XXVII CONGRESO LATINOAMERICANO DE HIDRÁULICA LIMA, PERÚ, 28 AL 30 DE SETIEMBRE DE 2016

IAHR AIIH XXVII CONGRESO LATINOAMERICANO DE HIDRÁULICA

LIMA, PERÚ, 28 AL 30 DE SETIEMBRE DE 2016

TURBULÊNCIA DO ESCOAMENTO EM ESCADAS PARA PEIXES COM DESCARREGADOR DE SUPERFÍCIE E ORIFÍCIO DE FUNDO

João Pedro P. Bocchi¹, Elvis Carissimi¹, Eder D. Teixeira², Luiz Augusto M. Endres², Marcelo Giulian Marques², Daniela G. Sanagiotto²

1Centro de Tecnologia/UFSM, Brasil, ²Instituto de Pesquisas Hidráulicas, IPH/UFRGS, Brasil

jp.bocchi@gmail.com, ecarissimi@gmail.com, eder.teixeira@ufrgs.br, endres@ufrgs.br, mmarques@iph.ufrgs.br, dsanagiotto@ufrgs.br

RESUMO:

Neste trabalho são apresentados resultados experimentais de comportamentos médios e turbulentos obtidos no escoamento em um modelo físico de uma escada para peixes por bacias sucessivas com fluxo entre bacias por orifícios de fundo e descarregadores de superfície, simultaneamente. A partir de medições de velocidade com velocímetro acústico Doppler pode-se definir o padrão geral do escoamento e caracterizar a turbulência do escoamento através da energia cinética da turbulência e das tensões de Reynolds. Os resultados foram comparados com dados obtidos em outras geometrias de escadas para peixes, de mesma declividade e dimensões dos tanques, alterando-se apenas o modo de comunicação do fluxo entre tanques consecutivos. A análise comparativa mostra que a presença simultânea de orifício de fundo e de descarregador de superfície causa maiores valores máximos de energia cinética da turbulência e tensões de Reynolds em comparação com estudos realizados com apenas uma abertura entre tanques.

ABSTRACT:

This paper presents experimental results of mean and turbulent flow patterns obtained in a pool-type fishway model equipped with weirs and notches simultaneously. Velocities obtained with an Acoustic Doppler Velocimeter (ADV) were used to evaluate mean flow fields and characterize the flow turbulence through the turbulence kinetic energy and Reynolds shear stresses. Results were compared with data obtained in other fishway geometries, with the same slope and dimensions of the pools, modifying only the mode of flow passage between consecutive pools. This evaluation showed that the simultaneous presence of notches and weirs causes greater maximum values of turbulent kinetic energy and Reynolds shear stresses than the ones performed with only one passage between consecutive pools.

PALAVRAS CHAVE: escada para peixes, turbulência, estruturas hidráulicas.

INTRODUÇÃO

A construção de barramentos ao longo dos rios, importantes para o abastecimento de água para população e para o desenvolvimento, causa muitas alterações no meio envolvido. Entre estes impactos, tem-se a formação de uma barreira que impede o deslocamento no habitat aquático. As medidas para atenuação deste problema no meio aquático podem incluir a implantação ou planejamento de mecanismos de transposição de peixes (MTP). Estes mecanismos funcionam como estruturas ou sistemas que possibilitam o deslocamento ou realocação da ictiofauna entre pontos a jusante e a montante de obras que interrompam o fluxo do corpo hídrico.

Os MTP, de uma forma geral, podem ser escadas para peixes, eclusas, elevadores ou sistemas de captura, transporte e soltura. As escadas para peixes caracterizam-se por uma sucessão de bacias ou tanques separados por paredes com soleiras vertedoras, ranhuras verticais ou orifícios submersos, responsáveis por distribuir a carga total em quedas sucessivas (CBDB, 1999). São projetadas para dissipar a energia do escoamento de modo a permitir a passagem dos peixes sem esforço excessivo (Clay, 1995).

