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.

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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:

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

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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:

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

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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:

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

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

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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:

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

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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.

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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.

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Simulação

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

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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.

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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.

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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.

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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.

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Próximos vídeos:

• Adutoras com bombas
• Dispositivos de proteção contra transientes hidráulicos