Impactos da variação da rugosidade nos perfis de velocidade em calhas fluviais de pequena declividade utilizando CFD

Abstract

Até o final do século XX, o conceito da drenagem urbana limitava-se ao simples manejo das águas precipitadas, buscando apenas reduzir, de forma local, os impactos gerados pelas cheias e inundações. Já no século XXI, esse manejo passou a englobar as mais diversas áreas, adotando uma postura que evoluiu de apenas corretiva, mas que começou a abranger as premissas de sustentabilidade e de coexistência em sintonia com a natureza, entendendo-se, assim, que os projetos devem se reconciliar com os ecossistemas hídricos. Nesse sentido, os projetos de canais ainda podem evoluir e incorporar melhor tais conceitos, principalmente quanto ao entendimento sobre o impacto do coeficiente de rugosidade numa visão tridimensional do escoamento. Paralelamente, verificou-se que técnicas computacionais de cálculo numérico que envolvem a utilização Computacional Fluids Dynamics (CFD) são muito comuns na literatura para análises de fenômenos de estruturas hidráulicas e de superfície livre. Dentro dessa perspectiva, este trabalho objetiva aprofundar o conhecimento no que tange à formação dos perfis de velocidade, para diferentes rugosidades, em uma calha fluvial de pequena declividade, utilizando-se de base o canal experimental existente no Laboratório de Hidráulica, Hidráulica Computacional e Hidrologia da UFPE. Realizou-se, então, um ensaio experimental para a obtenção das condições de contorno do domínio computacional modelado, bem como um projeto de simulação em CFD de acordo com as boas práticas do que se há de mais atual na literatura. Quanto à verificação, testes de malha e de time step foram realizados, além de se observar um excelente comportamento dos escalares no que se era esperado a partir dos modelos equacionais atribuídos. Os resultados encontrados foram satisfatórios, observando-se, de forma qualitativa, que os perfis isotáquicos se comportaram dentro do esperado, principalmente ao correlacionar os diferentes materiais com o gráfico que representa a relação entre o coeficiente de Manning e a rugosidade equivalente da areia de Nikuradse. Verificou-se, então, que os revestimentos em acrílico e em concreto possuem comportamento semelhantes, os quais exponencialmente se diferenciam ao mudar para um revestimento laterítico, mas que volta a apresentar certa homogeneidade em comparação com os revestimentos em gabião ou em solo natural. Quantitativamente, observa-se que a variação da velocidade só é significante até o ponto 0,0833 m no eixo Z e 0,0544 m no eixo Y, observando- se, para o eixo Z, uma variação no centro do escoamento de apenas 0,0045 m/s de velocidade, e, para o eixo Y, de apenas 0,0033 m/s. Sendo assim, conclui-se que as técnicas de CFD se justificaram como uma boa ferramenta para auxiliar nos estudos de fenômenos hidráulicos, obtendo resultados dentro de uma física coerente com os modelos equacionais definidos, bem como se apresentou harmônico com demais estudos realizados na mesma área.