ABSTRACT Aerator systems promote additional insertion of air into the flow and can reduce the risk of cavitation and consequent damage to hydraulic structures. This work analyzes the hydrodynamic pressures on the steps of a physical model (with a chute inclination of 53.13º) subjected to different aeration conditions. When comparing the results with different air intake coefficients in the flow, it was concluded that the incorporation of air does not change in a generalized way all the statistical parameters associated with hydrodynamic pressures on the steps. However, with the insertion of air in the flow, there was an increase in the minimum pressure values measured in the region of the jet impact and downstream. Empirical equations for predicting the distribution of pressures on the steps under induced aeration conditions were proposed, valid for structures whose ratio between the height of the deflector and the height of the steps is equal to 0.167, with an aerator system installed at the beginning of the stepped chute.

RESUMO Sistemas aeradores promovem a inserção adicional de ar no escoamento e podem reduzir a chance de ocorrência de cavitação e consequentes danos nas estruturas hidráulicas. Este trabalho analisa as pressões hidrodinâmicas sobre os degraus de um modelo físico (com inclinação de calha de 53,13º) submetido a diferentes condições de aeração. Comparando-se os resultados com diferentes coeficientes de entrada de ar no escoamento, concluiu-se que a incorporação de ar não altera de forma generalizada todos os parâmetros estatísticos associados às pressões hidrodinâmicas sobre os degraus. Contudo, com a inserção de ar no escoamento, observou-se aumento nos valores mínimos de pressão medidos na região do impacto do jato e logo a jusante. Propõe-se equações empíricas para previsão da distribuição das pressões nos degraus nas condições de aeração induzida, válidas para estruturas cuja razão entre a altura do defletor e a altura dos degraus é igual a 0.167, com sistema aerador instalado no início da calha em degraus.

RESUMO Devido à possibilidade de danos em decorrência do fenômeno da cavitação, o projeto de vertedouros em degraus considera vazões específicas máximas de 15 a 30 m2/s, limite consideravelmente inferior ao praticado em calhas lisas. Aeradores promovem a inserção de ar no escoamento e podem viabilizar o incremento das vazões específicas. Este trabalho analisa as pressões sobre as faces verticais dos degraus e o coeficiente de entrada de ar no escoamento, através de estudo experimental em modelo físico de calha em degraus com ângulo de 53,13o, considerando a instalação de aerador em diferentes posições na calha. Comparando-se os resultados com a aeração natural, conclui-se que a instalação do aerador não altera a magnitude das pressões extremas mínimas na estrutura, mas antecipa o início da aeração no escoamento. Propõe-se nova equação para estimativa do coeficiente de entrada de ar no escoamento, bem como metodologia para previsão de pressões extremas nas faces verticais dos degraus, válidas no intervalo 3,0 ≤ Fr ≤ 6,0.

ABSTRACT The possibility of damage due to the phenomenon of cavitation leads the design of stepped spillways considering maximum specific discharges of 15 to 30 m2/s, a limit considerably lower than that practiced on smooth chutes. Aerators promote the insertion of air in the flow, allowing for the increase of specific flow rates. This work analyzes the pressures on the vertical faces of the steps and the air entrainment coefficient in the flow, through an experimental study in a physical model with a stepped chute angle of 53.13o, considering the installation of aerators in different places of the channel. Comparing the tested conditions with the natural aeration, it is concluded that the installation of the aerator does not change the magnitude of the minimum extreme hydrodynamic pressures, but anticipates the beginning of the flow aeration. A new equation is proposed to estimate the air entrainment coefficient, as well as a methodology for forecasting extreme pressures on the vertical faces of the steps, both valid in the range 3.0 ≤ Fr ≤ 6.0.

