4.1 ESCOAMENTO CRÍTICO
No fluxo de um canal, dois limites característicos descrevem o estado do escoamento (Seção 1.3):
A relação V/F incorpora duas propriedades importantes:
A classificação da área de fluxo da vazão, Eq. 1-4, é destacada novamente para melhor compreensão:
Em que: α = razão da profundidade hidráulica D com a profundidade do fluxo y;
Os valores do número Froude F correspondentes aos valores do número Vedernikov V = 1, ou seja, valores de Fns, estão listados na Tabela 1-1.
O fluxo crítico ocorre nas seguintes condições (Fig. 4-1):
A condição do fluxo crítico representa um limite entre o fluxo subcrítico, para o qual F < 1, e o fluxo supercrítico, para o qual F >1. As ondas dinâmicas no fluxo de canal aberto têm dois componentes: (1) primário e (2) secundário (Ponce and Simons, 1977). As ondas primárias viajam com velocidade absoluta:
As ondas secundárias viajam com velocidade absoluta:
Enquanto as ondas primárias sempre fluem para a jusante, as ondas secundárias podem fluir tanto para a montante como para a jusante, dependendo das condições do fluxo. No fluxo subcrítico, O fluxo crítico pode ocorrer em dois modos distintos:
A equação de Darcy-Weisbach para fluxo de canais A equação de Darcy-Weisbach para o fluxo de canais, Eq. 1-32, é repetida aqui para melhor compreensão (Seção 1.4):
Em que o número de Froude é:
Para um canal hidraulicamente amplo, no qual D ≅ R, a Eq. 4-5 se reduz para:
Para aplicação ao fluxo de canal aberto, um coeficiente de atrito de Darcy-Weisbach modificado f, igual a 1/8 do habitual factor de atrito de Darcy-Weisbach f é aplicável. A equação de Darcy-Weisbach modificada para fluxo em canal aberto é:
Significado físico da inclinação crítica A inclinação crítica é aquela para a qual F = 1. Na Eq. 4-5, para F = 1:
Em que: Sc = inclinação crítica. Na Eq. 4-7, para F = 1:
Além disso, na Eq. 4-8, para F = 1:
As Eq. 4-9 a 4-11 confirmam que o fator de atrito e a inclinação crítica estão, de fato, intimamente relacionados. Para um canal de seção transversal arbitrária, a Eq. 4-9 é aplicável; para um canal hidraulicamente amplo, a Eq. 4-10 é aplicável. Quando o fator de atrito modificado de Darcy-Weisbach f é usado, a Eq. 4-11 é aplicável. Em geral:
Na qual Sc é definido adequadamente pelas Eqs. 4-9, 4-10 ou 4-11. A equação 4-12 constitui um tipo de equação de Darcy-Weisbach aplicável ao fluxo de canais. No fluxo uniforme, essa equação fornece um significado físico aprimorado ao conceito de inclinação crítica. No fluxo gradualmente variado, a Eq. 4-12 permite uma maior compreensão dos limites assintóticos aos perfis da superfície da água (Seção 7.3). As seguintes conclusões são obtidas a partir da Eq. 4-12:
Como a Eq. 4-12 indica que o fluxo crítico ocorre quando a descarga é tal que a inclinação crítica (inclinação de atrito) é igual à inclinação inferior. Isso é possível em um canal revestido de geometria fixa, onde, à medida que a vazão aumenta, a inclinação do atrito diminui para corresponder à inclinação inferior. Assim, em um canal prismático artificial, é possível obter profundidades de fluxo críticas e até supercríticas. Fluxos supercríticos são raros, mas não inéditos. Por exemplo, sob o fator de atrito de Chezy em canais hidraulicamente amplos, as ondas de rolo se formam sob o número Vedernikov V = 1, que corresponde ao número Froude F = 2 (Fig. 1-6 e Tabela 1-1). A situação é bastante diferente em um canal natural, onde o fluxo é capaz de interagir livremente com a fronteira, aumentando a inclinação "real" ou efetiva do atrito. Na prática, o declive de fricção não é capaz de diminuir para coincidir com o declive inferior, com o fluxo real permanecendo subcrítico, pelo menos na maior parte do seu domínio. Assim, como argumentado por Jarrett (1982), é extremamente raro ter um fluxo crítico ou supercrítico em um canal natural (Fig. 4-3).
