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CFD modelling for the study of structural stability of dams and spillways subject to overtopping

Use este link compartilhar ou citar este material: http://educapes.capes.gov.br/handle/capes/871507
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MetadadosDescriçãoIdioma
Autor(es): dc.contributorPedroso, Lineu José-
Autor(es): dc.contributorLéger, Pierre-
Autor(es): dc.creatorFreitas, Mario Raul-
Data de aceite: dc.date.accessioned2024-10-23T14:59:17Z-
Data de disponibilização: dc.date.available2024-10-23T14:59:17Z-
Data de envio: dc.date.issued2020-02-04-
Data de envio: dc.date.issued2020-02-04-
Data de envio: dc.date.issued2020-02-04-
Data de envio: dc.date.issued2019-07-08-
Fonte completa do material: dc.identifierhttps://repositorio.unb.br/handle/10482/36816-
Fonte: dc.identifier.urihttp://educapes.capes.gov.br/handle/capes/871507-
Descrição: dc.descriptionDissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2019.-
Descrição: dc.descriptionNessa dissertação, primeiramente são revisadas as normas técnicas para o cálculo estimado das forças hidrodinâmicas, incluindo a força vertical que lâmina de água transbordante exerce sobre a crista da estrutura. Em seguida, modelos de validação e verificação da técnica do CFD são simulados para garantir que o modelo computacional é adequado às analises que são feitas em seguida. Então, o CFD é utilizado para se obter uma melhora na técnica de estimativa dos campos de pressões hidrodinâmicas atuando sobre a crista retangular de barragens submersas. Os campos de pressão obtidos com CFD são usados como entrada para o cálculo de estabilidade feito com o método de gravidade para se obter uma melhor estimativa dos coeficientes de segurança e campos de tensão da estrutura. São apresentadas aplicações em uma barragem típica de 7,6 m de altura em que os coeficientes de segurança obtidos com CFD são comparados com aqueles obtidos com as estimativas de norma. Ao final, faz-se uma retroanálise de um vertedouro controlado por comporta que foi afetado pela enchente de Saguenay em 1996 em Québec, Canadá. As condições de fluxo complexas são analisadas sob diferentes condições: com comportas abertas, comportas fechadas, comportas parcialmente fechadas e com a presença de detritos flutuantes. As simulações em CFD são feitas com o programa ANSYS Fluent. A validação do programa e dos modelos computacionais é feita em várias etapas. Primeiramente, um modelo bidimensional de escoamento em torno de um quadrado é simulado pois esse é um caso bem estudado e que se pode encontrar muitos resultados na literatura. O escoamento em torno de um cilindro também poderia ser estudado, pois esse também é um caso bem estudado e que possui solução analítica. No entanto a geração da malha em torno de um círculo é significativamente mais complicada e seria uma fonte de erros numéricos. O estudo escoamento em torno do quadrado é dividido em três partes: (i) escoamento laminar permanente, (ii) escoamento laminar transiente, (iii) escoamento turbulento transiente. O escoamento laminar permanente é estudado com um número de Reynolds até 60. Nesse caso, verifica-se os primeiros passos básicos da modelagem, como a forma correta de modelar a geometria, gerar malha, entrar com as condições de contorno, propriedades do material e fazer o pós-processamento e estuda-se a influência do tamanho do domínio e refinamento de malha na resposta. Os coeficientes de arrasto encontrados para esse caso foram praticamente idênticos aos encontrados na literatura. No caso laminar transiente, com Reynolds entre 40 e 200, estuda-se a além do efeito do domínio e da geometria, o efeito do tamanho do passo de tempo na resposta. Novamente, os resultados obtidos ficaram em boa concordância com o que se encontrou na literatura. Por fim, no caso turbulento transiente, com Reynolds igual a 22000, introduz-se o modelo de turbulência adotado para toda a pesquisa, que foi o k-𝜔 SST. Verificou-se novamente que os resultados condizem com os registrados na literatura e foi possível obter a formação do corredor de vórtices alternados como esperado. A segunda etapa de validação foi a modelagem do escoamento vertical em queda livre de um filete de água, como a água que sai de uma torneira. O objetivo desse estudo foi introduzir o modelo multifásico escolhido para esse projeto, que foi o modelo de Volume de Fluido, e estudar a influência do