RESUMO Vertedouros em degraus têm sua operação limitada a faixas de vazões devido ao risco de ocorrência do fenômeno de cavitação e erosão em seus degraus. Como há demanda por vertedouros com possibilidade de extravasamento de maiores vazões, procura-se aumentar a concentração de ar do escoamento, que pode ocorrer através da instalação de pilares no vertedouro, para assim proteger a estrutura contra os referidos danos. O objetivo deste trabalho é avaliar as características do escoamento e as pressões extremas mínimas e máximas com probabilidade de 0,1% e 99,9% de não-excedência, atuantes nas quinas dos degraus do vertedouro com aeração induzida por pilares, através da análise experimental em um modelo físico. Baseado nos resultados obtidos foi definido o comportamento do escoamento e foram propostas equações de previsão das pressões extremas que ocorrem ao longo do vertedouro em degraus com aeração induzida por pilares.

ABSTRACT The operation of stepped spillways is limited by a range of discharges due to the risk of occurrence of the cavitation phenomenon and erosion on its steps. Since there is a demand for spillways with the possibility of overflow of greater discharges, the designs seek to increase the air concentration of the flow, which can occur through the installation of piers in the spillway in order to protect the structure from the above mentioned damage. The aim of this work is to analyze flow characteristics and extreme minimum and maximum pressures with non-exceedance probability of 0.1% and 99.9% acting next to the step edges of the spillway with aeration induced by piers through an experimental analysis in a physical model. Based on the results obtained, flow behavior was defined and equations for predicting the extreme pressures that occur along the stepped spillway with aeration induced by piers were proposed.

RESUMO Vertedouros em degraus têm por objetivo dissipar, ao longo da calha, uma parcela da energia do escoamento. No entanto, a utilização dessas estruturas está limitada a uma restrita faixa de vazões específicas devido aos riscos de cavitação e erosão. Como a introdução de ar no escoamento permite a proteção do concreto contra os danos mencionados, uma possível solução por aeradores instalados ao longo da calha, já difundida para calhas lisas, está sendo estudada para ser utilizada também em vertedouros em degraus. A presente pesquisa tem o propósito de caracterizar um escoamento sobre vertedouros em degraus com aeração induzida por defletor e fornecimento de ar por uma câmara de ar através de ensaios realizados em um modelo físico reduzido. São apresentadas zonas e posições características do escoamento observadas durante os ensaios e também, quatro equações que permitem calcular, aproximadamente, a sua localização em um protótipo.

ABSTRACT Stepped spillways aim to dissipate part of the upstream energy during the flow passage by the chute. However, the use of these structures is limited to a restrict range of specific discharges due to the risk of cavitation damage. As the air entrainment into the flow assists the concrete protection against the aforementioned damages, a possible solution by aerators installed along the chute, already disseminated to smooth chutes, is being studied to be used also in stepped spillways. The purpose of the present paper is to characterize a flow over a stepped chute with induced aeration by deflector and air supply by an airtight chamber trough tests conducted on a reduced scale physical model. The main regions observed during the tests are presented and were developed four equations that allow to approximately predict the location of the main regions for a given spillway.

RESUMO A bacia de dissipação tem como finalidade dissipar, através de ressalto hidráulico, a energia do escoamento junto à base do vertedouro. Por ser um fenômeno turbulento que provoca amplas flutuações de pressão junto ao fundo da bacia, o ressalto hidráulico pode comprometer a estrutura do dissipador por mecanismos como fadiga, subpressão e cavitação. A utilização de vertedouros em degraus permite a dissipação de uma parte da energia ainda durante o escoamento da água pela calha, o que possibilita a redução das dimensões e do custo da estrutura da bacia de dissipação. O presente artigo apresenta a análise das distribuições longitudinais da pressão média, das flutuações de pressão e dos coeficientes de assimetria e curtose, oriundas de ensaios realizados em modelos físicos hidráulicos. Foi feita uma comparação das características das pressões obtidas em uma bacia de dissipação a jusante de um vertedouro em degraus (para números de Froude entre 5 e 8) com dados observados em uma bacia de dissipação a jusante de um vertedouro de calha lisa, com raio de concordância entre a calha e a bacia (para números de Froude compreendidos entre 4,5 e 10). A partir dessa análise pode-se concluir que, diferentemente do ocorrido na bacia de dissipação com calha lisa, as pressões médias e flutuações de pressão observadas na bacia de dissipação a jusante de calha em degraus tem seu máximo no ponto mais próximo ao pé do vertedouro. O desenvolvimento longitudinal dos coeficientes de assimetria e curtose possibilitaram determinar as posições de início do descolamento do escoamento, de fim do rolo e de fim da influência do ressalto hidráulico no escoamento.

