modelação numérica à avaliação do desempenho hidráulico de componentes de estações de

tratamento de águas residuais: o caso de um grande sistema de saneamento em Portugal


inicial de operação, constitui um sistema de tratamento de águas residuais não convencional e com

características únicas, pelo menos na Europa.

O desempenho hidráulico deficiente, seja da fase líquida, seja da fase sólida (lamas), afecta todo o

desempenho da ETAR de forma muito significativa e marcante, incluindo naturalmente o desempenho

ambiental, comprometendo a satisfação de requisitos e o cumprimento da legislação. Para compreender as

causas subjacentes a essas deficiências, o conhecimento detalhado da hidrodinâmica dos escoamentos numa

ETAR, ou seja alturas de água e campos de velocidade, pode ser especialmente relevante, nomeadamente nos

seguintes aspectos: a) garantir tempos de retenção adequados e inexistência de “curtos-circuitos”, essenciais ao

tratamento físico-químico e ao tratamento biológico nos reactores; b) garantir a eficiência da decantação

(primária e/ou secundária), para diferentes cargas hidráulicas e características dos efluentes; c) garantir

satisfação de auto-limpeza em canais, condutas e volumes de repartição; d) garantir distribuição equitativa de

caudais por órgãos em paralelo (ex: desarenadores, desengorduradores, decantadores primários ou

secundários, filtros ou canais UV); e e) controlo da formação de biofilmes indesejáveis e de situações

potenciadoras de formação de sulfuretos.

No âmbito desta comunicação apresentam-se resultados de simulação do desempenho hidráulico de

componentes da ETAR, incluindo a comparação com alguns resultados obtidos por medição experimental na

ETAR.

ÂMBITO DO ESTUDO

Para além de tamisação, o tratamento preliminar da ETAR inclui os seguintes componentes principais:

poço de elevação inicial com 4 + 2 grupos electrobomba e reservatório/canal de recepção de águas

bombeadas;

tubagem de 1800 mm de diâmetro de ligação desse reservatório de recepção a uma câmara/canal de

conexão com escoamento com superfície livre;

câmara/canal de conexão;

conduta de 1800 mm de diâmetro, de ligação da câmara de conexão ao reservatório de repartição do

efluente pelos quatro desarenadores/desengorduradores, três dos quais em operação;

reservatório de repartição;

desarenadores/desengorduradores.

O efluente tamisado é bombeado para um reservatório/canal elevado em descarga livre (reservatório de

recepção de caudal), sendo que a partir daí o efluente é drenado por gravidade por todo o processo de

tratamento situado na denominada CAVE -2, do edifício de processo (Figura 1).

O efluente elevado é seguidamente transportado por uma conduta de aço galvanizado de 1800 mm de

diâmetro, constituída por um trecho sob pressão (Figura 2) e outro com escoamento com superfície livre

(Figura 3), e é descarregado num canal de conexão (Figura 4), igualmente com escoamento com superfície

livre. Este canal de conexão dispõe de um descarregador de emergência lateral, que conduz o caudal em

excesso para o canal que recebe o efluente final proveniente da desinfecção, conduzindo-o à descarga final.

Um 2º trecho de tubagem de 1800 mm de diâmetro com escoamento gravítico sob pressão efectua a ligação da

câmara/canal de conexão ao reservatório de repartição do efluente pelos desarenadores/desengorduradores.

Este reservatório também inclui um descarregador de emergência.


Figura 1 - Fotografia do reservatório/canal de

recepção do efluente bombeado.

Figura 2 - Fotografia da conduta de ligação do

reservatório de recepção ao canal de conexão (vista 1).

Figura 3 - Fotografia da conduta de ligação do reservatório de

recepção ao canal de conexão (vista 2).

Figura 4 - Fotografia da descarga da

conduta no canal de conexão.

Figura 5 – Fotografia do reservatório de repartição.

Figura 6 - Fotografia de um dos tanques

de desarenação/desengorduramento.




A modelação realizada no presente estudo incidiu sobre os componentes do sistema de tratamento entre a

elevação inicial e a desarenação/desengorduramento, correspondentes aos elementos 3, 4, 5 e 6 da Figura 7.

