ESTUDO DA ENERGIA ESPECÍFICA EM CANAL EXPERIMENTAL

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1 ESTUDO DA ENERGIA ESPECÍFICA EM CANAL EXPERIMENTAL Michelly Matos Pereira 1 Antonio Italcy de Oliveira Júnior 2 Paulo Fernando Matos de Santana 3 Rodrigo Alencar Ferreira 4 Paulo Roberto Lacerda Tavares 5 RESUMO: O estudo da energia específica em canal experimental é importante para a simulação de possíveis problemas relacionados a escoamentos através de singularidades em condutos livres. Este trabalho tem por objetivo verificar o comportamento do escoamento e da linha de energia em um canal artificial com a presença de uma singularidade. A princípio foi estabelecido um escoamento uniforme no canal, em seguida mediu-se a altura da linha d água com uma ponta linimétrica, zerando a mesma no fundo do canal. Logo após, foi inserido um acessório ao canal, simulando um vertedor de parede espessa e mediu-se a altura da linha d água. A perda de carga do canal sem o acessório foi da ordem 0,0078 m, já a perda de carga do canal com acessório foi de 0,0942 m. O acessório proporcionou um aumento da energia específica e da perda carga ao longo do canal. A aplicação experimental da teoria de energia específica em um canal reduzido, com geometria retangular, aprimorou o entendimento a respeito da influência de singularidades em escoamentos livres. Palavras chave: energia específica; escoamento; perda de carga; singularidade. INTRODUÇÃO O escoamento livre, ou escoamento em canais abertos, é caracterizado pela presença de uma superfície em contato com a atmosfera, submetida, portanto, à pressão atmosférica. Assim, nos escoamentos livres as condições de contorno podem ser variáveis, no tempo e no espaço (BAPTISTA, 2003). Este escoamento é importante nas práticas de engenharia devido a sua ampla aplicação como: saneamento, drenagem urbana, irrigação, hidroeletricidade, conservação do meio ambiente, dentre outras aplicações. No âmbito da hidráulica, muitos fenômenos que ocorrem em canais podem ser mensurados através do princípio da energia. Em 1912, Boris Bakmeteff introduziu o conceito de energia ou carga específica, como sendo a energia (carga) disponível em uma seção, tomando como plano de referência um plano horizontal passando pelo fundo do canal, naquela seção. Em outras palavras, a energia específica é a distância vertical entre o fundo do canal e a linha de energia. 1 Graduando Engenharia Civil, UFCa, Juazeiro do Norte, CE, michellymatosp@gmail.com 2 Graduando Engenharia Civil, UFCa, Juazeiro do Norte, CE, antonioitalcy@alu.ufc.br 3 Graduando Engenharia Civil, UFCa, Juazeiro do Norte, CE, paulofernandodm@hotmail.com 4 Graduando Engenharia Civil, UFCa, Juazeiro do Norte, CE, rodri-alencar@hotmail.com 5 Professor Doutor, UFCa, Juazeiro do Norte, CE, prltavares@ufc.br 1

2 O estudo da energia específica em canal experimental é importante para a simulação de possíveis problemas relacionados a escoamentos através de singularidades em condutos livres, como alteração da cota de fundo, alargamentos e estreitamentos (PORTO, 2006). Diante do exposto, este trabalho tem por objetivo verificar o comportamento do escoamento e da linha de energia em um canal artificial com a presença de uma singularidade. MATERIAIS E MÉTODOS O estudo foi realizado em um canal experimental de acrílico, com dimensões de 6,4cm de largura e 5,0 m de comprimento (seção retangular), possuindo uma bomba de 4cv com flutuador de medição de vazão. Figura 1- Ponta liminétrica. Figura 2 Conjunto motor-bomba. A princípio foi estabelecido um escoamento uniforme no canal com uma vazão aferida no flutuador da bomba em torno de 4000 L/h. No entanto, essa vazão é teórica e para obter a vazão que passa no canal foi necessário utilizar a equação proposta por Maia et al. (2011), resultando em uma vazão real de 0,00118 m³/s. Depois de estabelecido o escoamento uniforme, mediu-se a altura da linha d água com uma ponta linimétrica, zerando a mesma no fundo do canal. Em seguida foi inserido um acessório ao canal, simulando um vertedor de parede espessa, com dimensões de 63,15 mm de largura, 91,29 mm de altura e 219 mm de comprimento. Logo após, foram feitas medições das alturas d água, com o uso da ponta linimétrica; e das pressões, com o tubo de Pitot manual em duas seções: à montante do acessório e sobre a soleira. Fazendo uso dos dados da pressão e da área da seção foi calculada a energia específica em cada seção; e com as alturas da linha d água foram obtidos valores do número de Froude (Fr). Para o cálculo da velocidade do escoamento que passa na seção do canal, utilizando os dados das pressões medidas pelo tubo de Pitot, foi utilizada a seguinte equação: 2

