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ensaio realizado com o objetivo de criar um ressalto em um canal de declividade variável, e classificá-lo de acordo com os parâmetros a serem obtidos com os dados experimentais.
Tipologia: Trabalhos
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Serviço Público Federal Ministério da Educação Fundação Universidade Federal de Mato Grosso do Sul FAENG – Laboratório de Eficiência Energética e Hidráulica em Saneamento – LENHS Cidade Universitária s/n | Campo Grande – MS CEP 79070-900 | Fone: 67 3345. Isabella Araújo dos Santos Thamara Cambará Marafon Relatório 2: Ressalto Hidráulico
Serviço Público Federal Ministério da Educação Fundação Universidade Federal de Mato Grosso do Sul FAENG – Laboratório de Eficiência Energética e Hidráulica em Saneamento – LENHS Cidade Universitária s/n | Campo Grande – MS CEP 79070-900 | Fone: 67 3345. Isabella Araújo dos Santos Thamara Cambará Marafon Relatório 2: Ressalto Hidráulico Trabalho apresentado como requisito parcial para obtenção de aprovação na disciplina Hidráulica 2, no curso de Engenharia Civil, na Universidade Federal de Mato Grosso do Sul. Prof. Me. Ganem Jean Tebcharani
Ressalto hidráulico ou salto hidráulico, acontece na transição do escoamento torrencial (rápido, supercrítico) para um escoamento fluvial (lento, subcrítico) em um canal. Esse fenômeno é caracterizado por uma alta elevação no nível d’água à uma curta distância, acompanhada de uma instabilidade superficial com ondulações, entrada de ar do ambiente e, por consequência, perda de energia em forma de turbulência. Em um leito uniforme de regime permanente, tal como o observado neste relatório, o ressalto adota uma posição fixa, podendo ser considerado como uma onda estacionária. A localização depende da dissipação de energia que ocorre no escoamento como um todo e, também, da mudança de declividade, restrições do canal, entre outros. As condições geométricas também influenciam no ressalto, tais como: inclinação de fundo, condições de controle, rugosidade do leito etc. O ressalto é caracterizado pelo número de Froude (adimensional) na seção de entrada, utilizado para especificar se um ressalto é ondulado, fraco, oscilante ou estacionário. É aplicado como meio de mistura dos componentes de purificação da água, em estações de tratamento de água e esgotos, assim como na dispersão química e de poluentes e, no transporte de sedimentos em sistemas naturais. 1.1. Objetivo Criar e determinar os parâmetros para o fenômeno de ressalto hidráulico em um canal de declividade variável.
2.2. Métodos O procedimento consiste em iniciar o conjunto de recalque, através da ligação das mangueiras ao quadro de manômetros, acionamento do conjunto motor-bomba e abertura do registro que direciona a água ao canal de medição. Em seguida, deve-se ajustar o desnível no manômetro para a situação de ressalto hidráulico e, ajustar a comporta para a formação do ressalto. As alturas manométricas para a determinação da vazão devem ser guardadas e, posteriormente, o canal deve ser rebaixado em duas (2) declividades diferentes, para a mesma vazão, estabelecendo regime torrencial a montante e fluvial a jusante. Por fim, posiciona o nônio/vernier para medir as alturas de lâmina d’água conjugadas.
Em que: 𝐶ௗ é a constante de ajuste da vazão, 𝐴ௗ a área reduzia da placa de orifícios, 𝑔 a aceleração da gravidade, 𝛾 o peso específico do mercúrio, 𝛾 o peso específico da água e ∆𝐻 a diferença da altura manométrica. A área pode ser calculada através da seguinte fórmula: 𝐴ௗ = ,ସହ×గ×మ ସ
Onde 𝐷 é o diâmetro (0,075 m). Sendo assim, as informações necessárias para o cálculo se encontram na tabela 1 a seguir.
