UTILIZAÇÃO DE ANEMÔMETRO LASER DOPPLER EM ESTUDOS DE ESTRUTURAS HIDRÁULICAS

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1 33 UTILIZAÇÃO DE ANEMÔMETRO LASER DOPPLER EM ESTUDOS DE ESTRUTURAS HIDRÁULICAS Grupo: (Passagem de Peixes) Edna Maria de Faria 1, Carlos Barreira Martinez 2, Isabela Labarrère Vieira 3 e Marcelo Giulian Marques 4 UFMG/CPH Universidade Federal de Minas Gerais/Centro de Pesquisas Hidráulicas Av. Antônio Carlos 6227, CEP Belo Horizonte-M.G.-Brasil ednamariafaria@bol.com.br, bela_labarrere@hotmail.com, martinez@cce.ufmg.br UFRGS/IPH - Universidade Federal do Rio Grande do Sul / Instituto de Pesquisa Hidráulicas Av. Bento Gonçalves 9500, Porto Alegre 9500 RS - Brasil. marques@if.ufrgs.br Resumo. A utilização de anemômetros laser em estudos de estruturas hidráulicas vem ganhando um espaço cada fez maior em função das possibilidades de medições e qualidade dos dados obtidos, além de possibilitar uma análise de macroturbulência através do estudo de variação instantânea das velocidades no interior do escoamento. Este tipo de análise tem grande importância para o engenheiro de obras hidráulicas, uma vez que permite que se conheça o funcionamento interno das estruturas que estão sendo estudadas, fornecendo uma segurança maior quando ao seu dimensionamento, evitando-se danos futuros causados por problemas de cavitação, erosão ou fadiga. Neste trabalho apresentam-se os resultados iniciais que estão sendo desenvolvidos com a utilização de anemômetria a laser para avaliação do comportamento hidráulico em um dissipador de energia tipo concha, atráves do levantamento do campo de velocidades ao longo da mesma. Esta ferramenta permite uma avaliação rápida e confiável. A fim de se testar a ferramenta utilizou-se um modelo de um vertedouro instalado em um pequeno canal de acrílico. Os resultados iniciais permitem uma avaliação da pertinência do uso deste tipo de equipamento. Os testes foram efetuados nas instalações do CPH / UFMG (Centro de Pesquisas Hidráulicas da UFMG). Palavras-chave: Anemômetro Laser Doppler, Estruturas hidráulicas, Comportamento Hidráulico 1. INTRODUÇÃO O estudo do comportamento de estruturas hidráulicas compreende o conhecimento das velocidades e das variações de pressão ao longo das mesmas. Entretanto a identificação destas grandezas é feita através de instrumentos que são via de regra inseridos no fluxo permitindo assim a sua medição. Os medidores de pressão convencionais são instalados normalmente nas superfícies e salvo pequenas turbulências causadas na sua entrada, provocam interferências consideradas pequenas e que podem ser desconsideradas. Já no caso de medidores de velocidade normalmente utilizados (do tipo invasivos), as medições podem causar flutuações elevadas. Isto ocorre pelo fato dos instrumentos terem dimensões físicas consideráveis. Desta forma o uso de instrumentos não invasivos permitem uma maior precisão de medição e podem ser utilizados (devido a sua classe de precisão) para aferir instrumentos, e permitir avaliar qual a real interferência nos processos de medição. Assim, apresenta-se um estudo da utilização de um equipamento não invasivo para a medição da velocidade em estruturas hidráulicas. A estrutura a ser analisada é um vertedor do tipo Roller Bucket, com o perfil Creager, onde é feito um mapeamento bidimensional procurando-se identificar os níveis de velocidade ao longo da estrutura. Pelo fato dos experimentos estarem ainda em fase inicial e objetivando-se desenvolver um protocolo de medições que permita a execução dos ensaios de forma rápida e eficiente, optou-se neste trabalho pela execução das medidas sob uma condição específica de escoamento. Assim, a partir dos resultados obtidos pretende-se expandir os estudos e caracterizar o escoamento para uma ampla faixa de vazões, e consequentemente de números de Froude. 2. DESCRIÇÃO DO ANEMÔMETRO LASER DOPLLER A técnica do Doppler é baseada na utilização de dois feixes de igual intensidade que são focalizados e que se cruzam num ponto de interesse no escoamento. Nesse cruzamento dos feixes forma-se um volume de medida, Fig. 1.