Figura 7 – Perfil esquemático do sistema estudado (elevação inicial - desarenação/desengorduramento).

MODELO MATEMÁTICO

Modelo Genérico

O movimento dos fluidos pode ser descrito por um conjunto de equações diferenciais não-lineares conhecidas

como as equações de Navier-Stokes. Aplicando a lei de conservação de massa obtém-se a equação da

continuidade. Assumindo que a densidade e a velocidade são funções contínuas, estas equações estabelecem

que a taxa de variação da massa, num volume de controlo, corresponde à diferença entre a massa que entra e

sai, desde que não existam fontes ou pontos de consumo. Em três dimensões expressam-se como:

0~~

~

i

i

Uxt

(1)

simplificando para escoamentos incompressíveis em:

0

~

i

i

x

U (2)

em que U~

é a velocidade instantânea; ~

é densidade instantânea; t é o tempo; e x é a coordenada

espacial. Com base na segunda lei de Newton, as equações de momento relacionam as acelerações das

partículas do fluido com as forças externas. Estas equações estabelecem que as variações de momento, em

volumes infinitesimais de fluido, correspondem à soma das forças dissipativas (semelhantes à fricção) com as

variações de pressão, a gravidade e outras forças a actuar sobre o fluido. Para fluidos Newtonianos e

admitindo a gravidade como a única força externa, as equações do momento são:

iij

ji

ji

j

i Txx

PUU

xU

tg ~~

~~~~~

~ (3)

em que, admitindo a hipótese de Stokes, o tensor das tensões é dados por:

ij

k

k

i

j

j

i

ijx

U

x

U

x

UT

~

3

1~~

2

12

~ (4)

e para fluidos incompressíveis simplifica em:


iij

ji

ji

j

i Txx

PUU

xU

tg ~~

~~~~

~ (5)

e:

