RESUMO O conceito de transporte de sedimentos no limite de deposição em galerias de drenagem representa uma condição operacional que evita deposição de sedimentos, mantendo a capacidade de descarga dos tubos. Neste trabalho, essa condição foi analisada aplicando uma Rede Neural Artificial Perceptron Multi Camadas (RNA-PMC) para a obtenção da concentração volumétrica no limite de deposição, utilizando 544 dados experimentais disponíveis na literatura. Foram avaliadas diferentes combinações de parâmetros de entrada e configurações do modelo, demonstrando sua sensibilidade para tais variações. Através do presente estudo é demonstrado que o modelo proposto supera o desempenho das equações existentes, levando a estimativas mais assertivas na determinação da concentração volumétrica no limite de deposição resultando valores de R2 = 0.92, Erro Percentual Absoluto Médio (MAPE) = 35.09% e Erro Absoluto Médio (MAE) = 59.84ppm. Com base nas análises realizadas, o estudo indica uma equação para uso em casos de extrapolações da concentração volumétrica no limite de deposição em galerias de drenagem. O uso da equação apontada está associado à base teórica utilizada em seu processo de obtenção. Este trabalho inclui, portanto, mais um conceito para uma melhor metodologia de se obter as condições de limite de deposição.

ABSTRACT The concept of sediment transport at the limit of deposition in storm sewers represents one operational condition that avoid deposition of sediments maintaining the discharge capacity of the pipes. In this study, this condition was analyzed applying one Artificial Neural Network Multilayer Perceptron (ANN-MLP) model to predict the volumetric concentration at the limit of deposition, using 544 experimental data from literature. It was evaluated different input variables combinations and model configurations, showing the sensitivity of the model with these changes. Through this study, it was demonstrated that the proposed model outperforms the existing equations, leading to more assertive predictions in the determination of volumetric concentrations at the limit of deposition, resulting in values of R2 = 0.92, Mean Absolute Percentage Error (MAPE) = 35.09 % and Mean Average Error (MAE) = 59.84 ppm. With the performed analysis, the study selects one equation to be used for extrapolations when determining the volumetric concentration at the limit of deposition in storm sewers. The selected equation is superior due to its theoretical basis. This work includes one more concept to a better methodology in obtaining the conditions of the flow at the limit of deposition.

RESUMO Este artigo apresenta um estudo comparativo entre os resultados obtidos em simulações numéricas computacionais bidimensionais realizadas com três diferentes modelos de turbulência: o de viscosidade turbulenta constante; o modelo tipo Elder; e, o modelo k˗Ꜫ. Para a realização dessas simulações foi utilizado o software Telemac 2D. Esses resultados foram comparados com os obtidos em um estudo em canal experimental de seção transversal trapezoidal e constituído por trechos retos e por curvas. O objetivo principal dessa comparação é explorar como os modelos de fechamento de turbulência atuam na modificação do comportamento geral do escoamento simulado. Para subsidiar essas comparações adotaram-se testes estatísticos que buscaram quantificar as diferenças entre os campos de velocidades obtidos nas simulações e o observado no canal experimental. Os resultados obtidos mostraram que, apesar das limitações teóricas existentes e a dificuldade em se determinar os parâmetros de calibração, a utilização do modelo de fechamento de turbulência mais simples, pode conduzir a resultados tão bons ou melhores que os obtidos com os modelos mais sofisticados, como, por exemplo, o modelo k˗Ꜫ.

ABSTRACT This paper presents a comparative study between results obtained in two-dimensional computational simulations performed with three different turbulence models: constant viscosity; Elder Model and k˗Ꜫ Model. The simulations were performed using the software Telemac 2D. These results were compared to data obtained from a study in experimental channel with trapezoidal cross-section and composed of straight stretches and curves. The main objective of this comparison is to explore how turbulence models affect the general behavior of the simulated flow. To support these comparisons, statistical analysis were adopted to quantify the differences between the velocity fields obtained in the simulations and that observed in the experimental channel. The results showed that, despite the theoretical limitations, the use of the simpler turbulence closure model, that is the constant turbulent viscosity, can lead to results as good as or better than those obtained with more sophisticated models.

