63ª Reunião Anual da SBPC

B. Engenharias - 1. Engenharia - 14. Engenharia

ESTUDO DA RUGOSIDADE EM CANAL DE BANCADA COM E SEM LEITO DE PEDRAS DE ARGILA EXPANDIDA

Andréa de Lacerda Bukzem 1 Sthephane Jully Silva 1 Murillo Cabral Campos Vieira 1 Laís Dias Menezes 1 Osmar Vieira Silva 1 Orlene Silva da Costa 2

1. Universidade Estadual de Goiás – UnUCET / UEG 2. Profa. Dra. / Orientadora – UnUCET / UEG

INTRODUÇÃO:

Canais são estruturas hidráulicas onde o escoamento é caracterizado por uma superfície líquida sob pressão atmosférica. As formas dos canais são bastante variadas, desde seções transversais circulares a irregulares, como nos cursos d’água naturais. A rugosidade do leito dos canais pode ser determinada pela fórmula de Manning, desde que se conheçam: velocidade do escoamento, raio hidráulico e declividade do canal. A classificação do escoamento em canais é realizada calculando-se o número de Reynolds (Re), que relaciona forças inerciais e viscosas. Re < 500 classificam o escoamento como laminar, prevalecendo forças viscosas. Em contrapartida, Re > 1.000, o escoamento é turbulento. Já a caracterização dos escoamentos quanto à energia da superfície livre é medida pelo número de Froude (Fr), que relaciona forças inerciais e gravitacionais. Quando Fr < 1, o regime é subcrítico ou fluvial, prevalecendo forças gravitacionais, ou seja, energia potencial > energia cinética, e quando Fr > 1, o regime é supercrítico ou torrencial, preponderando às forças inerciais, isto é, energia cinética > energia potencial, causando um escoamento rápido. Este trabalho visou estudar a rugosidade em canal de bancada, com e sem leito de pedras de argila expandida, com duas inclinações distintas.

METODOLOGIA:

Sistema hidráulico foi montado em bancada de laboratório, composto de: 1) Canal de vidro (100,0 x 5,0 x 3,5 cm), com uma calha fechada e outra aberta; 2) Mangueira de borracha como fonte de água, posta na calha fechada do canal, para formação do escoamento; 3) Pedras de argila expandida de diâmetro médio de 24,23 mm, coladas em esteiras plásticas (10 x 5 cm) fixadas no fundo do canal; e 4) Lâminas de vidro sobrepostas para formação das inclinações de Imín = 2,1 mm e Imáx = 5,25 mm. Após o escoamento permanente estabelecido no canal, foram determinadas: 1) Vazão volumétrica, em quintuplicata; 2) Área molhada da seção transversal, em três pontos (x1 = 5,0 cm, x2 = 44,5 cm e x3 = 92,0 cm) do canal, com auxílio de um paquímetro universal 200 mm/8’’ marca TESA; 3) Comprimento útil de escoamento; 4) Velocidade do escoamento nos três pontos do canal; 5) Raio hidráulico nos três pontos; 6) Temperatura da água; 7) Viscosidade cinemática da água; 8) Número de Reynolds (Re); 9) Número de Froude (Fr); e 10) Coeficiente de Manning (n). Estes parâmetros foram medidos tanto para a inclinação 2,1 mm, quanto para a inclinação de 5,25 mm; bem como, para o canal com leito de pedras e sem o leito de pedras, denominado canal liso. Média aritmética ao longo do canal foi obtida para Re, Fr e n.

RESULTADOS:

Re, Fr e n médios foram estimados ao longo do canal de vidro para as condições de escoamento com leito: 1) Liso Imín; 2) Liso Imáx; 3) Rugoso Imín; e 4) Rugoso Imáx. Todos os valores de Re foram abaixo de 500, classificando-se os escoamentos como laminares. A maior inclinação do canal impôs Re maiores (Re-canal liso = 467 e Re-canal rugoso = 321). O maior Re para maior inclinação no canal liso se deve a falta de dissipação da energia. No canal liso obtiveram-se Fr > 1, indicando escoamentos rápidos. Já o canal com pedras para Fr < 1, apontou escoamentos lentos. Em ambas as condições de canais (liso e rugoso), para Imáx, os escoamentos superficiais foram mais rápido. Porém, a magnitude foi maior no canal liso de Imáx (Fr = 4,40), sendo torrencial, em contraposição ao canal com pedras (Fr = 0,74). Fr maiores para inclinações maiores se deve ao aumento da energia potencial. Pelo fato do escoamento no canal liso não encontrar resistência, boa parte da energia potencial é convertida em energia cinética. Já no canal com pedras a energia potencial é transformada em energias cinética e térmica, devido ao atrito. n foi crescente para liso Imín < liso Imáx < rugoso Imín < rugoso Imáx, na faixa de 0,012 – 0,114, sendo classificado de canal liso quando n < 0,02.

CONCLUSÃO:

Os valores médios de Reynolds, Froude e coeficiente de Manning foram obtidos para um canal de vidro liso e com leito de pedras de argila expandida, em dois níveis de inclinação: 2,1 mm e 5,25 mm. Os escoamentos foram classificados em laminares para todas as condições. Era de se esperar que a rugosidade aumentasse nas condições do canal com leito de pedras de argila expandida e maior inclinação. Sendo as condições de canal de vidro sem leito de pedras nas inclinações mínimo e máximo classificados como canais lisos, e condições de canal com leito de pedras nas inclinações mínimo e máximo classificado como canais rugosos. A avaliação do número de Froude indicou que o canal liso, em ambas as inclinações, apresentou um escoamento rápido ou torrencial e o canal com leito de pedras apresentou um escoamento lento ou fluvial. Em que a introdução de um leito cujo n > 0,02 promoverá uma dissipação da energia potencial em energias cinética, potencializada pela inclinação, e térmica, promovida pelo atrito.

Palavras-chave: rugosidade, argila expandida, canal.