Hidráulica - Orifícios, Bocais e Vertedores: Anotações de Aula

Profª Maiara Foiato Email maiarafoiatounoescedubr Hidráulica Orifícios Bocais e Vertedores Bocais São constituídos por peças tubulares adaptadas aos orifícios Servem para dirigir o jato Comprimento entre 15D L 3D O estudo em orifícios de parede espessa é feito do mesmo modo que o estudo dos bocais O cálculo da vazão ocorre aplicando a mesma fórmula para orifícios Denominase Bocal padrão bocal cilíndrico cujo comprimento igualase a 25D Bocal de borda bocal de comprimento padrão reentrante Bocais cilíndricos A contração do jato ocorre no interior dos bocais cilíndricos Nos bocais padrão a veia líquida pode colarse nas suas paredes O bocal cilíndrico externo com a veia líquida aderente eleva a vazão comparado a um orifício de mesmo diâmetro Cd 082 Bocais cilíndricos No bocal reentrante de borda para veia líquida livre a vazão é menor Cd 051 OBS veia líquida colada entre 25 e 3D Perda de carga h 1 Cv2 1 Vr2 2g 1 Cv2 1 Cv2 Vr2 2g Para bocal cilíndrico padrão da carga h total aproximadamente 23 se transforma em energia cinética Então hv 23h total Sabemos que hv v2 2g Sobrou então cerca de 13h total perda de carga na entrada do bocal E 13h total equivale à metade de hv Portanto h 0523h total 05 v2 2g Determinação experimental dos coeficientes orifícios Do ponto de vista prático o que interessa é a vazão do orifício Deste modo Cd é o coeficiente que mais tem valia e pode ser calculado por Experimentalmente podese verificar a vazão por determinado orifício Recipiente calibrado Cronômetro Além de conhecer a área do orifício Ao e carga total h Determinação experimental dos coeficientes O Cv pode ser determinado pelo método das coordenadas De um orifício de parede vertical sai um jato passando pela seção contraída horizontalmente com velocidade v Devido a gravidade g o jato assume uma trajetória em forma de parábola resultante da composição de uma movimento retilíneo uniforme na horizontal e de um movimento vertical uniformemente variado Ambos para velocidade inicial nula Para as coordenadas x e y pode se utilizar as equações da cinemática nas duas direções horizontal e vertical Determinação experimental dos coeficientes A componente horizontal da velocidade do jato é constante e igual a v portanto x em um tempo qualquer vale x vt Na vertical o movimento tem influência da gravidade portanto em um instante t a partícula se encontra em uma ordenada Para um mesmo tempo t E igualandose as equações Deste modo Determinação experimental dos coeficientes A equação anterior fornece a velocidade em função de x e y determinados experimentalmente Cv então é Determinação experimental dos coeficientes O Cc pode ser determinado medindose o diâmetro da seção contraída Se a localização exata for difícil colocase o calibrador a uma distância da parede do orifício igual a 05 vezes o diâmetro da abertura OBS Cd Cc Cv portanto podese encontrar Cd e Cv inicialmente Vertedores São paredes ou aberturas sobre as quais um líquido escoa São basicamente orifícios de grandes dimensões sem a borda superior Utilização medição eou controle da vazão de canais São estruturas relativamente simples mas de grande importância prática Exemplos Sistemas de irrigação estações de tratamento de água e esgotos barragens pequenos cursos dágua Vertedores nomenclaturas Borda horizontal crista ou soleira Bordas verticais faces Carga do vertedor H altura da água a partir da soleira Deve ser medida a uma distância aproximadamente igual ou superior a 5h distância 5h Crista ou Soleira superfície por onde a água extravasa Altura do Vertedor ou da Soleira P Diferença de cotas entre a soleira e o fundo do canal Largura da Soleira L dimensão da soleira através da qual há escoamento Figura Vertedor triangular de parede espessa Vertedores Classificação Quanto à forma retangulares trapezoidais triangulares Quanto ao tipo da soleira ou crista Soleira delgada chapa metálica ou madeira chanfrada e 23H Soleira espessa alvenaria de pedras ou tijolos e concreto e 23H Vertedores Classificação Quanto à altura relativa da soleira Vertedores livres P P Vertedores afogados P P Vertedores Classificação Quanto à largura relativa da soleira Vertedores sem contrações laterais LB Vertedores com uma ou duas contrações laterais LB Vertedores sem contração com uma contração e com duas contrações Parede delgada sem contração lateral Vertedor Retangular Cálculo da Vazão Para h10 e h2 h Onde Q vazão m³s Cd coeficiente de descarga L largura da soleira m h carga sobre a soleira m Fórmula de Francis Cd 0623 Q 2 3 Cd L 2g h2 Τ 3 2 h1 Τ 3 2 Q 2 3 Cd L h32 2g Vazão em orifícios retangulares grandes Vertedor Retangular Parede delgada com contração lateral Medições de vazões em campo córregos ou canais As contrações laterais ocorrem nos vertedores cuja largura é menor que a largura do canal onde estão instalados L B Francis concluiu experimentalmente que a largura efetivamente disponível para o escoamento é Vertedor Retangular Para um vertedor retangular parede fina e duas contrações laterais a vazão é dada por Vertedor Triangular Os vertedores triangulares de parede fina são recomendados para medir pequenas vazões Q 50 ls pois permitem maior precisão na leitura da altura h do que os de soleira plana São usualmente construídos a partir de chapas metálicas apenas parede delgada com ângulo de 90 Para um vertedor triangular de parede fina e ângulo de 90 a vazão é dada pela Fórmula de Thomson experimental Vertedor Triangular Vertedor Trapezoidal parede fina Há maior importância no vertedor chamado Cipoletti Geometria utilizada para compensar a redução de vazão produzida pelo efeito das contrações laterais do vertedor retangular de mesma largura de soleira Para que isso ocorra a inclinação das laterais deve estar na proporção de 1H4V 1 Horizontal 4 Vertical Cd 063 experimental para vertedor Cipoletti Q 2 3 Cd L h32 2g Apresentam menor interesse de aplicação comparados aos retangulares e triangulares Vertedor de perfil normal Em obras como hidrelétricas a geometria do vertedor extravasor não depende apenas das considerações hidráulicas mas também da estabilidade estrutural da obra por exemplo Nestes casos de grandes vazões é comum o uso de grandes vertedores retangulares projetados de forma que promovam o perfeito assentamento da lâmina vertente sobre toda a soleira Objetivo aumentar o coeficiente de descarga além de impedir o aparecimento de turbulências Vertedor de perfil normal No projeto procurase fazer a soleira seguindo o formato da face inferior da lâmina de água que sai de um vertedor retangular de parede delgada sem contrações Geometria da lâmina a vertedor de parede fina b vertedor extravasor de parede normal Vertedor de perfil normal Observações de projeto A carga de projeto é considerada no ponto mais alto da crista do vertedor de perfil normal hd h 012h distância vertical entre as cristas dos dois vertedores A lei da descarga de um vertedorextravasor de largura L segue a expressão básica Cd 0623 Cd 1211 Cd Q 2 3 Cd L hd 32 2g Q 22 L hd 32 Vertedor de parede espessa Um vertedor é considerado de parede espessa quando a soleira é suficientemente espessa para que na veia aderente se estabeleça o paralelismo dos filetes Q 171 L h32 Expressão confirmada na prática de acordo com Azevedo Neto 2000