O conhecimento da capacidade natatória dos peixes e das condições hidráulicas das estruturas de transposição é essencial para o desenvolvimento de melhores critérios de projeto para escadas de peixes. Além das velocidades médias do escoamento, as componentes da turbulência devem ser avaliadas (Sanagiotto

níveis ótimos de turbulência para os peixes migratórios (Odeh

hidráulicas o nível de turbulência pode ser extremamente elevado, tendo um papel importante no desenvolvimento do escoamento. Portanto, a quantificação da turbulência é de extrema importância para avaliar a eficiência biológica de um projeto de escada para peixes, pois ela pode provocar a fadiga do peixe ou confundi-lo na procura do seu caminho através da estrutura hidráulica (Mao

Uma escada para peixes eficaz deve atrair os peixes rapidamente e permitir-lhes entrar, passar e sair com segurança com um custo mínimo em tempo e energia. Se a velocidade e a energia cinética da turbulência nas bacias são muito elevadas, ou se a profundidade da água é muito pequena, os peixes não serão capazes de nadar através da estrutura. Desse modo, a eficiência biológica de um projeto de passagem para peixes é determinada por variáveis hidrodinâmicas tais como a velocidade, a profundidade de água ou os campos de turbulência nas bacias (Bermúdez et

A imensa variedade de geometrias possíveis para escadas para peixes resulta no interesse da investigação de padrões médios e turbulentos, que podem ser utilizados como critério de escolha de acordo com características da ictiofauna. Nesse sentido, uma série de trabalhos vem sendo desenvolvidos, com abordagens experimentais, numéricas ou ainda, em uma combinação de ambas.

Esse trabalho busca apresentar resultados obtidos experimentalmente em um modelo físico de uma escada para peixes com descarregadores de superfície e orifícios de fundo, abordando aspectos dos padrões gerais e turbulentos do escoamento nessa estrutura.

MATERIAIS E MÉTODOS

Foram realizadas medições em um modelo físico de uma escada para peixes por bacias sucessivas construído nas dependências do Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC) em Lisboa, Portugal. A estrutura caracteriza-se por um canal com cerca de 10 m de comprimento, 1 m de largura e declividade de fundo de 8,7 % (Figura 1a). Para esse estudo foram instalados defletores espaçados de 1,9 m de comprimento, para formar os tanques ou bacias da escada para peixes. Em cada defletor foram feitas duas aberturas: um orifício de fundo, com 0,2x0,2 m² e um descarregador de superfície, com 0,2 m de largura (Figura 1b). As aberturas foram instaladas em lados alternados em septos consecutivos, em uma configuração zigue-zague (Figura 1c).

O sistema de bombeamento de água na estrutura ocorre em um circuito fechado. O controle

das descargas de entrada no canal foi realizado através de um medidor eletromagnético de vazão

com controle remoto. O ajuste da vazão de saída foi realizado através de um registro na saída da estrutura e monitoramento dos níveis de água ao longo do canal para garantir a realização de ensaios em regime permanente.

(a)

(b) (c)

Figura 1.- Estrutura experimental: (a) esquema do canal; (b) vista do defletor entre tanques; (c) esquema para o tanque de controle da configuração zigue-zague dos defletores ao longo do canal.

Foram realizadas medições de velocidade com um velocímetro acústico Doppler - ADV (Acoustic Doppler Velocimeter), da marca Nortek, em uma malha tridimensional em um dos tanques formados no canal (tanque central). Os pontos de medição foram distribuídos em planos paralelos ao fundo, distantes do fundo de 0,01 m; 0,20 m; 0,40 m; 0,60 m; 0,70 m e 0,80 m, totalizando uma malha tridimensional com mais de 270 pontos, bem distribuídos no tanque de análise. No plano mais próximo do fundo, a abrangência na distribuição dos pontos foi menor do que nos demais planos, por restrições construtivas do modelo. Os ensaios foram conduzidos para a vazão de 0,07 m³/s, que corresponde à profundidade média do escoamento no tanque de 0,89 m.

As configurações dos parâmetros do ADV foram definidas a partir de alguns testes preliminares. As análises detalhadas desses testes estão descritas em Sanagiotto (2007). A faixa de velocidade nominal escolhida foi de

horizontal de

medição do vetor velocidade, que é um cubo com 9 mm de aresta, como recomendado pelo fabricante. A frequência de amostragem é de 25 Hz, com aquisições de 90 s em cada posição, totalizando 2250 dados por ponto. Estudos que buscam avaliar a turbulência do escoamento a partir de medições obtidas com o ADV devem verificar a necessidade da aplicação de um filtro aos dados brutos, para fins de retirar valores medidos que não representam o escoamento, como pode ser observado em trabalhos de Khorsandi

outros. Nesse trabalho, os dados de velocidade foram tratados através do filtro PSTM (Phase-Space

software WinADV por Wahl (2003). A figura 2 mostra um exemplo de amostra de dados brutos em comparação com os dados após passarem pelo processo de filtro PSTM. Percebe-se que, de forma geral, esse processo mantém um grande percentual dos dados medidos e retira do sinal os ‘spikes’.