ABSTRACT Stilling basins are structures built at the base of the spillway to dissipate energy, by means of a hydraulic jump. Hydraulic jump is a turbulent phenomenon that causes large pressure fluctuation in the stilling basin bottom, and can damage the sink structure through mechanisms such as fatigue, upflit pressure and cavitation. The use of stepped spillways allows the dissipation of a parcel of the energy while the water falls by the spillway, allowing a reduction in the stilling basin’s dimensions and cost. The present article presents the analysis of the longitudinal distribution of mean pressure, pressure fluctuations, skewness coefficient and kurtosis coefficient, derived from tests on physical hydraulic models. Pressure values measured in a stilling basin downstream of a stepped spillway (for Froude numbers between 5 and 8) were compared with data observed in a stilling basin downstream of a smooth spillway with a radius of concordance between the chute and the basin (for Froude numbers between 4.5 and 10). The results of these studies show that the mean pressures and the pressure fluctuation observed in the stilling basin downstream of stepped spillway present maximum values at the spillway’s closest point, differing, thus, from those at the smooth spillway. The longitudinal distribution of skewness and kurtosis coefficients enabled to define the positions for flow detachment start, roller ending and as well as the ending of the influence of the hydraulic jump over the flow.

RESUMO O sistema extravasor de uma barragem controla o nível d’água do reservatório com segurança. O projeto dessas estruturas deve prever os danos causados pela ação do escoamento turbulento a que está sujeito. A composição formada por vertedouro em degraus seguido por bacia de dissipação promove uma parte considerável da dissipação de energia na própria calha do vertedouro em degraus, mas não evita completamente o risco de danos na bacia. Neste trabalho, analisa-se a distribuição longitudinal das pressões extremas em uma bacia de dissipação a jusante de um vertedouro em degraus. O estudo foi realizado com base nos dados de pressões instantâneas obtidos em um modelo físico no Laboratório de Obras Hidráulicas do IPH/UFRGS. Assim, verificou-se um comportamento semelhante das pressões ao observado em estudos com vertedouros de calha lisa, exceto pela região junto ao pé do vertedouro em degraus, onde podem ocorrer grandes flutuações de pressões. O fato decorre do impacto do escoamento na estrutura de dissipação que não é observado a jusante de vertedouros de calha lisa devido à presença de uma curva de concordância vertical entre o vertedouro e a bacia de dissipação.

ABSTRACT The overflow system of a dam safely controls the water level of a reservoir. The design of these structures should predict the damage caused by the action of the turbulent flow to which they are subject to. The combination formed by a stepped spillway followed by a stilling basin promotes a considerable portion of the energy dissipation in the actual chute of the stepped spillway but it is not sufficient to completely avoid the risk of damaging the basin. In this paper, we analyze the longitudinal distribution of extreme pressures in a stilling basin downstream of a stepped spillway. The study was based on the instant pressure data from the tests carried out in a physical model in the Laboratório de Obras Hidráulicas in IPH/UFRGS. Thus, it was found that the pressure behavior is similar to that observed in studies involving smooth chute spillways, except in the area surrounding the base of the stepped spillway, where high pressure fluctuations may occur. This happens as a result of the impact caused by the flow in the dissipation structure, which is not observed downstream of smooth chute spillways due to the existence of a vertical concordance curve between the spillway and the stilling basin.