RESUMO Uma das hipóteses básicas adotada para a formulação teórica dos escoamentos de fluidos é a distribuição da pressão hidrostática na vertical. No entanto, muitos pesquisadores apontaram que essa simplificação pode levar a erros, em casos como o escoamento na ruptura de barragens. A discrepância entre a solução computacional e o experimento é atribuída à distribuição de pressão. Essas observações não são novas, mas não é apresentada qualquer formulação na literatura que considere a distribuição da pressão não-hidrostática no fluxo 2D. Este artigo deduz as equações de Boussinesq como uma evolução das equações de águas rasas com a hipótese de distribuição não hidrostática de pressão na direção vertical. Utiliza-se o sistema cartesiano ortogonal XYZ, considerando a influência da inclinação do fundo do canal e das perdas de carga no escoamento. É apresentada a correção não-hidrostática na equação de Boussinesq em duas dimensões usando as séries de Fourier. A solução utiliza o método Runge-Kutta Galerkin Descontínuo, e a formulação é aplicada ao rompimento de uma barragem cilíndrica.

ABSTRACT A basic hypothesis adopted for theoretical formulation of fluid flows is the hydrostatic pressure distribution. However, many researchers have pointed out that this simplification can lead to errors, in cases such as dam break flow. Discrepancy between computational solution and the experiment is attributed to the pressure distribution. These findings are not new, but it is not presented any formulation in the literature that considers the non-hydrostatic pressure distribution in 2D flow. This article deduces the Boussinesq Equations as an evolution of the Shallow Water Equations with the hypothesis of non-hydrostatic pressure distribution in the vertical direction. XYZ Orthogonal Cartesian System is used, considering the influence of channel bed slope and head losses of flow. It is presented the non-hydrostatical correction in the Boussinesq equation in two dimension using Fourier series. The solution uses Runge-Kutta Discontinuous Galerkin Method and the formulation is applied to a cylindrical dam-break.

RESUMO Flaring Piers e Slit Buckets são estruturas que propiciam melhorar o processo de dissipação de energia e que vem sendo implantadas em vertedouros de barragens chinesas há pelo menos quatro décadas. Trata-se basicamente da implantação de estreitamentos na passagem do escoamento pelo vertedouro que promovem alterações no jato efluente, reduzindo seu potencial erosivo. No entanto, a bibliografia disponível sobre o assunto é bastante restrita e os benefícios são divulgados de forma apenas qualitativa. Visando aprofundar o conhecimento sobre o desempenho dessas estruturas, foi realizado um programa de ensaios em modelo reduzido utilizando um vertedouro projetado originalmente com salto de esqui convencional. Os resultados indicam existir uma correlação entre o ângulo de deflexão dos paramentos que estreitam a calha e a profundidade da fossa de erosão formada a jusante. Uma das alternativas ensaiadas teve profundidade máxima de erosão 60% menor do que aquela gerada pelo vertedouro sem o dispositivo, indicando que podem ser soluções promissoras.

ABSTRACT Flaring Piers and Slit Buckets are structures that can improve the process of energy dissipation and have been implanted in Chinese spillways for at least four decades. These structures basically narrow the passages of the outflow through the spillway, promoting changes in the effluent jets, reducing their erosion potential. However, the literature available on the subject is very limited, and the benefits are disseminated only qualitatively. In order to learn more about how these structures perform, a test program on a hydraulic model was carried out, using a spillway originally designed with a conventional ski jump. The results indicate that there is a correlation between the angle of deflection of the walls that narrow the chute and the depth of the scour hole formed downstream. One of the alternative tests had scour depth 60% smaller than that generated by the spillway without the device, indicating that they can be promising solutions.

RESUMO O fechamento de rio para proporcionar área seca no leito é uma etapa importante durante a construção de uma obra hidráulica e deve ser executada com cuidado. Uma falha nesta etapa pode levar a um atraso sério e custoso no cronograma. Este trabalho estuda o comportamento do escoamento no entorno da ponta de aterro de ensecadeira construída em água corrente por meio da modelação computacional no software FLOW 3D®. A validação do modelo computacional foi realizada utilizando resultados de uma investigação experimental em modelo hidráulico reduzido. Em seguida, efetuou-se a análise do efeito da alteração da configuração da ponta de aterro nas características do escoamento nessa região. O estudo mostrou que o modelo computacional reproduz de forma adequada o tipo de escoamento em questão e que as alterações da geometria da ponta de aterro estudadas: aumento da largura da crista e diminuição da inclinação do talude da ensecadeira resultam na alteração da curvatura do escoamento na ponta de aterro e afetam positivamente o processo de fechamento do rio.