2 34 Figura 1 Interseção dos feixes laser gerando um volume de medida. A mesma intensidade é garantida em ambos os feixes utilizando-se uma única fonte estabilizada de laser, e dividindo-se a luz em dois feixes paralelos através de um divisor de feixe. Estes feixes são focalizados no escoamento por uma lente convergente. Este volume de medida, formado pelo cruzamento dos dois feixes, é constituído por uma rede de franjas de interferências que possuiu um ângulo de separação γ entre estes feixes, dependendo da configuração da lente empregada, Fig.. 2. Quando uma partícula atravessa as franjas de interferências gera uma freqüência devido ao efeito Doppler. Partícula Espaçamento das franjas Entretanto, o fato da freqüência utilizada para o cálculo da velocidade ser a mesma com a partícula viajando a uma velocidade V ou +V, não seria possível caracterizar um escoamento turbulento contendo recirculações e partículas estacionárias. Para solucionar este problema introduziu-se um dispositivo chamado célula de Bragg (modulador óptico-acústico) em um dos dois feixes do laser promovendo a defasagem da propagação deste feixe de uma determinada freqüência (dependerá da frequência utilizada). Deste modo, a diferença em freqüência entre os dois feixes causa um movimento na rede de interferência do volume de medida, assim, partículas viajando na mesma direção do movimento da rede de interferência produzem um sinal de baixa freqüência, como demonstrado na Eq. (2). F P = f B - f D (2) Por outro lado, que partículas viajando na direção oposta produzem freqüências mais altas, como pode ser visto na Eq. (3). F P = f B + f D (3) A configuração utilizada no presente trabalho pode ser observada na Fig. 3. d e a Figura 2 Rede de franjas de interferência na interseção dos feixes. b c g f O sucesso das medidas depende da presença de partículas para espalhar a luz. Estas partículas podem ser adicionadas ao fluido, ou serem simplesmente as impurezas presentes no próprio escoamento (Pinotti, 1996). A luz espalhada pela partícula ao atravessar as franjas de interferências é captada por um foto detector de uma lente de recepção. Este sinal luminoso é transformado num sinal elétrico no domínio do tempo. Após seu processamento, resulta num domínio de freqüência (f D ) que possui uma relação direta com a velocidade. É interessante e útil lembrar que a freqüência de batimento (f D ) é independente da pressão, temperatura e/ou densidade do fluido. A Eq. (1) demonstra que a freqüência de batimento é independente da direção do receptor e é dada por: 2V γ f D = sen (1) λ 2 onde V é a velocidade da partícula passando através da região iluminada pelo cruzamento dos feixes (volume de medida) [m/s], λ o comprimento de onda da luz [nm] e γ é o ângulo entre os dois feixes [rad]. Figura 3 - Configuração utilizada nas medidas. Onde: A lente mais externa (f) focaliza os feixes no local da medida e direciona a luz dispersa pelas partículas para a lente mais interna (g) que, por sua vez, a focaliza na entrada da fibra ótica (e) que transmite as informações ao fotomultiplicador (d). (Pinotti, 1996). 3. O EXPERIMENTO Este trabalho foi desenvolvido em um canal hidráulico com paredes de acrílico e com declividade variável. O sistema de alimentação do canal é constituído de um conjunto moto bomba acoplado a um sistema de medição de vazão com placa de orifício. Este sistema permite um controle bastante eficiente de vazão no canal. A Fig. 4 apresenta um esquema do canal utilizado neste estudo e a Fig. 5 mostra uma vista do canal utilizado para a realização do ensaio. Pode-se observar que o canal utilizado possui dimensões reduzidas, entretanto para a finalidade deste trabalho (desenvolvimento de um protocolo de medidas e verificação da possibilidade de mapeamento dos níveis de velocidade em um canal) ele se torna perfeitamente operacional além de permitir que os experimentos

3 35 sejam realizados com uma grande facilidade (devido as dimensões da bancada) e com um baixo consumo de energia, fato atualmente relevante no Brasil. deste. De posse dos ângulos formados pela superfície da calha do vertedor foi possível se obter a velocidade nos eixos x e y mm largura 150 mm 100 Figura 4 - Esquema do canal utilizado nos ensaios Figura 5 Foto do canal de acrílico usado nos testes e a sonda do ALD O experimento foi idealizado de forma a se levantar uma matriz de dados que permitisse mapear o escoamento na região do vertedor. Desta forma utilizou-se uma subdivisão em três áreas de medição que permitem a identificação dos valores de velocidade e posterior processamento de dados de forma a se obter um quadro preciso das velocidades. A Fig. 6 apresenta o esquema de divisão utilizado