Universidade de Brasília Faculdade de Tecnologia - FT. Departamento de Engenharia Civil e Ambiental Hidráulica Experimental
RESSALTO HIDRÁULICO
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1. Resumo Teórico
O ressalto hidráulico é o fenômeno que ocorre na transição de um escoamento torrencial (supercrítico) para um escoamento fluvial (subcrítico) e é caracterizado por uma elevação do nível d’água acompanhada de uma instabilidade na superfície com ondulações e entrada de ar do ambiente e por uma perda de energia em forma de grande turbulência. Com o regime permanente o ressalto ocupa uma posição fixa em um leito uniforme e pode ser considerado como uma onda estacionária. Uma das principais utilidades do ressalto é como dissipador de energia cinética de uma lâmina líquida que desce pelo paramento de um vertedor, evitando o aparecimento de um processo erosivo no lento do canal de restituição.
O ressalto hidráulico pode ser classificado em função do número de Froude na seção de escoamento torrencial, denominado como Fr. Tem-se a seguinte classificação: a) Se 1
Universidade de Brasília Faculdade de Tecnologia - FT. Departamento de Engenharia Civil e Ambiental Hidráulica Experimental e) Se Fr>9,0: ressalto forte. Este tipo de ressalto não é empregado como dissipador de energia porque há o risco de ocorrência de erosões significativas em função da elevada turbulência.
2- Descrição do Experimento/Planilha de Dados
2.1 – Aparato experimental
Bancada Ar,field;
Régua;
Tubo de Pitot.
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Universidade de Brasília Faculdade de Tecnologia - FT. Departamento de Engenharia Civil e Ambiental Hidráulica Experimental 2.2 – Procedimentos
Inicialmente foi acionada a bomba, abriu-se o registro de água e ajustou-se a comporta de montante até atingir a altura de 2cm, em seguida ajustou-se a vazão até que a carga na comporta de montante fosse constante e igual a 25cm. Após esse procedimento a comporta de jusante foi alterada até que se obtivesse um ressalto hidráulico na seção central do canal. As medidas do nível de escoamento nas seções do canal a montante e jusante do ressalto foram anotas juntamente com as medições no tubo de Pitot. Em seguida o mesmo procedimento foi repetido mudando somente a comporta de montante em intervalos constantes de 0,3cm obtendo assim novas mediadas repetindo os procedimentos 3 e 4, até o ressalto deixasse de existir.
2.3 – Dados obtidos Tabela 1 - Medidas de altura de tirante e carga de velocidade.
Leitura
Abertura da Comporta (cm)
Montante
Jusante
Tirante
Pitot
Tirante
Pitot
(cm)
(cm)
(cm)
(cm)
1
2,0
1,5
23,7
9
10,5
2
2,3
1,7
19
8,5
9,6
3
2,6
1,8
16,9
8
8,9
4
2,9
2,1
13
7,5
8,4
5
3,2
2,2
11,3
7
8
6
3,5
2,4
9,8
6,3
7,8
7
3,8
2,7
9
5,7
7,4
Universidade de Brasília Faculdade de Tecnologia - FT. Departamento de Engenharia Civil e Ambiental Hidráulica Experimental 4,1
8
3,1
9,2
Largura do Canal (m)
4,8
7
0,04
3 – Transcrição e Análise dos resultados
3.1 – Resultados obtidos
A partir dos dados obtidos foram calculadas grandezas como a vazão, o número de Froude e a energia específica. A vazão foi calculada através da média do produto da área com as velocidades de montante de jusante, que foram calculadas através da equação
. E o número de Froude foi calculado pela equação criada pelo próprio cientista:
. Onde, q é a vazão em um canal de largura unitária e y é o tirante.
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Abertura da Leitura
Montante
Jusante Tipo de Ressalto
Comporta
Tirante
Pitot
Tirante
Pitot
(cm)
(cm)
(cm)
(cm)
(cm)
1
2,0
1,5
23,7
9
10,5
Forte
2
2,3
1,7
19
8,5
9,6
Forte
3
2,6
1,8
16,9
8
8,9
Forte
4
2,9
2,1
13
7,5
8,4
Estável
5
3,2
2,2
11,3
7
8
Estável
6
3,5
2,4
9,8
6,3
7,8
Estável
7
3,8
2,7
9
5,7
7,4
Oscilante
8
4,1
3,1
9,2
4,8
7
Oscilante
3.2 – Resultados e demonstrações de cálculo
Equações utilizadas
(1) Numero de Froude pela vazão unitária
√
,
Onde: é a velocidade unitária, e
a altura da coluna d’água.
(2) Vazão unitária
,
onde é a vazão e a largura do canal.