3 v: Velocidade em (m/s); g: Aceleração da gravidade em (m/s²); h: Diferença entre a pressão estática e dinâmica em (m). Para o cálculo do número de Froude, utilizado na verificação do regime do escoamento, foi utilizada a equação: V: Velocidade do escoamento em (m/s); g: Aceleração da gravidade em (m/s²); y h : Altura hidráulica em (m). Para determinação da energia específica nos dois trechos do canal foi usado: y: altura da água; V: velocidade do escoamento; g: gravidade; A perda de carga é calculada pela diferença entre os valores de energia específicos obtidos entre as seções das extremidades do canal, portanto: ΔH= E 1 -E 2 (4) ΔH: perda de carga em m; E 1 : Energia específica na seção 1 do canal em m; E 2 : Energia específica na seção 2 do canal em m; RESULTADOS E DISCUSSÃO Quando o regime era uniforme, as medidas de altura d água, pressão estática e dinâmica feitas a 1 m da extremidade do canal foram 54,4 mm, 176 mm e 169 mm respectivamente. No outro ponto também a 1 m da extremidade do canal as medidas de altura d água, pressão estática e pressão dinâmica foram 39,6 mm, 192 mm e 178 mm 3

4 respectivamente. Para esses dados a velocidade do escoamento é dada pela Equação 1 e o Número de Froude é dado pela Equação 2. Tabela 1: Parâmetros entre duas seções distintas do canal. Extremidade 1 Extremidade 2 Número de 0,507 0,841 Froude Velocidade (m/s) 0,3706 0,5241 Escoamento Fluvial/Subcrítico Fluvial/Subcrítico Após inserir a singularidade no canal, a montante do vertedor, as medidas de altura d água, pressões estática e dinâmica foram: 142 mm, 89 mm e 88 mm. Sobre a soleira, a altura d água crítica e velocidade de escoamento foram respectivamente: 31,5 mm, 0,5841 m/s. Desse modo utilizando as Equações 1 e 2 montou-se a Tabela 2: Tabela 2: Parâmetros a montante do vertedor e sobre a soleira. Número de Froude Velocidade (m/s) Escoamento Montante Soleira 0,118 1,051 0,140 0,5841 Fluvial/Subcrítico Torrencial/Supercrítico Utilizando as equações 4 e 5 foram obtidos os valores de energia específica e perda carga para ambas as situações, ou seja, o canal sem acessório e com acessório. Na tabela 3 encontram-se tais valores. Tabela 3: Energia Específica e perda de carga nas duas situações Canal sem acessório Canal com acessório E 1 (m) 0,0614 0,143 E 2 (m) 0,0536 0,0488 ΔH total (m) 0,0078 0,0942 Avaliando a tabela 3 é possível observar que a energia específica do canal com acessório é superior em relação à energia específica do canal sem acessório. A presença do acessório no canal proporcionou maior perda de carga quando comparado como canal sem acessório, essa elevação da perda de carga representa aproximadamente 12 vezes a mais da perda de carga do canal sem acessório. 4

5 CONCLUSÕES Foi possível concluir com este experimento que os valores e comportamentos encontrados na prática se aproximam do que descreve a teoria, no entanto alguns parâmetros foram mais dispersos que outros. A presença de um acessório no canal modificou o comportamento da linha d água, velocidade e o tipo do escoamento no acessório, conforme descrito na literatura. O acessório proporcionou um aumento na energia específica tanto a montante como a jusante do vertedor, porém houve também um aumento da perda de carga total ao longo do canal. A aplicação experimental da teoria de energia específica em um canal reduzido, com geometria retangular, aprimorou o entendimento a respeito da influência de singularidades em escoamentos livres. REFERÊNCIAS BAPTISTA, M; LARA, M. Fundamentos de engenharia hidráulica. 2. ed. Minas Gerais: Universidade Federal de Minas Gerais, PORTO, R. M. Hidráulica básica. 4. ed. São Carlos: EESC USP, MAIA, F. M. A; TAVARES, P. R. L; RODRIGUES, J. O; COSTA, C. T. F; MENDONÇA, L. A. R. Estudo de vazão com canal experimental. III Encontro Universitário da UFC no Cariri. Juazeiro do Norte, CE,