i

j

j

i

ijx

U

x

UT

~~~

(6)

em que P~

são as pressões instantâneas; é o coeficiente de viscosidade dinâmica; g é o vector da

aceleração da gravidade; e é o delta de Kronecker. Actualmente, só existem soluções analíticas para as

equações de Navier-Stokes em casos especiais, como é o caso de escoamentos laminares. Como tal, em

escoamentos turbulentos torna-se necessário recorrer a métodos numéricos e modelos de turbulência.

Modelos de Turbulência

A turbulência pode ser definida como um escoamento variável e imprevisível de vórtices de diferentes

dimensões (escalas) que é responsável pela mistura do fluido e, mais importante, pela dissipação de energia do

escoamento. Os vórtices de maiores dimensões extraem energia do movimento médio do escoamento, energia

essa que é transferida para vórtices cada vez mais pequenos até ser dissipada pela viscosidade. A dimensão

desses vórtices extende-se desde a escala de Kolmogorov (a menor escala dimensional do escoamento) até às

maiores escalas do escoamento (e.g., altura de água; largura do canal).

Os modelos de turbulência distinguem-se em função da parcela da escala a que os vórtices são calculados. Na

Simulação Numérica Directa (DNS – Direct Numerical Simulation) todas as escalas de turbulência relevantes

são resolvidas, dispensando qualquer modelo de turbulência. Contudo, devido a limitações de armazenamento

de dados e tempo computacional, bem como das limitações no conhecimento para definir as condições de

fronteira, o DNS está limitado a problemas de geometria simples, pequena dimensão e, em geral, baixos

números de Reynolds. A Simulação de Grandes Vórtices (LES – Large Eddy Simulation) envolve o cálculo

dos vórtices de maiores dimensões e a modelação das escalas menores mediante uma operação de filtragem

das equações de Navier-Stokes. Apesar de ser computacionalmente menos exigente do que o DNS, a aplicação

prática do LES ainda é limitada. Por último, os modelos baseados nas Equações Médias de Reynolds (RANS –

Reynolds Averaged Navier-Stokes) são os mais utilizados na prática, obtendo bons resultados para um vasto

leque de problemas. Como resolvem as maiores escalas, já é possível simular problemas complexos com os

computadores pessoais actuais. Os modelos de turbulência baseados nas RANS podem ser divididos em

modelos de fecho de primeira ordem ou de ordens superiores (e.g., RSM – Reynolds Stress Model). Os de

fecho de primeira ordem podem ser de zero, uma ou duas equações, sendo os últimos os mais utilizados na

prática (e.g., k e RNG k ).

Nas RANS, os valores instantâneos das grandezas nas equações de Navier-Stokes são substituídos pelos

respectivos valores médios. Esta simplificação permite tornar o problema muito mais simples, mas dá origem

ao aparecimento de um novo termo decorrente do produto das flutuações da velocidade ( '' ji uu ),

correntemente designado como as tensões de Reynolds. As equações de fecho para modelar as tensões de

Reynolds recorrem à hipótese de Boussinesq, que as considera proporcionais ao gradiente da velocidade

média:

ij

i

j

j

i

Tji kx

U

x

Uuu

3

2'' (7)

em que as grandezas são reportadas aos respectivos valores médios, excepto o produto das flutuações da

velocidade, e T

é o coeficiente de viscosidade dinâmica turbulenta. A hipótese de Boussinesq considera

que o coeficiente de viscosidade dinâmica turbulenta é isotrópico, o que apesar de não ser completamente




verdade, tem-se demonstrado adequado em muitas aplicações. Por seu lado, a viscosidade cinemática a

relaciona-se com a energia cinética turbulenta e com a taxa de dissipação turbulenta através da expressão de

Kolmogorov-Prandtl:

2k

CT (8)

em que C é um coeficiente empírico que, usualmente, é atribuído o valor 0.09; k é a energia cinética

turbulenta; e é a taxa de dissipação turbulenta. Complementarmente, as equações de transporte da energia

cinética turbulenta e da taxa de dissipação turbulenta são, respectivamente:

j

i

i

j

j

i

T

ik

T

ii

ix

U

x

U

x

U

x

k

xx

kU

t

k (9)

kC

x

U

x

U

x

U

kC

xxxU

t j

i

i

j

j

i

T

i

T

ii

i

2

21 (10)

em que as constantes empíricas do modelo k standard assumem, usualmente, os seguintes valores:

k = 1.00; = 1.30; 1C = 1.44; e 2C = 1.92. O modelo de turbulência utilizando a teoria de

renormalização é, em grande medida, semelhante ao modelo k standard, mas as constantes são derivadas

