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ENERGIA ESPECIFICA: ALTURA CRÍTICA EM RESSALTO DE FUNDO
Tipologia: Trabalhos
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Relatório apresentado ao Curso de Engenharia Civil na Faculdade Pio Décimo, como pré- requisito parcial para obtenção da nota do 2ª bimestre, da disciplina Obras Hidráulicas, ministrado pelo professor MSc. Carlos Alfonso Alva Alvarado, do 8° período relativo ao semestre 2019/1. ARACAJU 2019
O conceito de energia especifica foi primeiramente introduzido por Bakmeteff, como sendo a energia disponível em uma seção, tendo como referência o plano horizontal passando pelo fundo do canal, ou seja, é a distância vertical do fundo do canal até a linha de energia. O nosso experimento foi realizado por intermédio de um equipamento chamado de escoamento aberto para estudo de escoamento de agua com superfície livre. O equipamento é constituído por um canal elaborado em vidro temperado que permite a visualização do escoamento, acidentes e dispositivos hidráulicos, instrumentos de medição e um sistema de recirculação de água. O professor Carlos Alva, da disciplina de Obras Hidráulicas do curso de Engenharia Civil da Faculdade Pio Décimo, para melhor compreensão do assunto lecionado na aula, realizou com seus alunos uma aula experimental na qual se estudou a dissipação de energia em um Canal de Experimento Hidráulico. O estudo desta pratica trata-se de energia especifica, que é a medição da altura critica em ressalto de fundo e vazão com auxílio de um dispositivo chamado Placa de Orifício. Para tal efeito foram realizados ensaios no Laboratório de Hidráulica da Faculdade Pio Decimo. Um ressalto hidráulico sucede quando um escoamento supercrítico é forçado se torna subcrítico numa seção a jusante. Esta transição pode ser forçada pela existência de vertedores, obstáculos, transições de inclinações de fundo, etc. A mudança brusca de profundidade que normalmente ocorre é acompanhada de uma considerável perda de carga. O experimento é considerado um conduto livre, pois é caracterizado por apresentar uma superfície livre na qual reina a pressão atmosférica, ou seja, o canal existe todo o contato com a mesma, sendo que os rios são o melhor exemplo de conduto livre. Este tipo de escoamento é de grande importância na engenharia, pois é bastante utilizado e aplicado nas práticas de saneamento, drenagem urbana, conservação do meio ambiente, irrigação, navegação entre outro.
1.1 Objetivos 1.1.1 Objetivo Geral O intuito desse experimento é conhecer e analisar de forma prática os resultados experimentais adquiridos e comparar com as previsões teóricas estudadas em sala de aula através dos cálculos da energia especifica e da vazão do canal. 1.1.2 Objetivo Especifico O objetivo desse experimento se dar em analisar o comportamento da vazão após a passagem do vertedor, aprender a fazer uma leitura no manômetro de tubo em U e a manusear e ler um limnímetro com escala vernier.
O número de Froude é um número adimensional, utilizado na hidráulica de condutos abertos que representa a razão entre uma velocidade característica e a velocidade de onda gravitacional e separa os tipos de regime de escoamento em três tipos de acordo com sua relação com o nível crítico da água no canal. Identificado pelo símbolo Fr. 2.4 Ressalto e Remanso Hidráulico Ressalto Hidráulico ou salto hidráulico é o fenômeno que ocorre na transição de um escoamento torrencial ou super crítico para um escoamento fluvial ou sub crítico. O escoamento é caracterizado por uma elevação brusca no nível d’água, sobre uma distância curta, acompanhada de uma instabilidade na superfície com ondulações e entrada de ar do ambiente e por uma consequente perda de energia em forma de grande turbulência. Já o Remanso, e a distância máxima pelo qual o escoamento da água ao encontrar um certo obstáculo a montante, ou seja, antes do obstáculo, ela aumenta a sua ‘y’ altura. 2.5 Vertedores Os vertedores podem ser definidos como paredes, diques ou aberturas sobre as quais um líquido escoa, basicamente são estruturas formadas pela abertura de um orifício na parede de um reservatório, na qual a borda superior atinge a superfície livre do líquido, havendo assim escoamento através da estrutura formada. O termo aplica-se também aos extravasores de represa. Hidraulicamente os vertedores devem ser construídos com forma geométrica definida e seu estudo é feito considerando-os como orifícios incompletos, ou seja, sem a borda superior. Os vertedores são instrumentos hidráulicos que tem por finalidade a medição da vazão em cursos de água naturais e em canais construídos, assim como no controle do escoamento em galerias, canais e barragens.