refinamento da malha no cálculo de localização da interface água-ar. Inicialmente, o problema foi modelado com uma malha grossa, uma média e uma bem refinada. Percebeu-se que com a malha grossa não foi possível obter o perfil de água esperado e que após a água viajar apenas uma pequena fração do domínio o erro no cálculo da posição da interface já era tão grande que, essencialmente, a porção inferior do domínio não possuía água de acordo com a simulação. Já com a malha mais refinada, o perfil é bem calculado e o filete de água se forma como esperado. Em seguida, testou-se uma técnica de adaptação de malha em que, baseado no resultado de uma simulação concluída, identifica-se as células da malha que contém a interface e faz-se o refinamento dessas. Então, uma nova rodada de simulação é feita com a malha adaptada e repete-se esse processo iterativamente. Ao fazer essas simulações, descobriu-se que a região da malha que contém a interface é crítica para a determinação da posição da interface e que as demais regiões do domínio podem ser menos refinadas. Portanto, a técnica de adaptação de malha permite obter resultados mais acurados com menor esforço computacional. A terceira etapa de validação foi a modelagem do fluxo de água passando sobre um vertedouro padrão do tipo WES. Esse tipo de vertedouro é adotado e descrito por diversas normas. Faz-se um estudo de convergência do domínio e de malha. Após obter a convergência do domínio e da malha, o perfil da lâmina vertente e o campo de pressões sobre o vertedouro é comparado com as normas. Nessa etapa, verificou-se o tamanho de malha adequado para os problemas estudados em seguida e a forma correta de modelar o escoamento livre bifásico. A última etapa de validação foi a modelagem do escoamento de água sobre um vertedouro de soleira espessa. Nessa etapa, verificou-se duas possibilidades de aeração da lâmina vertente: (i) a introdução de uma condição de contorno na parede a jusante do vertedouro e (ii) o alargamento do domínio a jusante. Os resultados numéricos foram comparados com os resultados de um modelo experimental encontrado na literatura. Conclui-se que a estratégia de alargamento do domínio a jusante é mais precisa e versátil apesar de exigir a modelagem tridimensional, enquanto a outra estratégia pode ser aplicada em um modelo bidimensional. Portanto, para todos os estudos seguintes utiliza-se a estratégia de alargamento do domínio. Com a validação concluída, realizou-se três estudos: (i) estudou-se a força vertical sobre uma crista retangular devido às forças hidrodinâmicas, (ii) estudou-se a estabilidade de uma barragem real de perfil típico, (iii) fez-se uma retroanálise de um vertedouro atingido por uma enchente. O estudo da força vertical sobre uma crista retangular foi feito em um modelo semelhante ao modelo estudado na última etapa de validação, porém com dimensões diferentes. A partir das simulações em CFD, obteve-se os campos de pressão sobre a crista da barragem. Esses campos de pressão foram simplificados como sendo um campo trapezoidal que gere força e momentos equivalentes na estrutura. As normas de barragem sugerem que esse campo trapezoidal pode ser estimado como tendo uma pressão equivalente de uma lâmina de água com profundidade igual a lâmina vertente (a distância) a montante e metade desse valor a jusante. Com as simulações em CFD foi possível mostrar que usando dois terços da pressão equivalente de uma lâmina de água com profundidade igual a lâmina vertente a montante e um terço a jusante obtém-se uma estimativa muito mais precisa. Em seguida, fez-se o estudo de estabilidade de uma barragem utilizando o campo de pressões obtidos com CFD, a estimativa da norma e a estimativa melhorada. Utilizando o método da gravidade, calculou-se os coeficientes de segurança e tensões na barragem a partir dessas cargas. Comparando-se as três metodologias para estimar os campos de pressão, mostrou-se que as estimativas de norma superestimam a carga vertical na crista. Essa carga atua como uma carga estabilizante e, portanto, superestimá-la é contra a segurança. Esse efeito se torna mais evidente em barragens de pequeno porte com uma grande lâmina de água passando sobre ela. Em contrapartida, a estimativa melhorada sugerida aqui estima a carga vertical com precisão e, consequentemente, leva a um fator de segurança menor e mais próximo à realidade. Por fim, fez-se a retroanálise do vertedouro de Chute Garneau, em