Na presente dissertação apresenta-se um estudo numérico centrado na região a montante da secção de afloramento da camada limite do escoamento deslizante sobre turbilhões, num descarregador com declive 1:2 (V:H), com paredes laterais convergentes, típico do paramento de jusante de uma pequena barragem de aterro.
Embora vantajosa do ponto de vista económico, esta solução apresenta o inconveniente surgimento de ondas estacionárias oblíquas junto das paredes laterais convergentes, conduzindo ao aumento da altura do escoamento, sendo para tal necessário prever uma folga adequada no dimensionamento deste tipo de paredes. Verifica-se que a presença de degraus na soleira descarregadora atenua este efeito, observando-se que, para o mesmo ângulo de convergência, a altura do escoamento junto da parede convergente aumenta até 1,3 vezes para o descarregador com paramento liso. Constata-se que não só a altura do escoamento junto da parede convergente aumenta, como também a largura da onda estacionária oblíqua (até 2,3 vezes superior para o caso do descarregador com paramento liso em relação ao descarregador com degraus de 5,0 cm de altura).
Conclui-se ainda que a sobrelevação da superfície livre junto das paredes convergentes aumenta com o aumento do ângulo de convergência; em média, a relação entre a altura do escoamento na parede com ângulo de convergência de 19,3⁰ e na parede com ângulo de convergência igual a 9,9⁰ é cerca de 1,1 a 1,5.
Em relação à velocidade do escoamento, verifica-se que, de uma maneira geral, aumenta com a distância à crista do descarregador, para igual distância à soleira. O efeito da rugosidade é patente nos perfis de velocidade, verificando-se que a presença de degraus no canal descarregador provoca um significativo abrandamento na velocidade do escoamento próximo da soleira fictícia, tanto maior quanto maior a macro-rugosidade do paramento.
Os resultados analisados na presente dissertação relativos às simulações Restart com modelo de aproximação da equação de conservação da quantidade de movimento de 2ª ordem com preservação de monotonicidade (com condições iniciais que adotam um modelo de 1ª ordem) evidenciam que o software FLOW-3D® reproduz adequadamente as principais grandezas
caraterísticas do escoamento na região não-arejada do escoamento. No caso do método de aproximação numérica de 1ª ordem da ECQM conclui-se que este é incapaz de reproduzir corretamente os efeitos de 2ª ordem, quer a nível da velocidade e alturas do escoamento ao longo do descarregador, quer na representação da não-uniformidade do escoamento na secção
transversal. Os resultados numéricos relativos à altura do escoamento, perfis de velocidade, largura da onda estacionária oblíqua e caudais foram comparados com os resultados experimentais apresentados em Cabrita (2007).
No caso do descarregador em degraus com duas paredes convergentes e altura dos degraus igual a 5,0 cm, as diferenças relativas (em valor absoluto) entre os valores numéricos e experimentais relativos à altura do escoamento no eixo para a região não-arejada foram inferiores a 17,8% (com valor médio de 6,9%). No caso das alturas junto da parede convergente, as diferenças relativas têm um valor médio de 10,7% e atingem 24,3%, sendo as maiores diferenças registadas nas três primeiras secções de medição, o que resultará da maior sobrestimação da altura do escoamento por meio de observação visual. Relativamente às velocidades do escoamento, observou-se uma discrepância entre perfis de velocidade de degraus pares e ímpares. Para um caudal de 56 l/s, os degraus ímpares – verticais 1, 3 e 5 – registam diferenças relativas médias entre resultados experimentais e numéricos iguais a 4,5%, 6,0% e 12,2%, respetivamente. Para as verticais 2, 4 e 6 as diferenças relativas são consideráveis e iguais a 10,6%, 14,3% e 15,0%, respetivamente. Em Cabrita (2007) já tinha sido mencionada a discrepância entre perfis de velocidade de degraus pares e ímpares.
Para o descarregador com degraus de 2,5 cm de altura e ângulo de convergência igual a 9,9⁰, as diferenças relativas entre os resultados experimentais e os resultados numéricos para as simulações Restart são, em geral, ligeiramente superiores às registadas no descarregador com degraus de 5,0 cm. As diferenças relativas (em valor absoluto) associadas à altura no eixo são inferiores a 27,3% e apresentam valor médio de 9,8%. Junto à parede convergente, obtiveram- se diferenças relativas com valor máximo igual a 22,1% e valor médio igual a 14,3%. Novamente se depreende que se não forem contabilizadas as primeiras seis secções do canal descarregador as diferenças relativas junto da parede decrescem, tendo-se obtido um valor médio de 10,6% e atingindo um valor máximo de 11,4% para o caudal de 49 l/s. Relativamente aos perfis de velocidade ao longo do canal descarregador, observa-se que as diferenças relativas aumentam com o caudal, tendo especial influência nos valores obtidos na proximidade da soleira fictícia. Tal como expectável, o descarregador com paramento convencional é aquele que apresenta um melhor ajustamento entre resultados experimentais e numéricos, devido à menor complexidade do escoamento e consequente facilidade de modelação, comparativamente aos restantes descarregadores.
Registam-se, para o caso do descarregador com uma parede convergente e ângulo de convergência de 19,3⁰, as maiores diferenças relativas, verificando-se uma subestimação generalizada das alturas de escoamento obtidas no presente estudo comparativamente aos valores obtidos na instalação experimental. Ao analisar resultados experimentais para descarregadores com largura constante obtidos do estudo de André e Ramos (2003), verificou- se que existe uma sobrestimação dos valores junto das paredes, relativamente aos valores
Pitot, leva a erros de medição sistemáticos. Esta situação é comprovada para o caso do descarregador com maior ângulo de convergência, em especial nas alturas do escoamento junto da parede esquerda, com diferenças relativas médias superiores a 20%.
Relativamente ao estudo do desenvolvimento da onda estacionária oblíqua ao longo do canal descarregador, concluiu-se que a existência de degraus atenua o seu efeito. Por outro lado, o aumento do ângulo de convergência das paredes laterais leva a um aumento da largura da onda. Dos resultados obtidos ao longo dos Capítulos 6 e 7, realça-se a particular importância em assumir um compromisso entre a qualidade dos resultados e o tempo de cálculo. Esta limitação, embora necessária, levou a que não se realizassem simulações para malhas mais refinadas. Esta opção conduziu a situações em que só se obteve convergência da malha para as primeiras verticais e, em geral, para a região não-arejada dos descarregadores. Embora os resultados respeitantes às restantes verticais sejam documentados ao longo deste documento, estes devem ser encarados com muita reserva, pelo facto de não ter sido verificada a independência da malha. Assim sendo, as análises de sensibilidade tomam um papel essencial na compreensão da influência de certas opções numéricas sobre os resultados obtidos e na garantia da fiabilidade desses mesmos resultados. É também importante mencionar que o FLOW-3D® se baseia nas
equações médias de Reynolds, que sendo suficientes para caraterizar as variáveis em estudo, constituem uma aproximação da realidade.
Num âmbito mais generalizado, os resultados obtidos indicam que o estudo desenvolvido pode ser considerado como mais um caso de adequabilidade da utilização de modelos CFD para a simulação de escoamentos em descarregadores de cheias em degraus, em particular na região não-arejada. De facto, ao longo do processo de calibração e validação, os resultados numéricos aproximaram-se em geral dos resultados verificados em modelo físico.