explicitamente e assumem valores distintos, nomedamente: C = 0.085; k = 0.7194; = 0.7194;

1C = 1.42; e 2C é determinado a partir da energia cinética turbulenta e dos termos de produção

turbulenta. As diferenças do modelo RNG k resultam em maiores dissipações da turbulência em zonas

com fortes deformações, reduzindo a viscosidade turbulenta, o que melhora as estimativas da velocidade.

MODELO COMPUTACIONAL

Aspectos gerais

No presente estudo seleccionou-se o código comercial FLOW-3D®, desenvolvido pela Flow-Science, Inc.,

devido ao seu método particularmente efficiente, robusto e rigoroso de simular escoamentos em superfície

livre. O código resolve as equações de Navier-Stokes combinando os métodos de descritização de diferenças

finitas e volumes finitos sobre malhas cartesianas estruturadas e não-uniformes (também está disponível a

possibilidade de utilizar um sistema de coordenadas polares). Este código tem sido aplicado com sucesso na

simulação de escoamentes em estruturas hidráulicas (e.g., BOMBARDELLI et al. 2000, 2001, 2011;

SAVAGE e JOHNSON 2001; CHEN et al., 2002; CHENG et al., 2004; CHATILA and TABBARA, 2004;

JOHNSON e SAVAGE 2006; DARGAHI, 2006; SOUSA et al. 2009; HAUN et al., 2011) e em rios e canais

(e.g., RODRÍGUEZ et al. 2004; ABAD et al. 2008).

Domínio computacional

No FLOW-3D®, a geometria dos obstáculos no campo de escoamento podem ser gerados pelo modelador

incorporado no FLOW-3D® ou importados de ferramentas informáticas de apoio ao desenho (Computer Aided

Design - CAD) na forma de ficheiros I-DEAS universais, ficheiros tetraédricos da ANSYS, ficheiros

stereolithography ou ficheiros de dados topográficos (FLOW SCIENCE 2011).

As malhas são geradas automaticamente mediante a definição das dimensões do domínio e o número de

células (ou dimensão das células) independentemente em cada uma das direcções. A definição de zonas com

diferente resolução pode ser efectuada estabelecendo pontos de transição, donde resulta uma diferenciação da

resolução na direcção e zona em causa uniforme em toda a malha, ou utilizando múltiplos blocos de malha. O

código possibilita a inclusão de múltiplos blocos de malhas sobrepostos ou confinantes, incrementando


significativamente a eficiência e flexibilidade deste tipo de malhas para simular os escoamentos complexos ou

geometrias complexas (FLOW SCIENCE 2011; BARKHUDAROV 2004). Em particular, esta funcionalidade

permite obter resoluções superiores em zonas específicas dos do domínio computacional em que se exija

maior detalhe, sem obrigar a um incremento generalizado da resolução em todo o domínio computacional, e

possibilita um ajustamento mais eficiente da malha à geometria em estudo, reduzindo significativamente o

esforço computacional.

No FLOW-3D® as malhas e os obstáculos são gerados de forma independente, sendo acoplados

posteriormente recorrendo à técnica de representação de área/volume fraccional de obstáculos (Fractional

Area/Volume Obstacle Representation - FAVORTM

). Introduzido por Hirt e Sicilian (1985), a técnica é um

método de fracção de volume em que a geometria é definida com base na parcela das células ocupadas pelo

sólido. A par das fracções de volume dos elementos que não se encontram totalmente bloqueados pelas

superfícies sólidas, as áreas abertas ao escoamento em cada face também são quantificadas (Hirt e Richardson

1999). A implementação completa do algoritmo do FAVORTM

exige um esquema para localizar a superfície

(i.e., transformar a fracção ocupada por sólido numa representação geométrica em cada célula e ligá-la com as

células adjacentes) e uma forma de aplicar a condições de fronteira (e.g., velocidade igual a zero). Esta

particularidade de independência entre as malhas e os objectos sólidos evita a tarefa árdua de construir malhas

que se conformem com a geometria e permite a possibilidade de alterar facilmente quer os obstáculos quer a

malha entre simulações. Apesar de tudo, os algoritmos e o código permitem uma representação rigorosa de

geometrias complexas sem introduzir perdas numéricas (MAMPAEY e XU 1995).

No presente estudo a geometria foi detalhada em Autocad e posteriormente importada para o FLOW-3D®,

onde se definiram 12 blocos de malha para ajustar à geometria e às necessidades de resolução do problema

(Figura 8).

(A)

(B)