para a medição das velocidades. Desta forma fez-se inicialmente o mapeamento das regiões a montante e sobre o vertedouro, o que possibilitou o mapeamento das mesmas. Na região a montante que possui 136 mm de comprimento foram realizadas 1700 medidas. Para a obtenção destas medidas subdividiu-se a região em 34 partes, na direção do escoamento (que atribuiu-se como direção x) com distancia de 4 mm entre eles. Além disso, foram realizados novos planos de medidas distanciados de 4 mm, gerando 25 posições nos 100 mm da lâmina d água. Assim obteve-se um conjunto de medições de velocidade na direção x e na direção y (perpendicular ao fundo do canal) em cada nó. Na região do vertedouro foram realizadas 45 medidas, em posições diferenciadas, nos 88 mm de comprimento. Como a lamina d água acima do vertedouro era muito pequena foi necessário a retirada das medidas em uma plano perpendicular a parede Figura 6- Protocolo de medições de velocidade no sistema em estudo (mm). Na extensão da calha do vertedor foram colocadas 08 tomadas de pressão situadas ao longo do eixo do mesmo, com uma extensão de 100 mm e um espaçamento entre as tomadas de 10 mm. O espaçamento entre as tomadas foi escolhido procurando-se obter um bom perfil de pressões, conforme as informações de Elder [1961], Khader e Elango [1973], Lopardo [1987], Endres [1991] e Marques Os transdutores de pressão utilizados possuem um formato físico que possibilita a sua colocação diretamente na calha. Entretanto optou-se por interligalos ao sistema através de um conjunto de mangueiras de borracha de 500 mm de comprimento e um diâmetro de 6,4 mm, (Akbari et al [1982] e Lopardo et al [1985]) e conectores de latão. Desta forma apesar de se introduzir um amortecimento no sistema (devido ao efeito da mangueira ) ganha-se em termos de facilidade e flexibilidade de manuseio. Assim os transdutores foram instalados na parte exterior do canal, ficando apenas os pontos de tomada de pressão aparentes no fundo da calha. De forma a se ter a menor interferência destes pontos de tomada de pressão procurou-se polir a superfície até se obter um bom acabamento. Mesmo assim alguns pontos apresentaram rebarbas difíceis de serem retiradas. Assim optou-se por deslocar as medições com o anemômetro laser de um a distância de 10 mm, a direita e a esquerda, das tomadas de pressão de forma a verificar se ocorreu alguma perturbação. Esta distância foi obtida a partir de medições na calha e foi tomada como sendo a menor distância que não apresentou flutuação de velocidade considerada como proveniente de turbulência causada pela tomada de pressão. Os detalhes dos pontos de tomada de pressão podem ser melhor visualizados pela Fig. 7 a seguir, bem como o eixo de medição de velocidade adotado. Apesar das medições de pressão não serem objeto deste estudo, optou-se por inserir as tomadas de pressão uma vez que em ensaios posteriores se irá trabalhar com o conjunto de medição (pressão / velocidade), e assim deve-se, desde o início, estudar alternativas que não provoquem interferências mutuas.

4 36 foto da Figura 7 - A direita detalhes das tomadas de pressão na calha da estrutura em estudo e a esquerda posicionamento do eixo de medição de velocidade na calha do vertedor. Devido ao fato do trabalho se encontrar ainda em fase inicial procurou-se identificar primeiramente procedimentos de medição que permitam a obtenção do mapeamento em termos de velocidade / pressão. Desta forma optou-se por trabalhar com o vertedor sob a máxima carga hidráulica possível para este canal. Assim a vazão utilizada foi superior em 20% à vazão de projeto, o que justifica em parte os resultados obtidos. A vazão de teste foi de 27,0 l/min à 20ºC. 4. RESULTADOS OBTIDOS Os resultados das medições de velocidade sobre a calha do vertedouro indicaram um escoamento com regiões de estagnação logo a montante do vertedor. Esta região de estagnação é exatamente onde se observou visualmente a recirculação do escoamento. A Fig. 8 mostra o mapeamento do campo de velocidades a montante e na região do vertedouro. - 0,02 Eixo de localização das tomadas de pressão Figura 8- Mapeamento do campo de velocidades a montante e na região do vertedouro. O direcionamento das setas mostrado na Fig. 8 indicam o comportamento do escoamento sobre o vertedouro. Pode ser visto, também, uma região de vorticidade na parte inferior do escoamento, próximo à parede do vertedouro. Com o auxílio do mapa em escala de cinza, podemos identificar o campo de variação de velocidades, que sob esta condição de trabalho varia de 0,015 a 0,800 m/s. A região onde a velocidade é negativa representa a região de recirculação, isto é, a região onde existe uma maior vorticidade. 