Hidráulica II – 6CIV039

Aula 11:Seção controle e energia específica em

transições

Prof. Caio Victor Lourenço Rodrigues2014

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1. Estudo do escoamento fluvial e torrencial;

2. Seção controle;

3. Energia específica em transições;

4. Exercícios.

Hidráulica II

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• Comporta 1: controle a montante;• Comporta 2: controle a jusante;• A linha ABCDE: representa a vazão;• Nessa figura “y” é representado por “h”.

1. Estudo sobre escoamento fluvial e torrencial

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Comporta 1 aberta (M) e comporta 2 fechada (J):• Controle a jusante;• Ponto A;• Água parada (y = E0).

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Comporta 2 com uma pequena abertura (I):• Ponto B;• Vazão aumenta, mas ainda pequena;• Redução de “y”;• Energia potencial passa para Energia cinética.

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Comporta 2 com abertura total (H):• Ponto C;• Vazão aumenta até chegar no ponto máximo;• Redução de “y” ao seu menor valor;• Após qmax, “q” e “y” permanecem constantes.

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Comporta 1 fechada (K) e comporta 2 aberta (H):• Controle a montante;• Nível máximo do reservatório;• Ponto E;• Vazão nula;• y=0.

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Comporta 1 parcialmente aberta (L):• Ponto D;• A “q” e “y” irão aumentando;• y < yc;• Regime torrencial.

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Comporta 1 aberta (M):• Ponto C;• A “q” será máxima, y = yc;• Energia específica crítica (Ec);• Regime crítico.

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Resumo

• Escoamento fluvial: Controle a jusante;Perturbações a montante (remanso)Barragem gera remanso no lago.

• Escoamento torrencial: Controle a montante;Perturbações não se propagam à montante;Ignora o que vem abaixo.

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2. Seção Controle

• Seção transversal de um canal para regime crítico deescoamento;

• Seção de um escoamento livre que determina umarelação entra a altura da água na seção e a vazãocorrespondente;

• Essa seção controla a profundidade do escoamento nocanal, à montante e à jusante de acordo com o tipo deescoamento (fluvial, crítico e torrencial).

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Escoamento permanente

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Torrencial Fluvial

Fluvial

Torrencial

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3. Energia específica em transições

• As transições podem alterar o tipo de regime e a alturada linha d´água.• Em transições curtas e geometria suaves, pode-sedesconsiderar as perdas de carga.

Tipos de transições:• Redução e alargamento na seção do canal;• Elevação no nível de fundo;• Combinação dos efeitos das anteriores.

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Redução na largura do canal

Elevação no nível do fundo

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Redução na largura do canal

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Situação I: Redução na largura (A para B), considerandomesma cota topográfica.

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Fluvial: y1 > y2 (ambos maior que yc);Torrencial: y1* < y2* (ambos menor que yc).

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Fluvial: y1 > y2 (ambas maior que yc).

Torrencial: y1* < y2* (ambas menor que yc).

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Situação II: Redução na largura maior que na situação I.

E1 ainda é suficiente para conduzir vazão.

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Situação III: Redução na largura maior que na situação II.

E1 não é suficiente para conduzir vazão, alteração de regime.

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Considerando escoamento fluvial:

• Controle a jusante;• Reflexo à montante – remanso na seção 1;• y1 aumentará : y1+ no Ponto A+ gerando a Energia E1+ ;• Essa nova energia vai conduzir a vazão q2;• A transição para a seção 2 passará a ser uma seçãocontrole;• Na transição o escoamento será crítico e depoistorrencial;• A jusante da transição ocorrerá uma ressalto hidráulicoe o escoamento voltará ao equilíbrio inicial;• Portanto há uma largura limite na seção 2 para quenão haja alteração nas condições equilíbrio.

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Considerando escoamento torrencial:

• O nível na seção 2 será ainda maior;• Na seção 2 o escoamento será fluvial;• Haverá formação um ressalto hidráulico;• Há grande perda de energia.

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Alargamento na seção do canal

• Subcrítico: aumento da profundidade da lâminad´água;

• Supercrítico: redução da profundidade da lâminad´água.

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Elevação no nível do fundo

q = Q/B constanteΔZ = elevação no nível do fundoE1 = E2 + ΔZ

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Situação I: Aumento de ΔZ. Do ponto A (y1) para pontoB (y2).

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Considerando escoamento fluvial:

• y1 e y2 são maiores que yc;• y1 > y2;• A altura da linha d´água diminui.

Considerando escoamento torrencial:

• y1* e y2* são menores que yc;• y2* > y1*;• A altura da linha d´água aumenta.

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Situação II: Aumento maior de ΔZ (ΔZ > ΔZc)

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Mesma resposta tanto para escoamento fluvial, quantotorrencial:

• Linha de energia E2, tangenciará ponto C (E2=EC);• ΔZ = ΔZc;• Haverá ainda condução de vazão;• Ponto limite.

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Situação III: Aumento maior de ΔZ, do ponto A paraponto B, até atingir o ponto C.

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Considerando escoamento fluvial:

• y1 irá crescer até y1+;• Até y2 = yc;• E1+=Ec + ΔZ+;• Aparece uma curva de remanso à montante;• O escoamento na transição se torna crítico;• O escoamento a jusante se torna torrencial;• Há um ressalto hidráulico, e posteriormente o canal seequilibra com a nova energia, voltando a situação inicial.

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Considerando escoamento torrencial:

• Formação do ressalto hidráulico à montante datransição;• Há grande perda de energia;• Não é possível calcular a energia pelo gráfico “y” x ”E”.

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Rebaixamento do fundo do canal

• Subcrítico: aumento da profundidade da lâminad´água;

• Supercrítico: redução da profundidade da lâminad´água.

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• Sub para supercrítico:Mudança gradual de y e possibilidade em determinaryc;Curva de Remanso.

• Super para subcrítco:Mudança brusca, formação de ressalto hidráulico;Perda de energia;Impossibilidade de calcular y e yc.

Resumo

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Aplicações

• A redução de largura pode ser utilizada para medirvazão:Calhas Parshall;Calha venturi.

• A elevação do fundo também pode ser utilizada paramedir vazão:Vertedor retangular de parede espessa.

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4. Exercício

01) Um canal retangular com 3,0 m de largura,rugosidade n=0,014 e declividade de fundo I0=0,0008m/m transporta em regime permanente e uniformeuma vazão de 6,0m³/s. Em uma determinada seção, alargura é reduzida suavemente para 2,40 m, assim, quala altura d´água nesse ponto da seção? Qual deveria sera largura da seção contraída para que o escoamentoseja crítico, sem alterações das condições doescoamento a montante? Despreze as perdas natransição.

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02) Em um canal retangular de 5m de largura escoa emregime permanente e uniforme uma vazão de 16m³/s,com declividade de fundo I0=1 m/km e coeficiente derugosidade de 0,021. Em uma determinada seção, umdegrau de 0,20 m de altura é construído no fundo docanal e nesta seção a largura é reduzida para 4 m.Desprezando as perdas de carga, verifique se a transiçãoafetou as condições à montante e determine a alturad´água na seção. Se as condições do escoamento amontante não forma afetadas, qual deverá ser a máximaaltura do degrau, sem que isto ocorra?

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Respostas:

01)A redução da largura a 2,40 m não mudará oescoamento.Largura crítica 2,14 m.Há um escoamento fluvial.

02)O degrau não alterou o escoamento.O escoamento é fluvial.Altura máxima do degrau deve ser 0,35 m.

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Até a próxima aula!