Québec, Canadá, que transbordou durante a enchente de Saguenay de 1996. Fez-se uma análise similar ao que foi feito para a barragem sob diferentes condições de fluxo: com comportas abertas, comportas fechadas, comportas parcialmente fechadas e com a presença de detrito flutuante. Ao fazer o cálculo de estabilidade, percebeu-se que sob as condições normais de projeto, a estrutura provavelmente teria falhado. No entanto, sabe-se que a estrutura sobreviveu ao evento. Portanto, fez-se uma análise paramétrica variando a resistência à tração e a coesão na interface concreto-solo. Com a análise paramétrica verificou-se que com pequenos incrementos de resistência à tração e coesão os coeficientes de segurança subiam a ponto de atender as exigências de norma para segurança. Esses valores de resistência à tração e coesão adicionados estavam consideravelmente abaixo da média averiguada experimentalmente em outras estruturas da região. Isso indica que é provável que essa resistência à tração e coesão estavam presentes e foram responsáveis por garantir que a estrutura resistisse à enchente.-
Descrição: dc.descriptionCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES).-
Descrição: dc.descriptionA particularly challenging aspect in gravity dam stability assessment is the estimation of the induced hydrodynamic water pressure when water with significant velocity is overtopping gravity dams and flowing in or over spillway components. The water flow conditions, including the related pressure fields and resultant forces, are difficult to quantify accurately. Computational fluid dynamics (CFD) is an attractive alternative to physical models to quantify the hydrodynamic forces acting on overtopped gravity structures and spillways to assess their structural stability. Herein, existing dam safety guidelines to estimate the weight of the overflowing water nappe on gravity dams with rectangular crests are first reviewed. Then, validation and verification models are run to ensure that the computational models are suitable for the case studies that are analyzed later. After that, CFD is used to develop an improvement to the simplified estimation of hydrodynamic pressure fields acting on the rectangular crests of submerged gravity dams. The CFD pressures are used as input data to classical structural stability analyses based on the gravity method to more adequately quantify the dam sliding stability during overtopping. Applications are then presented on an existing 7.6 m high gravity dam comparing existing dam safety guidelines with proposed improvements based on CFD. A back analysis is also performed on the stability of an existing gated spillway with a bridge that was overtopped during the 1996 Saguenay flood in Québec. The complex flow conditions across the spillway are investigated, including the incidence of accumulated floating debris producing additional thrusts on the structure.-
Descrição: dc.descriptionFaculdade de Tecnologia (FT)-
Descrição: dc.descriptionDepartamento de Engenharia Civil e Ambiental (FT ENC)-
Descrição: dc.descriptionPrograma de Pós-Graduação em Estruturas e Construção Civil-
Formato: dc.formatapplication/pdf-
Direitos: dc.rightsAcesso Aberto-
Direitos: dc.rightsA concessão da licença deste item refere-se ao termo de autorização impresso assinado pelo autor com as seguintes condições: Na qualidade de titular dos direitos de autor da publicação, autorizo a Universidade de Brasília e o IBICT a disponibilizar por meio dos sites www.bce.unb.br, www.ibict.br, http://hercules.vtls.com/cgi-bin/ndltd/chameleon?lng=pt&skin=ndltd sem ressarcimento dos direitos autorais, de acordo com a Lei nº 9610/98, o texto integral da obra disponibilizada, conforme permissões assinaladas, para fins de leitura, impressão e/ou download, a título de divulgação da produção científica brasileira, a partir desta data.-
Palavras-chave: dc.subjectEstabilidade de barragens-
Palavras-chave: dc.subjectFluidodinâmica computacional-
Palavras-chave: dc.subjectForças hidrodinâmicas-
Palavras-chave: dc.subjectVertedouros-
Título: dc.titleCFD modelling for the study of structural stability of dams and spillways subject to overtopping-
Título: dc.titleModelagem em CFD para o estudo da estabilidade estrutural de barragens e vertedouros sujeitos ao galgamento-
Tipo de arquivo: dc.typelivro digital-
Aparece nas coleções:Repositório Institucional – UNB

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