Figura 8 - Representação esquemática da geometria (A) e do domínio computacional (B) definidos.

Superfície livre

As equações do modelo matemático são válidas num determinado domínio, que no presente caso corresponde

ao escoamento ao longo dos diferentes elementos entre a conduta a jusante do reservatório de recepção até aos

desarenadores/desengorduradores. Os limites deste domínio são o escoamento afluente na conduta a jusante do

reservatório de recepção e o caudal efluente por cada um dos desarenadores/desengorduradores, as superfícies

sólidas dos vários obstáculos/elementos dos reservatórios, câmaras e condutas e a a superfície livre.




Enquanto os dois primeiros são conhecidos e pré-estabelecidos, a superfície livre é simultaneamente uma

fronteira e uma incógnita. No FLOW-3D® a superfície livre é tratada recorrendo ao método True Volume of

Fluid - TruVOF (Hirt e Nichols 1981), que também se baseia no conceito de volume fraccional de fluido. O

método envolve três elementos principais (Bombardelli et al. 2001): reconstrução; propagação; e aplicação.

A reconstrução consiste na contabilização da fracção de fluido em cada célula, mediante a introdução de uma

variável, F , e a determinação do segmento definindo o limite da superfície livre (SCARDOVELLI e

ZALESKI 1999, PILLIOD Jr. e PUCKETT 2004). Esta função varia entre 1 (célula totalmente preenchida por

fluido) e 0 (célula vazia) e a superfície livre localiza-se entre células adjacentes com valores de entre estes

limites, sendo usual definir-se o valor 0.5 para definir a posição exacta da superfície livre. O segundo elemento

envolve a utilização de um método numérico de advecção apropriado para acompanhar o movimento da

superfície livre como uma transição brusca através do domínio computacional (SCARDOVELLI e ZALESKI

1999, PILLIOD Jr. e PUCKETT 2004). No FLOW-3D®

a posição da superfície livre é acompanhada em cada

passo de cálculo através da seguinte expressão:

0Fut

F (11)

em que u é o vector das velocidades médias. A posição exacta da superfície livre dentro de cada célula pode

ser obtida pela derivação da equação de transporte, visto que a direcção em que varia mais rapidamente indica

a direcção normal à superfície (NICHOLS et al. 1981). Por fim, é necessário um elemento adicional para

aplicar as condições de fronteira à superfície. No TruVOF, ao contrário de outros métodos baseados no

conceito de volume fraccional de fluido que têm sido apresentados recentemente (e.g., ver MATTHEWS et al.

1999, 2001), as células que não contêm fluido não são consideradas nos cálculos. Assim, para escoamentos

que não sejam motivados pelo vento, admite-se que a inércia do gás sobre o fluido apenas exerce a pressão

atmosférica. Isto permite dispensar o movimento do ar visto que as tensões geradas na superfície livre são

desprezáveis.

Este método permite reduzir a dimensão do domínio onde são efectuados cálculos, combinando ainda

necessidades reduzidas de memória (apenas uma variável, F , tem de ser guardada), exigências

computacionais razoáeis e bom rigor, especialmente se a malha for suficientemente refinada.

Outras condições de fronteira

O FLOW-3D® permite a definir um conjunto alargado de condições de fronteira, desde as mais usuais, como

parede, alturas de água, pressão, velocidade ou caudal, a opções como planos de simetria, fronteiras periódicas

ou sobresposição de malhas.

As condições de fronteira a montante e jusante do domínio computacional foram o caudal afluente do

reservatório de conexão e a altura de água em cada um dos desarenadores/desengorduradores,

respectivamente. Esta opção implica assumir que a distribuição de velocidades a montante é uniforme e que os

os desarenadores/desengorduradores funcionam como reservatórios infinitos.

No primeiro caso, apesar da distribuição real das velocidades na secção ser longe da uniforme, o erro

introduzido limita-se apenas a uma zona restrita junto à fronteira com os perfis de velocidade a convergirem

rapidadamente para uma configuração típica de um escoamente em conduta em pressão. Convém, contudo,

notar que não foi considerado qualquer coeficiente de rugosidade para as superfícies em contacto com o

fluido.

Na realidade, os desarenadores/desengorduradores não são reservatórios infinitos, pelo que se testou também

uma configuração com um descarregador com um comprimento equivalente ao dos descarregadores

