Canais - Ressalto - Escola de Minas - Ufop

Condutos Livres
Canais – Ressalto Hidráulico
Disciplina: CIV271 - HIDRÁULICA
Curso: ENGENHARIA AMBIENTAL
ESCOLA DE MINAS - UFOP
Ouro Preto / 2010

Canais – Ressalto Hidráulico
Canais – Ressalto Hidráulico:
Introdução:
Conceituação – Ressalto hidráulico
Descrição do fenômeno
Tipos de ressalto hidráulico
Força específica
Determinação das alturas conjugadas do ressalto:
Canais retangulares
Canais não retangulares
Solução gráfica – canais trapezoidais
Outras características do ressalto hidráulico
Perda de carga no ressalto
Comprimento do ressalto
Eficiência do ressalto
Relação entre as curvas (y x E) e (y x F) para um ressalto
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Canais – Ressalto Hidráulico
Introdução:
Conceituação – Ressalto hidráulico:
Ocorre na transição de um escoamento supercrítico para
um subcrítico;
Ocorre elevação brusca do nível d’água, sobre curta
distância;
Há instabilidade na superfície com ondulações e “rolos”
responsáveis por incorporação de ar no escoamento;
Ocorre considerável perda de energia em função da grande
turbulência;
Assume posição fixa (onda estacionária) a jusante de uma
comporta de fundo ou ao pé de um vertedor de barragem;
Empregado como dissipador de energia, para evitar erosão
de leitos naturais, a jusante de obras hidráulicas;
Empregado como elemento de mistura rápida de
substâncias em calhas Parshall na entrada de ETA’s.
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Canais – Ressalto Hidráulico
Introdução:
Descrição do fenômeno:
Ressalto hidráulico em canais horizontais ou de pequena
declividade:
- y 1 e y 2 – alturas ou profundidades conjugadas do ressalto
hidráulico;
- h j = y 2 – y 1 – altura do ressalto (importante indicador do
potencial de dissipação de energia);
- ∆E = E1 – E2 – perda de carga no ressalto.
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Canais – Ressalto Hidráulico
Tipos de ressalto hidráulico:
O aspecto físico do ressalto varia com o n o . de Froude da seção de
montante Fr 1:
- 1,0 < Fr 1 < 1,7: Ressalto ondulado; transição gradual torrencial
para fluvial; pouco eficiente;
- 1,7 < Fr 1 < 2,5: Ressalto fraco; aspecto ondular; zonas de
separação na superfície; pouco eficiente;
- 2,5 < Fr 1 < 4,5: Ressalto oscilante; aspecto típico; tendência de
deslocar-se para jusante;
- 4,5 < Fr 1 < 9,0: Ressalto estacionário; domínio de aplicação em
obras hidráulicas; dissipação entre 45% e 70% de E 1;
- Fr 1 > 9,0: Ressalto forte; efeitos colaterais – processos erosivos
ou mesmo cavitação.
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Canais – Ressalto Hidráulico
Força específica:
Devido à brusca mudança da força hidrostática entre as seções
extremas do ressalto, aplica-se o Teor. da Quantidade de
Movimento ao volume de controle (Fig. 11.1), que se escreve
como:
2⎛
1 1 ⎞
F1
− F2
= ρQ(
V2
− V1)
= ρ Q ⎜ − ⎟
⎝ A2
A1
⎠
Sendo as forças hidrostáticas do tipo
F = γzA
Vem, após divisão por γ:
2
2
Q Q
+ y1A1
= + y2
A2
gA gA
1
2
Definido-se como força específica ou impulsão total a função
2
Q
F(
y)
= + yA
gA
observa-se que, no ressalto hidráulico:
y F y
( ) ( )
F 1 2 =
A função (y x F) encontra-se representada na Fig. 11.3.
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Canais – Ressalto Hidráulico
Determinação das alturas conjugadas do ressalto:
Canais retangulares:
Para canais retangulares, a equação da força específica
escreve-se:
2 2 2 2
q y1
q y2
+ = +
g y 2 g y 2
1
Após desenvolvimento e simplificação, obtém-se, para y 1 ≠ y 2:
y
2
y
2
1
+ y
2
2
Lembrando que Fr 2 = q 2 /gy 3 , as raízes da equação anterior, com
significado físico, são, conhecendo-se y 1:
y
2
y1
=
2
Ou, conhecendo-se y 2:
y2
y1
=
2
Canais não retangulares:
y
1
2
2q
−
g
2
= 0
2 ( 1+
8Fr1
−1)
2 ( 1+
8Fr
2 −1)
Para canais não retangulares, desenvolvem-se expressões
adimensionais que relacionam as alturas conjugadas com o número
de Froude da seção de montante do ressalto.
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Canais – Ressalto Hidráulico
Determinação das alturas conjugadas do ressalto:
Canais trapezoidais simétricos:
Neste caso, obtém-se uma relação entre os adimensionais:
y2
Y = = Φ(
Fr1,
M)
y1
em que:
z y1
M =
b
Esta relação apresenta-se em forma de gráfico na Figura 11.4:
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Canais – Ressalto Hidráulico
Outras características do ressalto hidráulico:
Perda de carga no ressalto:
Para o ressalto ocorrendo sobre fundo plano:
2
2
⎛ ⎞ ⎛ ⎞
⎜
V1
⎟ ⎜
V2
hp
= ∆E = E1
− E2
= y + − y + ⎟
1
2
⎝ 2g ⎠ ⎝ 2g ⎠
Para canais retangulares, obtém-se após desenvolvimento:
3 ( y2
− y1)
∆E =
4 y y
Comprimento do ressalto:
1
2
Não pode ser estabelecida analiticamente uma expressão para L j.
Para seções retangulares, L j ≅ 6y 2. A Fig. 11.6 apresenta a
relação L j/y 2 = φ(Fr 1):
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Canais – Ressalto Hidráulico
Outras características do ressalto hidráulico:
Eficiência do ressalto:
É a capacidade de dissipação de energia mecânica do
escoamento e é dada por:
∆E
η =
E1
Relação entre as curvas (y x E) e (y x F) => Fig. 11.6:
Não se deve confundir as alturas alternadas (escoamentos
recíprocos) com as alturas conjugadas do ressalto. Devido à
perda de carga no ressalto ∆E, y 2 < a altura alternada de y 1
(y’ 2).
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