A partir das componentes de velocidades medidas foi possível avaliar o comportamento das

velocidades médias nas três dimensões e de parâmetros indicativos da turbulência, como energia

cinética da turbulência e tensões de Reynolds.

Figura 2.- Exemplo de série temporal de dados brutos (a) em comparação com os dados após passarem pelo processo de aplicação do filtro PSTM.

A série de velocidades temporal (

pode ser escrita a partir do valor médio da série temporal (

) e as flutuações instantâneas

' )

( _{i i(t)}

i t V v

V  

[1]

A energia cinética da turbulência (k) é dada por:





2 1

z y

x v v

v

k  

[2]

Sendo

a flutuação média da velocidade em cada direção (i=x,y ou z), representada pelo desvio padrão da amostra.

As tensões de Reynolds resultam das flutuações instantâneas das componentes de velocidade (

iINS



) podem ser calculadas para planos paralelos ao fundo, longitudinais ou transversais:

' '

' '

' '

ins ins z y INS

YZ

ins z ins x INS

XZ

yins xins INS

XY

v v

v v

v v

























[3]

A tensão de Reynolds em um ponto é dada pela média das tensões de Reynolds calculadas em cada instante da amostra de velocidades.

Os dados experimentais utilizados neste trabalho foram obtidos durante o período de estágio de doutoramento da última autora (Sanagiotto, 2007). Os dados e análises apresentados neste artigo não foram divulgados até o presente momento. Os resultados apresentados nesse trabalho podem ser comparados com as avaliações realizadas por Sanagiotto (2007), onde foram avaliadas estruturas com mesma declividade de fundo e dimensões dos tanques do presente estudo, porém com forma diversa da passagem do escoamento através dos defletores.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

O objetivo do trabalho é avaliar padrões indicativos do comportamento da turbulência em uma geometria específica de escadas para peixes. No entanto, inicialmente se avaliou o comportamento médio dos campos de velocidade, que pode ser útil na interpretação dos parâmetros indicativos da turbulência.

Campos de velocidades médias

A avaliação das velocidades médias em vários planos paralelos ao fundo e em planos

longitudinais e transversais perpendiculares ao fundo permitiu definir as características principais

do fluxo. As figuras 3 e 4 mostram campos de velocidade em planos paralelos ao fundo e em planos

verticais longitudinais, respectivamente. A figura 5 apresenta o comportamento médio do escoamento em uma representação tridimensional.

Figura 3.- Campos de velocidades médias em planos paralelos ao fundo (planos xy) para Q=0,07 m³/s e diferentes distâncias Z do fundo. Planos de acordo com sistema de coordenadas apresentado na figura 1c.

Dimensões do tanque em centímetros.

Figura 4.- Campos de velocidades médias em planos verticais longitudinais (planos xz) para Q=0,07 m³/s e diferentes posições Y. Planos de acordo com sistema de coordenadas apresentado na figura 1c. Dimensões

do tanque em centímetros.

Observa-se que o escoamento é completamente tridimensional, com componentes verticais importantes. As máximas velocidades podem ser percebidas nas regiões que sofrem influência dos jatos, tanto para os descarregadores de superfície quanto para os orifícios de fundo, ou seja, em regiões mais próximas às paredes. Observam-se correntes principais que ligam as aberturas entre defletores de montante e jusante no tanque. Como os orifícios e descarregadores de superfície estão posicionados em lados alternados em defletores consecutivos, os fluxos de maiores velocidades entre aberturas, sofrem uma mudança de direção ao chegar ao defletor de jusante, encaminhando-se para a passagem pelo fundo ou superfície. Além disso, correntes principais podem ser observadas nos planos longitudinais perpendiculares ao fundo próximos às fronteiras do tanque. Essas correntes representam o fluxo entre o descarregador de superfície a montante e o orifício de fundo a jusante e entre o orifício de fundo a montante e o descarregador de superfície a jusante. As velocidades mais amenas no tanque apresentam-se na região central, proporcionando possivelmente as melhores condições de descanso aos peixes durante o percurso.