existentes.

Nas superfícies sólidas foi imposta velocidade normal nula (POPE 2000) e utilizadas as funções de parede

usuais para as grandezas da turbulência do modelo junto às paredes, designadamente a energia cinética

turbulenta e a taxa de dissipação de energia turbulenta (POPE 2000; FERZIGER e PERIC 2002):


c

uk w

2

* ;

1

3

*

y

uw (12)

em que *u é a velocidade de fricção na parede; é a constante de von-Kármán; e

1y é a distância à parede

segundo a perpendicular. A velocidade de fricção na parede é obtida iterativamente usando uma lei de parede

semi-logaritmica:

0.5ln1 1*

*

yuuu (13)

Dadas as inúmeras simulações bem sucedidas em que estas funções de parede foram utilizadas ao longo das

últimas décadas (e.g., RODI 1984; WILCOX 1993; POPE 2000; FERZIGER e PERIC 2002), é legítimo

considerar que providenciam uma solução testada para descrever as estatísticas de turbulência para estas

condições de fronteira (e.g., ver discussão em POPE 2000).

SIMULAÇÕES E RESULTADOS

Para suportar as simulações foi efectuada uma campanha de medições na ETAR em que os

desarenadores/desengorduradores foram colocados em serviço isoladamente, dois a dois e os três em

simultâneo. No presente comunicação apenas se apresentam as simulações com 2

desarenadores/desengorduradores a funcionar, designados por B e C.

Os caudais totais foram determinados a partir das curvas características das bombas que alimentam o

reservatório de recepção, enquanto os caudais em cada um dos desarenadores/desengorduradores foram

determinados convertendo a altura de água medida sobre o descarregador através da curva de vazão do

fabricante. Desde logo, de referir que os ensaios com os desarenadores/desengorduradores a funcionarem

isoladamente resultaram em erros entre -6% e +10% comparando os caudais medidos por ambos os métodos.

Consequentemente, comparando o caudal total medido com a soma dos caudais medidos à saída de cada um

dos desarenadores/desengorduradores obtêm-se erros até ±15%. Entrando ainda em consideração com a

incerteza relacionada com cota do descarregador relativamente à qual se mediu a altura de água em cada um

dos desarenadores/desengorduradores, a gama do erro das medições aumenta substancialmente visto que

existem diferenças de cotas significativas entre os vários segmentos dos descarregadores (Figura 9).

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

Cau

dal

est

imad

o e

m C

[m

3/s

]

Caudal total medido [m3/s]

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

Cau

dal

est

imad

o e

m B

[m

3/s

]

Caudal total medido [m3/s] Figura 9 - Incerteza nos caudais medidos em cada desarenadores/desengorduradores decorrente da

diferença de cotas entre os vários segmentos dos descarregadores.

Inicialmente, foi realizado um conjunto de simulações preliminares destinadas a obter uma configuração do

domínio computacional conducente a simulações estáveis, em particular para ultrapassar os erros introduzidos

pelo facto das condições iniciais definidas para o fluido serem substancialmente distintas das condições finais.

No final destas simulações preliminares adoptou-se o domínio composto por 12 malhas apresentado na Figura

8, em que 11 malhas são confinantes e uma malha é sobreposta para aumentar a resolução na zona de transição

entre a conduta a jusante do reservatório de recepção e a câmara de conexão. Visto que para os caudais totais




de 0.5 e 2.5 m3/s a soma dos caudais medidos em cada um dos desarenadores/desengorduradores são de 0.58 e

2.12 m3/s, respectivamente, o que corresponde a um erro de cerca de 15%, optou-se por não considerar estes

caudais nos cenários utilizados nas simulações. Na Tabela 1 apresentam-se os resultados das simulações

estáveis com o FLOW-3D®.

Tabela 1 – Resultados das simulações.

Sim. Caudal Total [m

3/s] Caudal Desarenador C [m

3/s] Caudal Desarenador B [m

3/s]

Medido Simulado Erro [%] Medido Simulado Erro [%] Medido Simulado Erro [%]

A 1.0 1.02 2.00 0.530 0.507 -4.34 0.548 0.512 -6.57

B 1.5 1.52 1.62 0.721 0.797 10.54 0.743 0.727 -2.09

C 2.0 2.04 2.00 0.937 1.078 15.05 0.959 0.960 0.10

B1 1.5 1.52 1.60 0.721 0.786 9.01 0.743 0.738 -0.64

B2 1.5 1.50 0.23 0.721 0.782 8.50 0.743 0.721 -2.91

No total, o domínio computacional nas Simulações A a C é composto por 1 273 876 de células activas em que