4.2 DETERMINAÇÃO DE ESCOAMENTO CRÍTICO
Da Eq. 4-6, o quadrado do número de Froude é:
Na Eq. 4-13, substituindo V = Q /A e D = A /T obtem-se o seguinte:
No fluxo crítico, F = 1 e Eq. 4-14 é convenientemente expresso da seguinte forma:
Com referência à Fig 4-4, a largura superior T é:
A área de fluxo A é:
Substituindo as Eqs. 4-16 e 4-17 na Eq. 4-15:
Dada a g = aceleração gravitacional e os demais dados de entrada que consistem na vazão Q, largura inferior b e inclinação lateral z [z:H a 1:V, Fig. 4-3], a Eq. 4-18 é resolvido para a profundidade crítica
A equação 4-18 pode ser expressa da seguinte forma:
A Eq. 4-23 é a fórmula geral para fluxo crítico, aplicável aos canais trapezoidais. Para um canal retangular: Na Eq. 4-23, fazendo a alteração da variável x = yc , simplifica-se para:
A solução da Eq. 4-24 (cúbica) pode ser realizada por um procedimento de tentativa e erro.
Profundidade crítica em um canal hidraulicamente amplo Para um canal hidraulicamente amplo, ou então, um canal retangular: Q = qb, and z = 1. Substituindo esses valores, a Eq. 4-18 leva à expressão de profundidade crítica yc apenas em termos de vazão de largura unitária
4.3 CONTROLE DE ESCOAMENTO CRÍTICO
Na Eq. 4-23, a profundidade de fluxo crítico é uma função única de Q, b e z. Assim, a profundidade crítica do fluxo e, nesse caso, o fluxo crítico, é independente da inclinação do fundo e do atrito do canal. Observe que na Eq. 4-12, para F = 1, a inclinação crítica é efetivamente cancelada com a inclinação inferior. Assim, no fluxo crítico, a profundidade do fluxo é independente da inclinação e é, portanto, uma constante para uma determinada vazão.
A área exclusiva do fluxo de vazão (e exclusiva curva-chave), ou seja, apenas uma profundidade de fluxo para cada vazão, e vice-versa, é chamada de controle. O controle pode ser de um dos tipos: As Figuras 4-5 a 4-7 mostram três casos de controle crítico de fluxo em um canal prismático, sob as seguintes inclinações: (1) subcrítica, (2) crítica e (3) supercrítica. A condição de fluxo subcrítico, representada na Fig. 4-5, mostra a existência de controle de seção crítica apenas na crista da barragem à jusante. Assim, o fluxo é controlado na extremidade à jusante.
A condição de fluxo crítico da Fig. 4-6 mostra o controle crítico em dois locais: (1) controle de seção na crista da barragem à jusante e (2) controle de canal ao longo do canal de inclinação crítica à montante. Como mostrado, um perfil de água de retorno, que é um nível quase horizontal da piscina, conecta as duas seções de controle de fluxo. O fluxo é controlado na extremidade à jusante.
A condição de fluxo supercrítico da Fig. 4-7 mostra o controle crítico em dois locais: (1) controle de seção na crista da barragem à jusante e (2) controle de seção na seção muito a montante do canal supercrítico. O fluxo é controlado nas extremidades à jusante e à montante, com um ressalto hidráulico ocorrendo em algum lugar no meio do trecho.
O conceito de exclusividade da curva-chave qualifica o fluxo crítico como uma seção ou canal controle. Isso fornece uma maneira conveniente de determinar a vazão a partir do nível da régua, ou o nível da régua a partir da vazão, se um ou outro for conhecido. Essa propriedade do fluxo crítico é útil nas medições de fluxo. Na prática, o controle crítico para a medição de fluxo é realizado de duas maneiras: (1) fluxo de barragem (seção controle), e (2) canal crítico de fluxo (canal controle). O fluxo da barragem é descrito na Seção 4.4. Um exemplo típico de uma calha de fluxo crítico é a calha de Parshall
Vertedouro de soleira espessa Em um vertedouro de soleira espessa, o fluxo crítico ocorre nas proximidades da crista. A vazão unitária de largura é:
Por definição, a profundidade crítica é de 2/3 da carga total H medida acima da soleira do vertedouro:
Substituindo a Eq. 4-29 na Eq. 4-28:
Em que C é um coeficiente de descarga definido da seguinte forma:
Nas unidades SI, C = 1,704; em unidades habituais dnos EUA, C = 3,087. Por várias razões, um valor real de projeto Cd pode ser diferente do valor teórico C . A experiência demonstrou que o intervalo aproximado é de 0,8 ≤ Cd /C ≤ 1,3. A Figura 4-9 mostra um vertedouro de soleira espessa para o qual Cd = 1,45 (unidades SI). Na prática, H é considerado a elevação da superfície da água acima da soleira do vertedouro. Isso pressupõe que a velocidade de aproximação Va em uma seção suficientemente à montante do açude seja zero: Va = 0.
