Investigação experimental e numérica sobre interações entre ar e água durante o enchimento de adutoras

Abstract

Uma das necessidades da infraestrutura urbana é o transporte de água a grandes distâncias. Esse transporte de água ocorre por meio de adutoras, que são geralmente projetadas assumindo um escoamento permanente, uniforme, monofásico e unidimensional. Na prática, esses escoamentos são por vezes transientes e com presença de ar no formato de bolhas ou bolsões alterando toda a dinâmica do escoamento. O conhecimento do comportamento hidráulico dessas adutoras nessas condições torna-se necessário para se evitar acidentes tais como rupturas catastróficas ou colapsos. Nesse contexto, esta pesquisa teve por objetivo o estudo das interações entre a interface ar e água, durante o enchimento de uma adutora em escala de laboratório, para o levantamento de dados experimentais e a respectiva comparação com simulações de dois modelos matemáticos. O primeiro, desenvolvido por Vasconcelos (2007), usa técnicas numéricas em dinâmica dos fluidos computacional numa formulação transiente, permitindo simular transições entre regimes de escoamento bem como a formação de ondas de choque com o mínimo de difusão numérica. O segundo, desenvolvido por Leite (2009), é um modelo numérico para enchimento gradual de adutoras, que considera uma interface de enchimento mais realista e a pressurização do ar. Os resultados experimentais permitiram observar que a diminuição da área do orifício instalado para ventilação é capaz de aumentar o tempo necessário para eliminação do ar, em até 10%, e para o enchimento da adutora, cerca de 13%. Os resultados das simulações numéricas apresentaram, de maneira geral, que quanto à magnitude de alguns parâmetros avaliados a predição não foi satisfatória, porém a previsão de tempo para os principais eventos associados ao enchimento apresentou uma boa concordância com os valores experimentais. ______________________________________________________________________________ ABSTRACT

One of the needs of urban infrastructure is conveying water over long distances. This transport usually occurs through pipelines, which are designed assuming a steady, single-phase flow conditions. In practice, some of these flows can be transient and contain air bubbles or pockets, particularly during pipeline filling operations. Knowledge of the hydraulic behavior of pipelines under these conditions it is necessary to avoid catastrophic accidents such as rupture or collapse. This research aimed to study the interactions between air and water phases during the filling of a pipeline in a laboratory scale. Experimental data was gathered and compared with the results of two numerical models. The first model, developed by Vasconcelos (2007), uses contemporary numerical techniques to simulate transitions between flow regimes as well as the formation of shock waves with minimal numerical diffusion. The second developed by Leite (2009) simulates gradual filling of pipelines and considers a more realistically air pressurization effects. The experimental results showed that decreasing the size of the ventilation orifice can increase the time needed for elimination of air up to 10%, and total filling time up to about 13%. The results of numerical simulations showed, in general, a good agreement of timing of key events associated with the gradual filling of the laboratory-scale pipeline.