Figura 2 – Tipos de Vertedores Figura 3 – Tipo de Placa de Orifício Figura 4 – Esquema de um Medidor Pardhall 2.6 Placa de Orifício A placa de orifício é o elemento primário de vazão do tipo restrição mais usado. Ela é aplicada na medição de vazão de líquidos limpos e de baixa viscosidade, da maioria dos gases e do vapor d'água em baixa velocidade. A placa de orifício é um elemento de precisão satisfatória. O uso da placa de orifício para a medição da vazão é legalmente aceita, mesmo em aplicações comerciais de compra e venda de produto. 2.7 Medidor Parshall O medidor de Parshall foi idealizado por R. L. Parshall, engenheiro do Serviço de Irrigação do Departamento de Agricultura dos Estados Unidos, tendo como objetivo principal à irrigação, sendo os de menores tamanhos para regular a descarga de água distribuída às propriedades agrícolas, e os maiores para serem aplicados aos grandes canais de irrigação.
Figura 6 – Canal de módulo experimental de acrílico t a unidade de tempo em que ocorre o escoamento. 3 MATERIAIS E MÉTODOS 3.1 Materiais Canal para desenvolvimento de experimentos hidráulicos, contendo: reservatório, caixa de retorno, moto-bomba, canalização de alimentação, dois suportes um fixo e outro regulável para inclinação do canal, base metálica, material do canal é de acrílico cristal, caixa de alimentação do canal; Vertedouro de parede espessa; Manômetro diferencial do tipo U, com mercúrio; Limnimetro; Orifício medidor de vazão.
Figura 7 – Reservatório de Água Figura 8 – Bomba de Pressão
Figura 11 – Limnímetro 3.2 Métodos Primeiramente foi instalado o vertedouro de parede espessa que tem como objetivo causar uma elevação no fundo do canal. Em seguida, a bomba foi acionada levando água pelo orifício medidor de vazão (Φ=64 mm) e nos dando uma diferença de altura mostrada no manômetro tipo U. Com a elevação do fundo do canal a vazão que percorre acaba se alterando quando passa pelo vertedouro, gerando uma diferença na superfície liquida. Devido a isso se acopla as paredes do canal um limnimetro que tem a finalidade de medir o nível dessa superfície liquida. As medições são feitas antes, sobre e após o vertedouro permitindo a analisar o número de Froude para as três condições caracterizando os três regimes de escoamento.
Analisamos no laboratório três diferentes medições da altura manométrica, além da montante, crista e jusante. Segue na tabela abaixo os valores obtidos no experimento: MEDIÇÕES H1 (cm) H2 (cm)
(cm)
(cm)
(cm) 1 ª Medição 100 109 11,77 10,19 3, 2 ª Medição 98,50 110,5 12,60 10,76 4, 3 ª (^) Medição 97,70 111 12,98 11,13 4, Foram realizados os cálculos dessas três medições, onde foi necessário obter os seguintes dados: Cd=0,676; D(tub)=64mm; SgHg=136cm; Lcanal= 0,100m; g= 9,81; ∆H= (H2-H1) de cada medição. Onde: Cd = Coeficiente de Descarga; D(tub) = Diâmetro da Tubulação; Lcanal = Largura do Canal; Acanal = Área do Canal; g = Aceleração da gravidade; ∆H = Diferença da altura no Manômetro; Q = Vazão; q = Vazão Unitária; Fr = Número de Froude.
http://www.trabalhosfeitos.com/ensaios/Determina%C3%A7%C3%A3o-Da- Profundidade-Cr%C3%ADtica/30933338.html Aceso em: 15 de maio19. https://www.passeidireto.com/arquivo/16391968/relatorio-energia-especifica Acesso em: 15 de maio19. PORTO,R. Hidráulica Básica: 4.ed.São Carlos-SP: EESC-USP, 2006. http://www.hidromundo.com.br/numero-de-froude-e-energia-especifica/ Acesso em: 17 de maio https://www.trabalhosfeitos.com/ensaios/Determina%C3%A7%C3%A3o-Da- Profundidade-Cr%C3%ADtica/30933338.html Acesso em: 17 de maio https://www.ebah.com.br/content/ABAAAgIh0AJ/vertedores Acesso em: 19 de maio https://www.passeidireto.com/arquivo/36793056/relatorio-vazao-pela-placa-de- orificio Acesso em: 20 de maio https://www.trabalhosfeitos.com/ensaios/Resalto-Hidraulico-e-Remanso/ 44597704.html Acesso em: 20 de maio http://www.gpeas.ufc.br/disc/hidr/aula05.pdf Acesso em: 20 de maio
Figura 12 – Ponta do limnímetro tocando a crista da água Figura 13 – Anotações dos dados obtidos