Considerando os pontos de velocidades medidas, observou-se que as velocidades médias variaram dentro do tanque de valores próximos de zero a velocidades médias máximas de 0,97 m/s. Os valores médios máximos medidos são bastante inferiores à velocidade potencial de 1,80 m/s, obtida por

, sendo

o desnível entre tanques consecutivos (cerca de 0,165 m para a geometria de escada objeto desse estudo). Embora não se espere encontrar o valor da velocidade potencial dentro do tanque, os valores médios máximos medidos ficaram bastante abaixo desse valor, possivelmente pela não realização de medições nas regiões de transição entre tanques consecutivos, onde ocorrem as máximas velocidades. As velocidades máximas encontradas foram minimamente menores do que as analisadas em estruturas apenas com descarregador de superfície ou apenas com orifício de fundo (Sanagiotto, 2007), sob as mesmas condições de declividade (8,7%) e dimensões do tanque, chegando a valores em torno de 55% da velocidade potencial em ambos os casos. Nos estudos de Sanagiotto (2007) mostram-se fluxos preferenciais melhor definidos, possivelmente devido ao fato das escadas avaliadas por esta autora apresentarem apenas uma abertura por defletor, enquanto nesta avaliação há duas. No presente trabalho o escoamento apresenta componentes verticais mais expressivas do que as observadas por Sanagiotto (2007). As componentes verticais de velocidade dentro dos tanques atingem até 0,50 m/s, enquanto as estruturas com passagem apenas pelo orifício de fundo apresentam valores máximos inferiores a 0,40 m/s e com fluxo apenas por descarregadores de superfície de 0,20 m/s.

Figura 5.- Representação tridimensional do campo de velocidades médias do escoamento. A dimensão dos cones está relacionada ao valor da velocidade média resultante no ponto. Dimensões em

centímetros.

Caracterização da turbulência

A potência dissipada por unidade de volume dentro do tanque é de, aproximadamente, 68,3 W/m³ para a condição testada. Essa grandeza dá um primeiro indicativo da compatibilidade entre a geometria selecionada e as espécies de peixes previstas para a utilização dessa estrutura.

Towler

dissipada por unidade de volume, onde é apontado que para escadas para peixes por bacias sucessivas, os valores máximos podem variar entre 92 W/m³ e 239,40 W/m³. Uma análise considerando apenas este indicativo da turbulência do escoamento, coloca a estrutura objeto desse estudo como adequada para a utilização por diversas espécies de peixes.

No entanto, diversos estudos têm apontado que a análise de parâmetros indicativos da turbulência e a variação deles, bem como frequência de ocorrência nos tanques, são necessários para melhor compreender o deslocamento dos peixes no escoamento (Odeh et al., 2002; Bermúdez

Se avaliou a energia cinética da turbulência e as tensões de Reynolds, de acordo com as equações e procedimentos apresentados em materiais e métodos. Foram analisados os campos dessas grandezas em planos paralelos ao fundo e perpendiculares ao fundo. As maiores variações dessas grandezas foram observadas em planos paralelos ao fundo (planos xy), que são os apresentados a seguir. As figuras 6 e 7 mostram os campos de energia cinética da turbulência e das tensões de Reynolds, respectivamente.

Figura 6.- Campos de energia cinética da turbulência em planos paralelos ao fundo (planos xy) para Q = 0,07 m³/s e diferentes distâncias Z do fundo (1 cm, 40 cm, 60 cm e 70 cm), indicadas nas figuras. Planos

de acordo com sistema de coordenadas apresentado na figura 1c. Dimensões do tanque em centímetros.

Os maiores valores de energia cinética da turbulência encontram-se em regiões de influência dos jatos provenientes das descargas a montante, apresentando valores mais elevados para as regiões de influência do descarregador de superfície, chegando a valores superiores a 5000 cm²/s².

Os resultados mostraram que na maior parte das regiões do tanque, os valores de energia cinética da

turbulência não ultrapassam 600 cm²/s². As regiões com maiores valores de energia cinética de

turbulência indicam que, possivelmente, os peixes terão uma maior dificuldade de permanecerem

nestes locais, assim, tornando-os apenas corredores de passagem para os indivíduos. Como a maior

parte do tanque apresenta valores baixos deste parâmetro, o tanque apresenta uma grande região

possivelmente propícia ao descanso para os peixes.

Em boa parte das regiões do campo relativo a planos paralelos ao fundo observamos valores de tensões de Reynolds entre -20 e 20 N/m², contudo, apresentam-se regiões de pico com valores de -60 e 50 N/m² aproximadamente. Pode-se notar que estas regiões estão próximas às fronteiras do tanque, ou seja, sofrem influência direta dos jatos de montante ou estão no caminho do fluxo principal dentro dos tanques.

