SIMULAÇÃO NUMÉRICA 3D DO ESCOAMENTO HIDRÁULICO A
JUSANTE DA USINA DE TRÊS MARIAS
Bernardo Alan de Freitas Duarte
Introdução
Prever as características do escoamento e, sobretudo, o comportamento da água em um rio sempre foi um
desafio para obras de engenharia. Desde há muitos anos, modelos tem sido amplamente utilizados no
estudo prévio a implantação de empreendimentos de grande tamanho e complexidade, como as
hidrelétricas. Nesses modelos é possível prever o comportamento das obras do ponto de vista hidráulico,
estrutural e inclusive ambiental. Inicialmente, esses modelos eram físicos, construídos a partir de um fator
de escala que permitisse trabalhar com uma representação adequada do modelo.
No Brasil, a simulação computacional ainda é uma ferramenta pouco utilizada no meio acadêmico para fins
de estudos e menos ainda comercialmente. Por outro lado, em países desenvolvidos, já é um instrumento
comum, inclusive em processos de licenciamento ambiental para estudos de planejamento de
empreendimentos hidrelétricos.
Estudos de escoamentos livres (sob efeito da pressão atmosférica), por meio de modelos computacionais
em três dimensões são raros no Brasil. Entre as principais dificuldades da utilização desta técnica, está a
complexidade do modelo tridimensional, normalmente relacionada à presença de dois fluidos (água e ar).
Esse trabalho criou um modelo 3D que envolve a área à jusante da Usina Hidrelétrica de Três Marias (MG)
com o objetivo de descrever o escoamento gerado em um trecho de cerca de 3 km de rio.
Desta forma, esse trabalho teve como objetivo geral responder a pergunta:
- A simulação computacional multifásica (água e ar) em três dimensões do escoamento a jusante de usinas
hidrelétricas é uma ferramenta que pode descrever os efeitos hidráulicos do escoamento? Se sim, quais
condições e limitações são consideradas?
Como objetivos específicos esse trabalho se propõe responder:
- Avaliar qualitativamente os custos computacionais com modelos tridimensionais multifásicos para
escoamentos livres;
- Avaliar a incerteza destes modelos tridimensionais multifásicos para escoamentos livres;
- Avaliar a precisão dos resultados desses modelos na simulação de escoamentos livres altamente
turbulentos;
- Verificar a aplicabilidade dos resultados encontrados para subsídios de estudos de impactos ambientais à
ictiofauna.
Metodologia
Para construir a geometria do canal de fuga da UHE de Três Marias utilizaram-se desenhos e projetos
detalhados para que o modelo representasse de forma fiel o protótipo em questão. Por se tratar de uma
obra antiga, não havia nenhum desenho em formato digital. Para construir a geometria do trecho de 3 km a
jusante da UHE de Três Marias foi necessário coletar dados da batimetria do local. A construção dessa
geometria foi uma aproximação da batimetria pela coleta de uma série de pontos em diversas seções ao
longo do trecho do rio a jusante da usina. Ao total, foram coletados dados de profundidade em mais de
16000 pontos.
A simulação foi conduzida em regime transiente pelo método de volumes finitos e com uma malha
estruturada. Foram adotadas as equações de Navier-Stokes com abordagem de média de Reynolds e
modelo de turbulência k–ε (método implícito das equações). Para determinação da linha da água, utilizou-se
o modelo VOF com as fases água e ar.
Resultados Parciais
Foi verificado que as velocidades de maiores módulos ocorreram na área frontal às seções de saída do
canal de sucção em operação (Fig. 1). Nas demais áreas, as velocidades atingiram máximo de 1m/s.
Informe Técnico Peixe Vivo - nº 4 - junho de 2015 - Projeto: Comportamento de peixes a jusante de barragens: subsídios para a conservação da ictiofauna
SIMULAÇÃO NUMÉRICA 3D DO ESCOAMENTO HIDRÁULICO A
JUSANTE DA USINA DE TRÊS MARIAS
Bernardo Alan de Freitas Duarte
Figura 1: Campo de velocidades próximo ao canal de fuga da UHE de Três Marias
Ao conhecer o perfil de velocidades envolvido em uma obra hidráulica de magnitude como uma hidrelétrica,
pode-se até mesmo prever o comportamento dos peixes. A velocidade próxima de 1,0 m/s é indicada na
literatura como uma velocidade que favorece a atração para peixes. Inclusive, há relatos de projetos de
estruturas de atração de peixes para a entrada de mecanismos de transposição junto a barramentos, que se
baseiam em valores próximos a esse para atrair o peixe.
Ficha Técnica
Coordenador Cemig: Raquel Coelho Loures Fontes
Coordenador Suplente: Ricardo Jose da Silva
Coordenador UFLA: Paulo dos Santos Pompeu
Instituições Envolvidas: Cemig, UFLA, CEFET-MG, UFMG
Equipe: Hersília de Andrade e Santos, Carlos Bernardo Mascarenhas Alves, Luiz Gustavo Martins Silva
Informe Técnico Peixe Vivo - nº 4 - junho de 2015 - Projeto: Comportamento de peixes a jusante de barragens: subsídios para a conservação da ictiofauna