pressÕes mínimas a jusante das válvulas de enchimento e ...· recursos hídricos /// associação

Download PRESSÕES mínimaS a juSantE daS válvulaS dE EnchimEnto E ...· Recursos Hídricos /// Associação

Post on 07-Nov-2018

213 views

Category:

Documents

0 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

  • Recursos Hdricos /// Associao Portuguesa dos Recursos Hdricos /// Volume 34# 02

    41

    PRESSES mnimaS a juSantE daS vlvulaS dE EnchimEnto E ESvaziamEnto dE EcluSaS dE navEGaoMINIMUM PRESSURES DOWNSTREAM FROM FILLING AND EMPTYING LOCK VALVES

    Cristiane C. BattistonAnalista de Infraestrutura do Governo Brasileiro /// Bolsista do CNPq /// Instituto de Pesquisas Hidrulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul /// Av. Bento Gonalves, n 9500, Cx. Postal 15029, CEP 91.501-970, Porto Alegre, Brasil /// cristianebattiston@yahoo.com.br.

    Edith B. C. SchettiniProfessora Associada /// Instituto de Pesquisas Hidrulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul /// Av. Bento Gonalves, n 9500, Cx. Postal 15029, CEP 91.501-970, Porto Alegre, Brasil /// bcamano@iph.ufrgs.br.

    Marcelo G. MarquesProfessor Associado /// Instituto de Pesquisas Hidrulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul /// Av. Bento Gonalves, n 9500, Cx. Postal 15029, CEP 91.501-970, Porto Alegre, Brasil /// mmarques@iph.ufrgs.br.

    RESUMO: A cavitao junto s vlvulas de enchimento e esvaziamento de eclusas de navegao, est entre as principais limitaes para o aumento da altura de queda dessas estruturas.Para auxiliar nos projetos de eclusas, analisar e descrever as presses mnimas a jusante das vlvulas dos sistemas de enchimento e esvaziamento de eclusas de navegao, foram realizadas simulaes experimentais, em modelo fsico reduzido construdo no Laboratrio de Obras Hidrulicas do Instituto de Pesquisas Hidrulicas - IPH/UFRGS.Para a representao das presses mnimas, foram escolhidos os coeficientes de presso denominados CP0.1% e CP1%, calculados para as presses com probabilidade de serem igualadas ou superadas em 99.9% e 99% das ocorrncias, respectivamente. Neste trabalho, apresentam-se relaes entre esses coeficientes adimensionais de presso e coeficientes adimensionais de posio, para nmeros de Reynolds superiores a 3x105, que permitem a estimativa das presses mnimas ao longo da base e do teto do conduto para vrios graus de abertura da vlvula.

    Palavras-chave: Eclusa, comporta segmento invertida, presses mnimas, hidrulica experimental.

    ABSTRACT: Cavitation close to the valves of lock filling and emptying systems is among the major limitations to increase the lock lift.In order to better understand the flow dynamic downstream from lock valves, describing the behavior of the minimum pressures, it was conducted an experimental investigation at the Laboratrio de Obras Hidrulicas of the Instituto de Pesquisas Hidrulicas of the Universidade Federal do Rio Grande do Sul.To represent minimum pressures, it was chosen dimensionless coefficients of pressure named CP0.1% and CP1%,, which is defined by the pressures with probability of being equaled or exceeded at 99.9% and 99% of times, respectively. This paper presents the relationship between these dimensionless coefficients of pressure and dimensionless coefficients of position, for Reynolds greater than 3x105, which helps estimating the minimum pressures along the culvert base and roof for several valve opening.

    Keywords: Navigation lock, reverse radial gate, reverse tainter gate, minimum pressures, experimental hydraulic.

  • 42 Presses mnimas a jusante das vlvulas de enchimento e esvaziamento de eclusas de navegao

    O texto deste artigo foi submetido para reviso e possvel publicao em julho de 2013, tendo sido aceite pela Comisso de Editores Cientficos Associados em setembro de 2013. Este artigo parte integrante da Revista Recursos Hdricos, Vol. 34, N 2, 41-53, novembro de 2013. APRH, ISSN 0870-1741 | DOI 10.5894/rh34n2-4

    1. INTRODUOAs eclusas, principalmente as de alta queda, so acompanhadas de diversos fenmenos hidrulicos nocivos que devem ser estudados, de forma a identificar suas caractersticas, os problemas associados e as solues possveis para evitar que ocorram danos s obras hidrulicas.A Figura 1 apresenta esquematicamente o perfil de uma eclusa de navegao de cmara simples e os seus principais componentes.O acesso de montante constitudo de um canal de aproximao e de muros guia que auxiliam as embarcaes no acesso cmara. Como o fluxo de gua nas eclusas ocorre por gravidade, o termo

    montante aplicado aos elementos do extremo de nvel de gua mais elevado.A cmara se constitui de um reservatrio onde ocorre a variao de nvel. Suas barreiras extremas so mveis, permitindo o acesso das embarcaes ao seu interior (comportas de montante e jusante).O sistema de distribuio um conjunto de elementos hidrulicos que permite o fluxo de gua para enchimento e esvaziamento da cmara. Pode-se citar o canal de aduo, a tomada de gua, os aquedutos, as comportas, o sistema de distribuio e o sistema de restituio. Para se elevar o nvel de gua na cmara, abrem-se as comportas de enchimento mantendo as de esvaziamento fechadas. Para o abaixamento do nvel de gua na cmara, abrem-se as comportas de