4.4 VERTEDOUROS DE SOLEIRA DELGADA
Os vertedouros de soleira delgada são usados para forçar o controle da seção de canais, tendo como finalidade a medição de vazão. Na prática, eles têm sido construídos por meio de: (1) seções triangulares, (2) trapezoidais ou (3) retangulares.
Os vertedouros triangulares podem ser de dois tipos: (a) totalmente contraídos ou (b) parcialmente contraídos. A contração se refere ao tamanho da área de fluxo do vertedouro em comparação com o tamanho da área de fluxo do canal de aproximação. Dependendo do tamanho e da forma, o vertedouro pode estar sujeito a contração vertical e horizontal. Para que um vertedouro seja totalmente contraído, as extremidades do mesmo devem estar suficientemente longe dos lados e do fundo do canal de aproximação (Fig. 4-10). A contração total aumenta a precisão da medição, fornecendo um controle mais preciso do canal (uma relação única do estágio da vazão) na vizinhança do vertedouro.
Vertedouro triangular totalmente contraído. O vertedouro triangular é comumente usado com soleiras delgadas. Neles, a contração total é produzida quando a distância b de cada lado do vedrtedouro é maior do que 2H. Para um entalhe em V de 90 °, a largura do fluxo no nível de carga é igual a 2H. Portanto, o açude pode ser considerado totalmente contraído quando a relação B/H > 6, ou seja, para Um vertedouro que não satisfaz o critério acima é parcialmente contraído, ou seja, o canal de acesso largura B é muito estreito em relação à carga H. Na prática da USBR, o critério prático para uma vertedouro triangular parcialmente contraído é: H/B ≤ 0,4.
A fórmula de um vertedouro triangular totalmente contraído, em unidades habituais dos EUA (Q em pés cúbicos por segundo, H em pés), é (USBR Water Manual):
Na Eq. 4-32, a vazão Q é uma função da carga hidráulica H e do ângulo θ. O coeficiente de descarga Ce e o coeficiente de correção de carga k são uma função de θ. A largura do canal de aproximação B é usada para verificar se o vertedouro está totalmente contraído: H/B ≤ 0,2. A fórmula (de ajuste polinomial) para Ce e , com θ em graus, é:
A fórmula (de ajuste polinomial) para k, com θ em graus, é (LMNO Engineering):
O vertedouro triangular totalmente contraí está limitado pelas seguintes condições:
Vertedouro triangular parcialmente contraído. Para o vertedouro triangular com entalhe de 90° parcialmente contraído, a Eq. 4-32 se reduz para:
O coeficiente de descarga Ce é função das razões H/P and P/B, como mostrado na Fig. 4-11.
A fórmula para o açude de entalhe de 90° parcialmente contraído está sujeita às seguintes restrições:
Um vertedouro Cipolletti padrão tem a forma trapezoidal (Fig. 4-12). A soleira e os lados da placa do vertedouro são colocados longe o suficiente da parte inferior e das laterais do canal de aproximação para produzir contração total. Os lados inclinam-se para fora em uma inclinação de 1 na horizontal a 4 na vertical. O procedimento de cálculo segue a Seção 12 do Capítulo 7 do Manual de medição de água USBR.
A fórmula para o vertedouro Cipolletti, em unidades habituais nos EUA, é:
Em que: L = comprimento da soleira do vertedouro, em pés; A precisão das medições obtidas pela Eq. 4-36 é consideravelmente menor do que a obtida com vertedouros triangulares. A precisão do coeficiente de descarga é de ± 5%. O vertedouro Cipolletti está sujeito às seguintes restrições:
A carga H é medida a uma distância de pelo menos 4H à montante da soleira.
Um vertedouro retangular, como o próprio nome indica, tem a forma retangular, conforme o mostrado na Fig. 4-13. Para produzir contração total, a soleira e os lados da placa de barreira são colocados suficientemente longe do fundo e das laterais do canal de aproximação. O procedimento de cálculo segue a Seção 6 do Capítulo 7 do Manual de medição de água USBR.
