O desenvolvimento de ondas estacionárias oblíquas que se observa nos descarregadores de cheias é a resposta do escoamento rápido a modificações na geometria da soleira, das paredes ou pela existência de pilares (Gameiro, 1996). Na presença de um estrangulamento pela diminuição da largura ao longo do canal descarregador, dá-se deflexão do escoamento pela parede vertical na direção do eixo do canal conduzindo a uma sobrelevação da veia líquida junto das paredes convergentes. Em escoamentos arejados, esta sobrelevação da veia líquida é composta por duas partes (Figura 2.4). Na região de escoamento não-arejado é formada a parte
(arejamento natural). Quando a parte principal da onda interage com o escoamento com emulsionamento de ar forma-se uma parte secundária da onda, totalmente arejada.
Figura 2.4 - Desenvolvimento da onda estacionária oblíqua junto da parede convergente representada esquematicamente (adaptado de Zindovic et al., 2016).
A Figura 2.5 mostra o desenvolvimento da onda estacionária oblíqua e a sobrelevação do escoamento junto da parede convergente do descarregador com paramento convencional no ensaio experimental de André e Ramos (2003), aumentando a sua largura de montante para jusante.
Figura 2.5 - Onda estacionária oblíqua que se forma junto da parede direita do descarregador liso com uma parede convergente; Q = 27,9 l/s; tg θ = 0,5 (Fot.: André e Ramos, 2003).
Dos estudos de André e Ramos (2003) e Cabrita (2007) conclui-se que nos descarregadores de cheias em degraus a largura da onda estacionária oblíqua é menor do que a observada nos descarregadores com paramento liso, em particular no pé do descarregador. É também registado
Secção de afloramento da camada limite (SACL)
Escoamento sem emulsionamento de ar
Escoamento com emulsionamento de ar
que o descarregador com maior altura do degrau (hd = 5,0 cm) apresenta menores larguras de
onda, excetuando as secções mais próximas do pé do descarregador, para os maiores caudais. Quanto à sobrelevação da superfície livre do escoamento junto das paredes convergentes, André e Ramos (2003) concluíram que a presença de degraus atenua o aumento da altura do escoamento junto das paredes. Por outro lado, com o aumento do ângulo de convergência (de 9,9° para 19,3°), maior é a altura de escoamento registada. É assim fundamental estimar o perfil da superfície livre do escoamento, bem como o campo de velocidades, de modo a dimensionar corretamente a altura das paredes laterais com uma folga adequada (Hunt et al., 2008, 2012; Woolbright, 2008; Wadhai et al., 2014).
3 Instalação experimental
Os ensaios experimentais que permitiram a calibração e validação do presente estudo decorreram no Laboratório de Hidráulica e Recursos Hídricos do IST, no âmbito das investigações desenvolvidas por André e Ramos (2003) e Cabrita (2007), numa instalação experimental readaptada a partir da instalação utilizada por Fael (2000).
A instalação é constituída por um canal de secção retangular, no qual se insere o descarregador, para além de um reservatório de alimentação, um compartimento de restituição e circuitos de alimentação e recirculação da água. O canal tem 8 m de comprimento e 0,7 m de largura sendo limitado a montante por um reservatório de alimentação e a jusante por um compartimento de restituição onde se encontra uma comporta de charneira articulada na base, que permite regular a localização do ressalto hidráulico a jusante do descarregador. O descarregador em PVC de 0,50 m de altura é constituído por uma soleira espessa horizontal com 0,50 m de comprimento e por um canal descarregador, instalado sensivelmente a meio do canal, em que foram testados três tipos de rugosidade do paramento (como apresentado na Tabela 3.1), sendo que o paramento forma um ângulo de 26,6° com a horizontal (1V:2H). Na parede vertical, imediatamente a montante da soleira, encontra-se uma estrutura cilíndrica que tem por objetivo reduzir a perturbação do escoamento à entrada do descarregador (Fael, 2000; André e Ramos, 2003; Cabrita, 2007; Lúcio, 2015).
Tabela 3.1 - Tipos de rugosidade testadas no paramento do canal descarregador.
Tipo de rugosidade Nº degraus
Degraus com hd=5,0 cm 9
Degraus com hd=2,5 cm 19
Liso --
No âmbito dos ensaios experimentais desenvolvidos por Cabrita (2007) realizaram-se sete configurações do descarregador com paredes convergentes (uma parede convergente com ângulo 19,3° na situação de descarregador com degraus de 5,0 cm de altura e uma ou duas paredes convergentes com ângulo de 9,9°) e três tipos de rugosidades da superfície (como apresentado na tabela acima). Para os ensaios com a configuração de parede convergente com 19,3°, usou-se a placa convergente de PVC apresentada na Figura 3.1 (c), previamente utilizada nos estudos de André e Ramos (2003). A obtenção do descarregador convergente foi conseguida mediante a colocação de uma placa de PVC ao longo do canal descarregador, para que a largura a jusante fosse igual a 0,35 m, o que corresponde ao ângulo de convergência de 19,3°. As placas de acrílico de 0,01m de espessura respeitantes às restantes configurações foram construídas no laboratório para os ensaios de Cabrita (2007). Como se pode observar nas Figuras 3.1 (c) e (d), no final do descarregador convergente foi sempre colocada uma placa vertical, de modo a que a
largura da bacia de dissipação fosse constante e coincidente com a da secção de jusante do canal descarregador.
No canal descarregador, para os ensaios experimentais desenvolvidos por Cabrita (2007), realizaram-se medições de altura do escoamento, perfis de velocidade e de largura da onda estacionária oblíqua para todos as configurações, sendo utilizados no presente documento os ensaios experimentais respeitantes aos caudais de 35, 42, 49 e 56 l/s. A medição de alturas do escoamento foi efetuada por observação visual recorrendo à colocação de fitas métricas nas paredes laterais do canal, com direção normal à soleira fictícia formada pelos vértices dos degraus. Os perfis de velocidade do escoamento nas verticais dos degraus foram obtidos com recurso a um tubo de Pitot. A largura da onda estacionária oblíqua em cada vertical de cada degrau foi determinada por dois métodos: por observação visual – com o auxílio de uma fita métrica – e recorrendo a um micro-molinete fixado a um coordinómetro. É de salientar que a determinação da largura da onda com o molinete a jusante da secção de afloramento da camada limite foi impossibilitada dado que a jusante dessa secção a superfície livre era muito irregular. Também a medição por observação visual se revelou igualmente difícil a jusante dessa secção, devido à oscilação da largura da onda.
(a) (b)
(c) (d)
Figura 3.1 - Instalação experimental: (a) vista geral; (b) escoamento sobre o descarregador com uma parede convergente (θ=19,3°; h=5,0 cm) para Q=75 l/s; (c) entrada de ar no seio do escoamento