a maior dimensão é de 0.1 m e a menor 0.025 m. Para o caudal de 1.5 m3/s, testou-se o erro introduzido por

considerar os desarenadores/desengorduradores reservatórios infinitos, aumentado o domínio computacional

para 1 468 355 de células activas e incorporando um descarregador contínuo ao longo da extremidade de

jusante de cada um dos desarenadores/desengorduradores com um comprimento igual ao existente na ETAR

(Simulação B1). Este aumento do domínio computacional não representou um aumento da resolução. Para isso

testou-se a convergência da malha utilizando esta última configuração e aumentando a resolução do domínio

computacional para 7 051 004 (Simulação B2). Visto que a diferença entre os caudais obtidos nas Simulações

B, B1 e B2 é, em média, de 0.71% e sempre inferior a 2.5%, verifica-se que a aproximação dos

desarenadores/desengorduradores a reservatório infinitos é aceitável e os resultados são independentes da

malha.

Nas Figuras 10 e 11 apresentam-se campos de velocidade em algumas secções da zona de ligação entre a

conduta e o tanque de regularização e na câmara de conexão, respectivamente, para um caudal total de

1.5 m3/s. Analisando os valores da velocidade da Figura 10 constata-se que existem condições para deposição

de sedimentos, especialmente em toda a largura da parede oposta à ligação da conduta e nos cantos ao lado da

ligação da conduta afluente. Esta situação foi verificada durante as operações de limpeza na ETAR

(B) (C) (D)

Figura 10 – Campo de velocidades na zona ascendente do reservatório de repartição (A) ao longo do

alinhamento com a conduta afluente e (B) na secção transversal a meio para um caudal total de 1.5 m3/s.


(C) (D)

Figura 11 – Campo de velocidades na câmara de conexão (A) ao longo do alinhamento com a conduta

efluente e (B) na secção transversal junto à parede de jusante para um caudal total de 1.5 m3/s.

Para avaliar se existe galgamento indevido da parede descarregadora na câmara de conexão, efectuou-se uma

simulação com um caudal de 4 m3/s, extrapolando a altura de água nos desarenadores/desengorduradores com

base em regressões efectuadas sobre os valores medidos. Observa-se, pela Figura 12, que o regolfo gerado na

transição entre a conduta e a câmara de conexão provoca a descarga de uma parte do caudal. Com base nos

resultados da simulação a cota mais elevada atingida pelo regolfo foi de 14.40 m e o caudal descarregado

indevidamente ascendeu a 0.20 m3/s.

Figura 12 – Campo de velocidades e alturas de água na câmara de conexão para um caudal de 4 m

3/s.

CONSIDERAÇÕES FINAIS

O presente estudo permite inferir que a utilização de ferramentas CFD para estudar o desempenho hidráulico

de ETAR é uma opção potencialmente viável, permitindo reduzir substancialmente o recurso a estudos em

protótipo ou instalações piloto. As principais conclusões relativamente ao desempenho hidráulico destas

componentes da ETAR são as seguintes:

observa-se que a distribuição de caudal pelos desarenadores/desengorduradores varia com o caudal

afluente, sendo que para o caudal de 1.0 m3/s, o desarenador/desengordurador B recebe ligeiramente mais

caudal do que o C, situação que se inverte no caso dos restantes caudais, mas a diferença na repartição de

caudal é mínima;




o reservatório de repartição e a câmara de conexão apresentam zonas ou volumes, em que o campo de

velocidades é propício à acumulação de sedimentos, mesmo para o escoamento dos caudais máximos;

a crista descarregadora na câmara de conexão encontra-se a uma cota demasiado baixa, ocorrendo muito

provavelmente a descarga indevida de efluente tamisado para o canal de by-pass, sempre que os caudais

afluentes são elevados.

O estudo efectuado conclui que o modelo CFD consegue simular a distribuição de caudais com erros dentro da

ordem de grandeza dos erros das medições. Futuramente prevê-se a realização de campanhas de medição de

perfis de velocidade em vários pontos do sistema para os comparar com os resultados obtidos nas simulações

CFD. Complementarmente, quando o caudal afluente ascender a 4 m3/s (em tempo de chuva) irá proceder-se à

verificação da condição de descarga indevida de caudal na câmara de conexão. O CFD será ainda utilizado

para estudar soluções tendo em vista a resolução ou minimização das deficiências detectadas.

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