Universidade de Brasília Faculdade de Tecnologia - FT. Departamento de Engenharia Civil e Ambiental Hidráulica Experimental (3) Velocidade pelo tudo de Pitot
Onde
,
.
é a altura no nível d’água medida no tudo de Pitot, e a
altura do tirante.
(4) Vazão
,
Sendo a velocidade medida pelo tudo de Pitot, , a área da seção e
as vazões a montante e a jusante respectivamente.
(5) Energia específica
,
é a altura do tirando e a velocidade do escoamento
(6) Perda de carga experimental
(7) Perda de carga teórica
Onde
e
,
são as medidas dos tirantes a monte e a jusante respectivamente.
(8) Relação entre as alturas conjugadas
e
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, Onde
e
são as medidas dos tirantes a monte e a jusante, e
, o número de
Froude a montante do ressalto.
3.3 – Considerações
As primeiras leituras do tirante a jusante são aproximadas devido à turbulência gerada pelo ressalto. A partir do momento que a velocidade de escoamento fica constante (regime fluvial), o ressalto praticamente deixa de existir e as alturas dos tirantes a montante e a jusante tendem a se igualar. As leituras das alturas do tubo de Pitot tendem a diminuir a montante, pelo fato de ter uma vazão maior ao começo do experimento, e aumentar a jusante, pois há dissipação de energia devido ao ressalto. 3.4 – Determinando Q,y, V, F, E MONTANTE LEITURA
VAZÃO (m3/s)
TIRANTE
VELOCIDADE
(Y1)
(m/s)
ENERGIA Nº DE FROUDE
ESPECÍFICA (m)
1
0,00323
1,5
2,156
14,04
1,492
2
0,00299
1,7
1,931
10,77
1,002
3
0,00277
1,8
1,821
9,15
0,772
4
0,00260
2,1
1,597
6,81
0,508
5
0,00241
2,2
1,489
5,89
0,404
6
0,00222
2,4
1,387
4,78
0,298
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0,00209
2,7
1,329
3,76
0,218
8
0,00196
3,1
1,344
2,86
0,158
Média
0,00253
LEITURA
JUSANTE TIRANTE
VELOCIDADE
(Y2)
(m/s)
1
1,5
2
Nº DE FROUDE
ENERGIA ESPECÍFICA (m)
1,435
0,955
0,131
1,7
1,372
0,963
0,124
3
1,8
1,321
0,977
0,118
4
2,1
1,284
1,009
0,113
5
2,2
1,253
1,038
0,108
6
2,4
1,237
1,123
0,103
7
2,7
1,205
1,227
0,100
8
3,1
1,172
1,486
0,101
LEITURA
PERDA DE CARGA (m)
DISSIPAÇÃO DE ENERGIA (W)
1
0,0781
2,473
2
0,0544
1,594
3
0,0414
1,123
4
0,0250
0,636
5
0,0180
0,424
6
0,0098
0,214
7
0,0044
0,090
8
0,0008
0,016
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q
y2/y1
(y2/y1)*Fr
(y2/y1)*hj
0,0808
6,00
84,214
0,469
0,0747
5
53,828
0,272
0,0692
4,44
40,688
0,184
0,0649
3,57
24,322
0,089
0,0602
3,18
18,750
0,057
0,0556
2,63
12,535
0,026
0,0523
2,11
7,943
0,009
0,0490
1,55
4,434
0,001
3.5 – Curvas teóricas
Gráfico (y2/y1)*Fr X
0.500
(y2/y1)
y = -5E-07x3 + 8E-05x2 + 0,0025x - 0,0138
0.450 0.400 0.350 0.300
) 1 y / 0.250 2 y ( *0.200 x E
0.150 0.100 0.050 0.000 0.0
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
(y2/y1)*Fr
60.0
70.0
80.0
90.0
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Gráfico (y2/y1)*Fr X
0.500
(y2/y1)
0.450 0.400 0.350 0.300
) 1 y0.250 / 2 y ( *0.200 x E
0.150 0.100 0.050 0.000 0.0
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
90.0
(y2/y1)*Fr
4 – Conclusão
A partir do experimento, obtivemos dados suficientes para desenhar o gráfico de impulsão e analisar os vários tipos de ressaltos, assim como é ensinado nos livros teóricos sobre o assunto. Algumas variações foram encontradas devido o erro experimental, as leituras são difíceis de fazer precedendo a erros de aproximação, porém nada que prejudicasse o resultado que era entender a proporcionalidade de vazão, velocidade e ressalto. Chegamos a conclusão que quanto maior a velocidade a montante, maior será o ressalto e consequentemente a perda de carga, que seria a dissipação de energia em questão.
