Adutoras por Gravidade: Transientes Hidráulicos

Introdução

Seja bem-vindo ao minicurso online de transientes hidráulicos do Voima. Neste curso, aprenderemos a usar o Voima para:

Criar cenários de transientes hidráulicos.
Realizar simulações.
Obter animações.
Gerar envoltórias para análises detalhadas.

💡 O módulo de cálculos de transientes hidráulicos está disponível para usuários Equipe ou Voima Pro.

Adutoras por Gravidade

Neste vídeo, será tratado o caso de adutoras por gravidade. Vamos criar um exemplo simples que ilustra todos os passos para realizar esse tipo de cálculo.

Aprenderemos a:

Importar dados de planilhas.
Definir os dados da adutora.
Criar o cenário e as condições de contorno.
Executar a simulação pelo método das características.
Gerar animações e envoltórias dos resultados.

Cenário do Estudo

O cenário consiste em um reservatório a montante e uma válvula a jusante, conforme o esquema abaixo:

A válvula inicia totalmente aberta.
Ela é fechada gradualmente ao longo do tempo.
O objetivo é observar o transiente hidráulico gerado durante o fechamento.

A linha piezométrica no regime permanente está representada pela linha vermelha.
A carga sobre a válvula é conhecida e vale:

$$ H_v = 837{,}71\ \text{m} $$

A adutora possui:

Extensão: 2450 m
Material: ferro fundido
Diâmetro interno: 250 mm
Espessura: 5,5 mm
Vazão de regime permanente: 0,070 m³/s

Curva de Fechamento da Válvula

A curva de fechamento indica como a válvula se fecha ao longo do tempo:

Eixo Y: percentual de abertura (de 100% a 0%)
Eixo X: tempo (em segundos)

No caso linear:

$$ \text{Abertura}(t) = 100% \left(1 - \frac{t}{t_f}\right) $$

onde $ t_f $ é o tempo total de fechamento. Por exemplo:

$ t = 0 \Rightarrow \text{Abertura} = 100% $
$ t \geq t_f \Rightarrow \text{Abertura} = 0% $

Importação dos Dados

Os dados foram organizados em uma planilha Excel contendo:

Distâncias (m) dos pontos do perfil.
Elevações (m).
Desenho com a linha piezométrica.
Dados da adutora: diâmetro, espessura, vazão, etc.
Carga a montante da válvula.

Passos no Voima:

No Explorador de Projetos, clique em Upload → Escolher arquivo → selecione a sua planilha.
Crie um novo projeto com o nome adutora gravidade.
No diagramador, clique com o botão direito → Diagrama > Planilhas > XLSX: Carregar planilha.
Importe as séries:
- Distâncias (B3:B13) → bloco xs
- Elevações (C3:C13) → bloco zs
Defina as unidades como metros (m).

Verificação Visual dos Dados

Para garantir que os dados estão corretos, plote um gráfico:

Botão direito → Gráficos de pilotagem > Gráfico a partir de séries
Eixo X: xs (distâncias)
Eixo Y: zs (elevações)

O gráfico deve reproduzir o perfil de terreno visto na planilha.

Montagem do Cálculo de Golpe de Aríete

1. Criar o Cenário

Clique com o botão direito → Golpe de Aríete > Criar cenário
Defina o tempo de simulação (exemplo: 60 s)

2. Adicionar o Reservatório

Bloco: Criar reservatório
Nome: R1
Nível d’água:
$$ H_R = 850\ \text{m} $$

3. Adicionar a Válvula

Bloco: Criar válvula
Nome: V1
Carga inicial:
$$ H_V = 837{,}71\ \text{m} $$
Curva de fechamento: C1

4. Criar a Curva de Fechamento

Bloco: Criar curva
Nome: C1
Pontos:
- (0 s, 100%)
- (50 s, 0%) — fechamento linear em 50 s

5. Criar o Trecho da Adutora

Bloco: Adicionar trecho
Nome: T1
Parâmetros:
- Vazão de regime permanente
- Comprimento: 2450 m
- Diâmetro interno: 250 mm
- Espessura: 5,5 mm
- Temperatura: 20 °C
- Material: ferro fundido
- Contornos: montante = R1, jusante = V1
Conecte as elevações (zs) via bloco de conexão.

Simulação

Clique com o botão direito → Golpe de Aríete > Simular (método das características)
Conecte o cenário ao bloco de simulação.

Visualização dos Resultados

1. Animação

Use o bloco Animação.
Conecte a saída da simulação.
Clique em Ver animação → Play.

Durante o fechamento da válvula, a linha piezométrica oscila, refletindo o transiente hidráulico.

Envoltórias de Carga

As envoltórias representam as cargas máximas e mínimas ao longo do tempo.

1. Obter Envoltórias

Botão direito → Golpe de Aríete > Obter envoltórias
Conecte aos resultados e informe o trecho (T1).

2. Plotar Envoltórias

Bloco Plotar envoltórias → clique em Ver gráfico.

O gráfico mostrará:

Linha do perfil.
Carga máxima e mínima ao longo da adutora.

Experimentos com o Tempo de Fechamento

Caso 1: Fechamento em 50 s

Com um fechamento mais lento, as envoltórias são suaves.

Caso 2: Fechamento em 10 s

Envoltórias tornam-se mais pronunciadas.

Caso 3: Fechamento em 5 s

A envoltória mínima cruza o perfil, indicando subpressão — condição potencialmente crítica.

Na animação, observa-se a linha de carga subindo e descendo intensamente, mostrando o impacto do transiente.

Conclusão

Com o Voima, é possível realizar estudos avançados de transientes hidráulicos em adutoras:

Simulando reservatórios, válvulas e bombas.
Avaliando efeitos de fechamento.
Identificando regiões de pressão excessiva ou subpressão.
Como veremos nas próximas aulas, aplicando dispositivos de proteção para mitigar transientes.

Próximos vídeos:

Adutoras com bombas
Dispositivos de proteção contra transientes hidráulicos

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