A fórmula de Kindsvater-Carter para um vertedouro retangular, em unidades habituais nos EUA, é:
Em que: Ce = coeficiente de descarga efetivo;
O valor B é a largura média do canal de aproximação, enquanto o fator de correcção kb está em função da relação L/B, conforme o mostrado na Fig. 4-14.
O coeficiente efetivo de descarga Ce inclui os efeitos de profundidade relativa e largura relativa do canal de aproximação. É uma função de H/P e L/B, como mostrado na Fig. 4-15.
Dados H, L, B, P, e as relações H/P e L/B, o cálculo prossegue com as seguintes etapas:
A equação retangular da barreira (Eq. 4-37) está sujeita às seguintes restrições:
Vertedouro retangular de contração padrão.
O vertedouro retangular contração padrão é mostrado na Fig. 4-17. Para serem totalmente contraídos, os lados e as extremidades da placa de transbordo devem estar localizados a uma distância de pelo menos 2H dos limites do fluxo de aproximação. A carga é medida a uma distância à montante de pelo menos 4H do vertedouro.
A fórmula para o vertedouro retangular de contração padrão é a equação de Francis. Em unidades habituais nos EUA, esta equação é:
Em que: Q = vazão, em pés cúbicos por segundo;
A precisão das medições obtidas pela Eq. 4-38 é consideravelmente menor do que o obtido com vertedouros triangulares. A precisão do coeficiente de descarga é de ± 5%. A equação 4-38 possui um coeficiente de descarga constante (3,33), o que facilita os cálculos. No entanto, o coeficiente não permanece constante para uma razão H/L > 1/3, e a vazão real excede a dada pela equação. As experiências de Francis foram feitas em vertedouros relativamente longos, sendo a maioria delas com comprimento de soleira L = 10 pés e cargas na faixa de 0,4 pés ≤ H ≤ 1,6 pés. Assim, a equação se aplica particularmente a tais condições. Experimentos USBR em vertedouros de 6 pol, 1 e 2 pés mostraram que a equação de Francis também se aplica bastante bem a comprimentos de crista mais curtos L, desde que H/L ≤ 1/3. A Eq. 4-38 está sujeita às seguintes restrições:
Vertedouro retangular de supressão padrão. O vertedouro retagular com supressão padrão possui uma soleira horizontal que cruza a largura total do canal (Fig. 4-18). A elevação da crista é alta o suficiente para garantir a contração total da soleira do fundo na superfície da água. As paredes laterais verticais do canal de aproximação continuam à jusante após a placa do vertedouro, para evitar contração lateral ou expansão lateral do jato de transbordamento. O procedimento de cálculo segue a Seção 10 do Capítulo 7 do Manual de medição de água USBR. Cuidados especiais devem ser tomados para garantir a aeração adequada sob a folha que transborda na soleira. A aeração é geralmente realizada colocando aberturas em ambos os lados da caixa de proteção sob a superfície da água. Outras condições para a precisão da medição para este tipo de vertedouro são geralmente as mesmas que as do vertedouro retangular contraído, exceto pela ausência de contração lateral. No entanto, a altura da crista P deve ser pelo menos 3H.
A fórmula para o vertedouro retangular com supressão padrão provém da equação de Francis.
Em que: Q = vazão, em pés cúbicos por segundo;
A precisão do coeficiente de descarga é de ± 5%. A equação 4-39 não deve ser usada para as cargas H < 0,2 pés. Essas cargas pequenas não fornecem medições precisas de fluxo, porque a superfície da água que passa sobre a soleira pode não saltar livremente a partir da mesma.
A equação 4-39 está sujeita às seguintes restrições:
A carga H é medida a uma distância à montante de pelo menos 4H do vertedouro. As paredes laterais devem estar a uma distância de pelo menos 0,3H da jusante da soleira. O jato de transbordamento deve ser adequadamente ventilado na atmosfera. Uma comparação tabular de vertedouros com soleira delgada para medição de vazão no escoamento de canais é apresentada em Ponce (2013).
QUESTÕES
PROBLEMAS
REFERÊNCIAS
Chow, V. T. 1959. Open-channel Hydraulics. McGraw Hill, New York. Jarrett, R. D., 1984. Hydraulics of High-Gradient Streams. ASCE Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 110, No. 11, November, 1519-1539. Ponce, V, M., e D. B. Simons. 1977. Shallow wave propagation in open-channel flow. Journal of the Hydraulics Division, ASCE, Vol. 103, No. HY12, December, 1461-1476.
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