65 Eixo de execução das medidas 0, ,02 0,04 0,1 0,2 0,4 0,6 0,8 Ainda pela análise da Fig. 8 pode-se observar na região da calha do vertedouro, a ocorrência de duas regiões onde as velocidades sofrem uma alteração brusca. Estas regiões estão exatamente sobre os pontos onde se observa uma pequena inflexão na curvatura do vertedouro. Considera-se que estas inflexões foram muito significativas nos ensaios e se deveram principalmente às dificuldades na etapa de confecção do modelo. Acredita-se que nestas regiões serão observadas, também, grandes oscilações de pressão quando a análise de pressão estiver finalizada. Devido a exiguidade de tempo, a medição de velocidade na terceira área será efetuada em uma etapa posterior. A partir da finalização desta, ter-se-á o mapeamento do campo de velocidades, a montante, sobre e a jusante do vertedouro, para uma vazão de 27,0 l/min. O próximo passo será a repetição dos procedimentos para outras vazões, incluindo-se também o mapeamento em termos de pressão. De posse destes dados pode-se fazer uma análise do comportamento desta estrutura. 5. COMENTÁRIOS FINAIS O fato do canal ser de pequenas dimensões, e a vazão de teste ser pequena, resulta numa lâmina d água de pequena dimensão. Assim, forças como a tensão superficial, adesão, entre outras, podem afetar o escoamento, levando possivelmente às alterações bruscas de velocidades citadas anteriormente. Apesar disso, não foi prejudicado o objetivo deste trabalho em estabelecer um protocolo de medições e constatar a pertinência da utilização do anemômetro laser Doppler na verificação das velocidades e das recirculações em uma estrutura hidráulica. Novos testes variando o número de medidas, através da aproximação e distanciamento entre os nós, serão realizados. Através disto, será observado o menor número de pontos necessários para a visualização do escoamento de forma correta, encontrando-se a matriz ótima. O fato de se ter optado pela subdivisão em três regiões e pela execução de 1700 medidas de velocidade não garante que este seja o melhor esquema de medição para este tipo de estrutura. Assim a partir das matrizes de resultados se obterá um conjunto de mapeamentos coloridos (sempre sob a mesma condição de escoamento) que permitirão uma avaliação do número de medidas a partir do qual não se obterá alterações significativas no resultado do mapeamento. A próxima etapa será a repetição dos procedimentos para outras vazões e, em seguida, o mapeamento em termos de pressão permitindo se fazer uma análise mais ampla do comportamento deste tipo de estrutura. 6 - AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a FINEP pelo apoio recebido através do projeto RECOPE na aquisição do anemômetro laser Dopller e pela

5 37 possibilidade de formação de uma rede integrada de pesquisa envolvendo diversas Universidades Akbari Brasileiras. Ao Professor Marcelo Giulian Marques, do IPH na UFRGS, pelas correções e sugestões ao trabalho. 7 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] M. E., Mittal, M. K. e Pande, P. K. Pressure fluctuations on the floor of free and forced hydraulic jumps, Proc.: International conference on the hydraulic modelling of civil engineering structures, Coventry, England, BHRA Fluid engineering. Paper C1, pp.: [2] Elder, R. A., Model-prototype turbulence scaling. In: Association Internationale De Recherches Hydrauliques, 9., Theme.[s.1.], pp.: [3] Endres, L.A.M.), Contribuição ao desenvolvimento de um sistema para aquisição e tratamento de dados de pressões instantâneas em laboratório. Instituto de Pesquisas Hidráulicas (IPH). Universidade Federal do Rio Grande do Sul Brasil, 1990 [4] Khader, M. H. A. e Elango, K., Turbulent pressure field beneath a hydraulic jump, Journal of hydraulic research, Vol.: 12, No.: 4, 1973, pp.: [5] Lopardo, R. A., Vernet, G. F. e Chividini, M. F., Modelling the behaviour of high head hydraulic jump energy dissipators under flood conditions, Proc.: 2nd International Conference on the Hydraulic of Floods & Flood Control, Cambridge, England, BHRA, The Fluid Engineering Center. Paper G1, pp.: [6] Lopardo, R. A. (1987), Notas sobre fluctuaciones macroturbulentas de presion, medicion, analisis y aplicacion al resalto hidraulico, Revista Latino Americana de hidràulica, Setembro 1987, pp.: [7]Marques, M. G., Drapeau, J. E Verrette, J. L. Critério Alternativo para Dimensionamento de Dissipadores tipo concha. Proc: Centro Inter americano de Estudos Avançados dos Recursos de Água, Salvador - Bahia- Brasil. Universidade Católica do Salvador, pp.: [8] Pinotti, M.B. Escoamento no interior de um dispositivo centrífugo utilizado em circulação extracorpórea. Tese de Doutorado. UNICAMP, Campinas - SP, 1996.