Estudo CFD de soleiras do Tipo PIANO KEYS. Comparação entre Tipo A e Tipo B

Abstract

A segurança e eficiência de infraestruturas hidráulicas, em particular durante a descarga de caudais em eventos de cheia, são fatores determinantes no seu estudo e dimensionamento. As soleiras do tipo Piano Key Weir (PKW) são caracterizadas por uma geometria que permite um maior comprimento de descarga sem a necessidade de aumentar a largura da barragem ou do canal em que sem encontram instaladas. Por este motivo, nos últimos anos têm sido utilizadas como uma alternativa inovadora a soleiras retilíneas ou de labirinto. Esta dissertação apresenta um estudo comparativo do desempenho hidráulico de soleiras do tipo Piano Keys (PKW), focando-se nas configurações do tipo A e tipo B. A investigação foi desenvolvida com recurso a modelação CFD, através do software de código aberto OpenFOAM v2412, utilizando o modelo interFoam, adequado para escoamentos multifásicos com superfície livre, como é característico em estruturas hidráulicas. A metodologia adotada envolveu a definição de um caso de estudo baseado no caudal médio das soleiras PKW existentes no mundo, a criação de modelos geométricos tridimensionais em ambiente CAD (FreeCAD), a geração de malhas computacionais adaptadas para simulações bidimensionais (2D) e tridimensionais (3D), o cálculo CFD e análise dos resultados. As simulações bidimensionais permitiram estimar o desempenho isolado e aproximado de teclas interiores e exteriores, enquanto as simulações tridimensionais ofereceram uma visão global e realista do escoamento sobre a estrutura completa. Foram ainda aplicadas abordagens teóricas para estimar a capacidade de descarga de cada tipologia, permitindo a comparação dos resultados obtidos numericamente com previsões analíticas. Esta comparação revelou coerência nas tendências observadas, apesar de algumas limitações no que diz respeitos aos limites dos modelos simulados. Os resultados demonstraram que, na gama de caudais analisados, a configuração tipo B apresentou maior eficiência hidráulica, com carga hidráulica sobre a soleira inferior para o mesmo valor de caudal. Esta superioridade manteve-se ao longo de todas as simulações realizadas, confirmando o melhor desempenho da tipologia B no caso estudado. A presente dissertação contribui assim para uma melhor compreensão do comportamento hidráulico das soleiras PKW e para a promoção de soluções mais eficientes e seguras em projetos de descarregadores de barragens, destacando o papel da modelação CFD como ferramenta de apoio ao projeto.