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

Abstract

Nessa 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.