Tabela 2 – Dados do processo iterativo para a determinação da vazão. 𝑪𝒒 𝑸 (m³/s) 𝑹𝒆𝒚 0,675 0,008944 151837, 0,6755 0,008951 151949, 0,676 0,008957 152062, 0,6765 0,008964 152174, 0,677 0,00897 152287, 0,6775 0,008977 152399, 0,678 0,008984 152512, 0,6785 0,00899 152624, Fonte: Autores. Sendo assim, temos que a vazão é 𝑄 = 0,0089 m³/s Para a determinação da vazão unitária, utiliza-se a fórmula: 𝑞 = ொ
Onde 𝑄 é a vazão encontrada anteriormente e 𝑏 o comprimento de fundo do canal, sendo esse 0,15 m. Logo, a vazão unitária será: 𝑞 =
b) Determinação das áreas molhadas de escoamento superficial: Antes da determinação da área molhada, é preciso determinar 𝑦ଵೌ e 𝑦ଶೌ. A determinação do 𝑦ଵೌ (escoamento torrencial), foi feita utilizando a seguinte fórmula: 𝑄 = ଵ
×௬భೌ ାଶ×௬భೌ
మ య × 𝐼ଵ భ మ (^) (5) Em que: 𝑄 é a vazão determinada anteriormente (0,0089 m³/s), 𝑛 é o coeficiente de Manning encontrado no relatório anterior (0,01391465), 𝑏 o comprimento de fundo do canal (0,15 m) e 𝐼 a inclinação de fundo. Para a determinação do 𝑦ଶೌ (escoamento fluvial), foram utilizadas as seguintes fórmulas:
ೂ ್ ×ೌ (×௬భ) భ మ
௬భೌ ଶ
Com os resultados obtidos para 𝑦ೌ , calculou-se a área através da fórmula: 𝐴 = 𝑦ೌ × 𝑏, 𝑖 = 1,2 (8) Os resultados obtidos se encontram na tabela 3 a seguir. Tabela 3 – Valores determinados para a área de escoamento superficial. Medição Inclinação 𝒚𝟏𝒄𝒂𝒍𝒄 (m)^ 𝑨𝟏 (m²) 𝒚𝟐𝒄𝒂𝒍𝒄 (m)^ 𝑨𝟐 (m²) 1 0,1393 0,0291 0,0044 0,1433 0, 2 0,1445 0,0287 0,0043 0,1444 0, Fonte: Autores. Sendo 𝑦ଵೌ e 𝐴ଵ referentes ao escoamento torrencial e, 𝑦ଶೌ e 𝐴ଶ referentes ao escoamento fluvial. c) Determinação das velocidades médias no escoamento torrencial e fluvial: Sabendo que: 𝑄 = 𝐴 × 𝑣, 𝑖 = 1,2 (9) Onde 𝑄 é a vazão, 𝐴 a área calculada e 𝑉 a velocidade. Os resultados obtidos se encontram na tabela 4 abaixo. Tabela 4 – Valores determinados para a velocidade nos escoamentos torrencial e fluvial. Medição 𝒗𝟏 (m/s) 𝒗𝟐 (m/s²) 1 2,0394 0, 2 2,0646 0, Fonte: Autores. Sendo 𝐴ଵ e 𝑣ଵ referentes ao escoamento torrencial e, 𝐴ଶ e 𝑣ଶ referentes ao escoamento fluvial.
Tabela 7 – Valores determinados para o número de Froude de montante e jusante. Medição 𝑭𝒓𝟏 𝑭𝒓𝟐 1 3,8194 0, 2 3,8903 0, Fonte: Autores. g) Gráfico de E vs. Y (hipérbole de Bakhmeteff – Curva de energia específica): Com os valores encontrados para energia específica (𝐸) e altura da lâmina d’água (𝑦ೌ ), foi possível a construção da curva de energia específica, como mostra o gráfico 2 a seguir. Gráfico 2 – Curva de energia para o ressalto hidráulico observado. Fonte: Autores. Do gráfico, podemos observar para altura crítica e energia crítica, aproximadamente, os valores 𝑦 = 0,068 m e 𝐸 = 0,107 m. Ao realizar o cálculo através da derivação da fórmula (10) em relação a variável 𝑦ೌ e, igualando a zero, obtemos para altura crítica o valor de 𝑦 = 0,0711 m e, para energia crítica 𝐸 = 0, m. 0 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0, Altura da lâmina d'água (m) Energia específica (m) Curva de Energia Específica
h) Relação y 2 /y 1 : A partir da fórmula abaixo, é possível obter a relação entre 𝑦ଶ/𝑦ଵ. ௬మ ௬భ
ଵ ଶ
Assim, conhecendo os números de Froude para as alturas medidas e calculadas, obtemos os seguintes resultados. Tabela 8 – Relação entre 𝑦ଶ/𝑦ଵ. Medição 𝒚𝟐𝒄𝒂𝒍𝒄𝒖𝒍𝒂𝒅𝒐 /𝒚𝟏𝒄𝒂𝒍𝒄𝒖𝒍𝒂𝒅𝒐 𝒚𝟐𝒎𝒆𝒅𝒊𝒅𝒐 /𝒚𝟏𝒎𝒆𝒅𝒊𝒅𝒐 1 2,3087 1, 2 2,3338 1, Fonte: Autores. i) Determinação das perdas de carga no ressalto hidráulico: A perda de carga no ressalto, é a variação de energia entre o escoamento fluvial e torrencial. Fazendo as diferenças tanto para os valores obtidos com as alturas calculadas quanto medidas, obtemos os resultados apresentados na tabela a seguir. Tabela 9 – Perdas de carga no ressalto hidráulico. Medição ∆𝑬𝒄𝒂𝒍𝒄𝒖𝒍𝒂𝒅𝒐 (m) ∆𝑬𝒎𝒆𝒅𝒊𝒅𝒐 (m) 1 0,0893 0, 2 0,0932 0, Fonte: Autores. j) Determinação da eficiência do ressalto hidráulico: A eficiência do ressalto é obtida do quociente da parda de energia com a energia torrencial. Fazendo as divisões, foram encontrados os valores a seguir. Tabela 10 – Valores determinados para a eficiência do ressalto nas duas medições. Medição 𝜼 (%) 1 36, 2 37, Fonte: Autores.
Ademais, das relações entre as alturas de lâmina d’água, se observou que a altura do escoamento fluvial é aproximadamente 7/3 maior que a torrencial para as alturas calculadas e aproximadamente 4/3 maior para as alturas medidas. Contudo, se têm que a compreensão do fenômeno do ressalto hidráulico é de suma importância para a análise de transição de escoamento. As informações sobre a perda de energia podem ser usadas como base para se decidir a utilidade do ressalto, seja para dispersão ou para mistura. REFERÊNCIAS PORTO, Rodrigo de Melo et al. Hidráulica Básica. São Carlos: EESC/USP, v. 4, 1998.