ABSTRACT River closure to provide a dry area for the construction of the works in the river bed must be carefully performed because a failure can lead to serious and costly delays. By means of a computational approach, using the FLOW 3D® software, this paper studies the hydraulic behavior of the flow around a cofferdam constructed in running water. The computational model was validated using results of an experimental investigation. Then the effect of changing the cofferdam configuration on the flow characteristics in this region was analyzed. This study showed that the computational model adequately reproduces this type of flow and that changing the configuration of the cofferdam: increasing the width of the crest or decreasing the embankment slope affects the flow curvature and positively affects the river closure process.

RESUMO A etapa de desvio de um rio envolve a construção de ensecadeiras, momento em que o material lançado fica exposto a grandes velocidades que pode provocar o seu arraste. Equações clássicas para dimensionamento relacionam o diâmetro médio do enrocamento (d), lançado em ponta de aterro e o desnível (ΔH) entre os escoamentos a montante e a jusante da ensecadeira, no momento do lançamento do material. Resultados de 283 ensaios realizados em modelos hidráulicos reduzidos permitiram a definição de uma relação consistente. Dentre os vários resultados de modelo, foram coletados apenas os referentes à condição limite de estabilidade do material. O resultado obtido foi d=0,33×∆H, consistente com o equacionamento clássico, validando, portanto, a sua aplicabilidade e utilização como orientação para projetos.

ABSTRACT The river diversion involves the construction of cofferdams when dumped material is exposed at high velocities, which may cause the drag of blocks. Classical equations relate the mean rock diameter to the drop of water surface between the upstream and downstream. Results of 283 experimental tests performed in hydraulic models allowed the definition of a relationship between water surface drop and mean diameter in the limit condition of stability. The result obtained was d = 0.33×ΔH, consistent with classical equations and validating their applicability, suggesting it use for design and analysis.

RESUMO Normalmente os vertedouros constituem controles hidráulicos cujas características são bem conhecidas. Entretanto o número de vertedouros classificados como de baixa queda vem aumentando a cada dia. Nesses vertedouros a soleira perde sensivelmente a sua capacidade de descarga devido ao afogamento, como aconteceu com o projeto original do vertedouro da UHE Belo Monte. Este vertedouro teve que ser alterado e só se chegou à forma final, não convencional, depois de muitas tentativas feitas em modelo reduzido com o intuito de se chegar a uma capacidade de descarga adequada. As dificuldades encontradas conduziram ao questionamento se os modelos matemáticos poderiam ajudar a otimizar o caminho até a solução, uma vez que são poucas as informações existentes sobre a validação dessas ferramentas. O presente trabalho buscou avaliar a capacidade de uma ferramenta de modelagem matemática, o FLOW 3D®, em reproduzir as principais características do escoamento sobre vertedouros afogados por jusante. Foi feito um estudo adotando o vertedouro da UHE Belo Monte como projeto piloto no qual foram enfocados também os escoamentos controlados por comportas. Foram comparados os perfis de linha de água, a capacidade de descarga e a distribuição de pressões resultantes dos modelos matemático e físico. As simulações matemáticas de escoamentos livres apresentaram bons resultados. Já nas simulações matemáticas de escoamentos através de pequenas aberturas de comportas foram encontradas maiores diferenças na capacidade de descarga. As comparações de distribuições de pressões apontaram resultados muito semelhantes entre os dois modelos. O presente estudo indica que o modelo matemático consegue reproduzir satisfatoriamente os escoamentos desde que tomadas devidas precauções em relação à qualidade da malha garantindo a convergência da solução matemática.

ABSTRACT Usually spillways are controls of their discharge, which features are well known. However, the number of low-drop spillways grows each day. In this kind of spillway, the crest loses a great deal of its discharge capability, as it happened on HPP Belo Monte´s spillway. It´s shape had to be altered and the final solution, a non-conventional one, was only found after long studies carried out in a physical model with the goal of achieving the required discharge capability. The difficulties encountered led to the question whether a mathematical model could help optimize the path to the solution, since there are only few information regarding the validation of such tools. Therefore, this article searched to evaluate the capability of a mathematical modeling tool, FLOW 3D®, in properly reproducing the characteristics of the complex flow through such spillways. To fulfill this goal, a case-study was done with HPP Belo Monte´s spillway on which gate controlled operation was also analyzed. Discharge capacity, flow line and pressure distribution from both models were compared. The results of the free-flow simulations indicated a good representation of the flow by the mathematical model. But bigger differences in discharge capability for the gate-controlled simulations were found, mainly regarding small openings. The comparisons of pressure distribution showed a very good similarity between the models. The results indicate that the mathematical model is able to satisfactorily reproduce both types of flows since appropriate measures are taken regarding mesh quality to ensure the convergence of the simulation.