Figura 7.- Campos de tensões de Reynolds em planos paralelos ao fundo (planos xy) para Q = 0,07 m³/s e diferentes distâncias Z do fundo (1 cm, 40 cm, 60 cm e 70 cm), indicadas nas figuras. Planos de acordo com

sistema de coordenadas apresentado na figura 1c. Dimensões do tanque em centímetros.

Comparação com outras geometrias de escadas para peixes

Os resultados obtidos foram comparados a outras duas geometrias de escadas avaliadas em Sanagiotto (2007): escadas de peixe por bacias sucessivas com orifício de fundo e com descarregador de superfície, mantendo constantes a declividade de fundo e as dimensões de largura e comprimento dos tanques. A figura 8 mostra os valores médios de energia cinética da turbulência e tensões de Reynolds xy em cada plano paralelo ao fundo, em comparação com os valores obtidos por Sanagiotto (2007).

(a) (b)

Figura 8.- Valores médios em planos paralelos ao fundo de (a) energia cinética da turbulência e (b) tensões de Reynolds no plano xy (h é a distância do plano de medição ao fundo, hm é a profundidade média do

escoamento no tanque, OF é orifício de fundo e DS é descarregador de superfície).

A energia cinética da turbulência mostra-se, em partes, semelhante à observada por Sanagiotto (2007) para ambas geometrias de escada (descarregador de superfície e orifício de fundo), com valores entre 0 e 1500 cm²/s² na maior parte do tanque, embora os valores médios sejam bastante inferiores (figura 8a). No presente trabalho observaram-se valores mais elevados nas proximidades do descarregador de superfície, chegando a valores de até 5000 cm²/s².

Os maiores valores de tensões de Reynolds ocorrem no plano xy, tanto para os estudos de Sanagiotto (2007) quanto no presente estudo. Para Sanagiotto (2007) os valores de tensões de Reynolds oscilaram entre -30 e 30 N/m², enquanto no presente trabalho essa oscilação se deu entre -60 e 40 N/m². Em termos de valores médios analisados em planos paralelos ao fundo (figura 8b), observa-se que as médias ficam entre -7 N/m² e 5 N/m², com diminuição do valor médio à medida que o plano analisado se encontrava mais próximo da superfície. Os valores médios em cada plano, observados em escadas para peixes com apenas descarregadores de superfície ou apenas orifícios de fundo são inferiores aos encontrados para a estrutura com o uso simultâneo de descarregadores e orifícios.

CONCLUSÕES

O fluxo em uma escada para peixes com descarregadores de superfície e orifícios de fundo demonstrou uma maior complexidade em relação a estruturas de passagem para peixes com conexão entre tanques consecutivos dado por apenas uma das aberturas (descarregador ou orifício).

As análises indicam que o escoamento em uma escada para peixes com fluxo através de descarregadores de superfície e orifícios de fundo apresenta componentes verticais de velocidade mais expressivas, chegando a 30% da velocidade potencial dentro do tanque, enquanto que nas escadas com apenas orifícios, os valores não ultrapassam 20% e com apenas descarregadores de superfície, cerca de 11%.

Quanto à avaliação de parâmetros indicativos da turbulência, verificou-se que a geometria com descarregador de superfície e orifício de fundo apresenta maiores valores de energia cinética da turbulência e de tensões de Reynolds em comparação com as geometrias utilizadas por Sanagiotto (2007), onde as escadas para peixes por bacias sucessivas apresentavam a comunicação entre bacias por descarregadores de superfície ou por orifícios de fundo, isoladamente, porém com mesmas dimensões das aberturas utilizadas nesse trabalho e mesma declividade de fundo.

As escadas para peixes por bacias sucessivas com aberturas para passagem de fluxo junto ao fundo e junto à superfície apresentam a vantagem de atender espécies de peixes com preferências de nado diversas. Por outro lado, o uso das aberturas simultaneamente diminui as áreas de descanso para os peixes e aumenta os valores máximos de indicadores da turbulência do escoamento, em comparação às geometrias estudadas por Sanagiotto (2007).

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AGRADECIMENTOS

A última autora agradece a CAPES pela bolsa de doutoramento sanduíche, ao prof. António

Pinheiro do IST/UTL pela orientação nesse período e ao LNEC pelo apoio durante a realização dos

ensaios.