    Figura 1 - Componentes das eclusas de navegao.(Fontes: Adaptado de USACE, 2006; . Acesso em: 08 jun. 2007; . Acesso em: 05 set. 2006).

    http://dx.doi.org/10.5894/rh34n2-4
  • Recursos Hdricos /// Associao Portuguesa dos Recursos Hdricos /// Volume 34# 02

    43Presses mnimas a jusante das vlvulas de enchimento e esvaziamento de eclusas de navegao

    esvaziamento mantendo as de enchimento fechadas.O acesso de jusante, de forma similar ao acesso de montante, se constitui de um canal de aproximao e de muros guia, porm o acesso de jusante encontra-se situado no extremo com nvel de gua mais baixo.O tamanho do desnvel a ser transposto (queda) dado pela diferena entre os nveis de gua de montante e jusante e permite a classificao das eclusas em (USACE, 1995):

    Eclusas de baixa queda: com desnvel de at 10m;Eclusas de mdia queda: com desnvel entre 10m e 15m;Eclusas de alta queda: com desnvel superior a 15m.

    De acordo com Ussami (1980), a cavitao junto s comportas de eclusas de alta queda se constitui em uma das principais limitaes para o aumento da altura de queda das eclusas.A comporta segmento aplicada em sua posio invertida (Figura 2), a comporta mais usualmente utilizada nos aquedutos das eclusas, sendo que, por exemplo, desde 1940, segundo USACE (2011), apenas em trs casos nos Estados Unidos no a utilizaram. Atualmente no se concebe outra soluo que possa ter melhor desempenho tcnico-econmico para as eclusas de alta queda do que a comporta segmento invertida (Santos, 1998).

    No incio do processo de enchimento, ou de esvaziamento, so tpicas as altas velocidades, a queda brusca da presso mdia e as amplas flutuaes de presso a jusante das comportas, o que incorre em um grande potencial de cavitao, principalmente nas eclusas de mdias e altas quedas (Ussami, 1980, e Santos, 1998).A cavitao normalmente ocorre quando um lquido, a uma temperatura constante, submetido a presses iguais ou inferiores de vapor. Se a presso local em algum ponto do lquido atingir a presso de vapor e existirem ncleos gasosos, podero se formar cavidades de vapor. Se a presso se mantiver prxima da presso de vapor e a cavidade atingir um dimetro crtico, ela explodir. Se a presso circundante aumentar, acima da presso de vapor, a bolha se tornar instvel e implodir. Tal imploso, ou colapso, poder ser muito violento e acompanhado por rudos, vibraes e possvel eroso das superfcies slidas prximas (Tullis, 1982). Quando as bolhas colapsam, a presso atinge valores bastante elevados e quanto menores as bolhas e maior sua quantidade, maior ser a deteriorao das superfcies slidas (BORSARI apud Kormann, 2002).Observaes em modelos e em prottipos revelaram que para a abertura de 60% da comporta ocorrem as condies mais crticas de cavitao (Santos, 1998).As principais solues adotadas para amenizar os efeitos ou eliminar a cavitao so: a utilizao de revestimentos resistentes (ao), o abaixamento da cota de assentamento das comportas, as alteraes geomtricas, as leis de manobra especiais para as comportas e a introduo de ar (USACE, 1975, Oliveira et. al., 1983, e Santos, 1998).A adio de gua no leva a resultados considerveis, a no ser em grandes quantidades, o que exigiria um segundo duto. Dessa forma, no uma soluo utilizada. A execuo de concretos especiais tambm tem se revelado com limitaes e estes tm sido mais estritamente aplicados s situaes de menor efeito erosivo da cavitao, como no caso dos partidores de fluxo horizontais ou verticais (Santos, 1998). A colocao de revestimentos resistentes onerosa e no elimina o problema; somente retarda os efeitos da eroso por cavitao.As leis de manobra especiais ficam limitadas capacidade dos equipamentos de acionamento e a determinadas situaes que causariam esforos hidrodinmicos excessivos. A adio de ar vem sendo amplamente utilizada. Porm, a quantidade de ar limitada, pois quando o ar expelido do sistema ocasiona perturbaes na superfcie de gua dentro da cmara da eclusa que podem provocar acidentes com as embarcaes. Assim associam-se adio de ar,

    Figura 2 Desenho esquemtico da instalao de uma comporta segmento invertida no aqueduto de uma eclusa.(Fonte: Adaptado de USACE, 2011).

  • 44 Presses mnimas a jusante das vlvulas de enchimento e esvaziamento de eclusas de navegao

    alteraes geomtricas da seo a jusante da comporta e o rebaixamento da sua cota de implantao.As pesquisas atuais tm investigado novas geometrias para os aquedutos da regio das comportas. A primeira adaptao da geometria a jusante das comportas diz respeito introduo de uma ampliao no teto do aqueduto a jusante das comportas, que provoca um aumento da perda de carga localizada e uma reduo do potencial de cavitao do escoamento (PICKERING E PERKINS apud USACE, 2006).Shinqin et al. (1999) estudaram o rebaixamento da comporta e a introduo de expanses laterais. Com o rebaixamento da comporta ocorre a elevao da presso mdia e a cmara de maiores dimenses formada a jusante das comportas auxilia na reduo das velocidades, reduzindo-se o potencial de cavitao

Recommended

View more >