Para compreendermos melhor o funcionamento dos canais abertos e a relação entre seus parâmetros, iremos realizar um estudo em laboratório, o qual nos permitirá observar o comportamento do escoamento em função de algumas variáveis. Para isto, iremos utilizar o laboratório virtual disponível em seu Studeo, intitulado como “Canal Aberto”.
Dica: realize o donwload do roteiro disponível para facilitar a utilização da bancada virtual.
ETAPA 1: EXPERIMENTO – ESCOAMENTO EM CANAL ABERTO
A altura do escoamento em canais abertos, também conhecida como altura da lâmina d’água, é a profundidade do fluxo em um canal. Essa medida é essencial para determinar a capacidade de vazão e o comportamento hidráulico do canal. A altura do escoamento influencia diretamente a área da seção transversal do fluxo, afetando a quantidade de água que passa pelo canal. Além disso, ela está intimamente ligada à declividade e à velocidade do fluxo. Compreender e controlar essa altura é crucial para o design eficiente e a operação de sistemas de canais abertos.
A partir disto, determinaremos parâmetros importantes do escoamento em canais abertos. Para isto, determine os valores solicitados na planilha fornecida no Anexo 1 (ao final do enunciado da atividade), de acordo com os valores de declividade fornecidos, mantendo a vazão fornecida em 50%, conforme o exemplo a seguir.
Figura 1: Controle de vazão do canal aberto.
Fonte: o autor.
Dicas:
1. A largura da calha pode ser obtida posicionando-se o cursor sobre a calha.
2. A declividade do canal é dada em graus. Converta para radianos e utilize a relação trigonométrica de tangente para determinar a declividade em m/m.
3. Utilize o coeficiente de Manning fornecido no laboratório virtual.
4. Calcule a vazão em m³/s utilizando a equação fornecida a seguir e posteriormente converta para m³/h.
5. Para determinar o número de Reynolds, utilize a viscosidade cinemática da água a 20°C = 1 . 10 ^-6 m²/s e a equação 2, fornecida na sequência.
Equação 1: Equação de Manning
Na qual:
Q: vazão do canal (m³/s)
Rh: raio hidráulico (m)
So: declividade do canal (m/m)
A: área do canal (m²)
n: número de Manning
Equação 2: Número de Reynolds
Na qual:
v: velocidade (m/s)
Dh: diâmetro hidráulico (4 x Raio hidráulico)
: viscosidade cinemática (m²/s)
Apresente a tabela do Anexo 1 com os resultados dos seus cálculos, apresentando seus cálculos de forma detalhada, com valores e unidades utilizadas. Esta justificativa deve ser feita para pelo menos uma das linhas de cálculo, sendo possível automatizar o restante da planilha. Apresente também a captura de tela de uma de suas leituras na régua, preferencialmente da linha que utilizou para justificar seus cálculos.
ETAPA 2: RELAÇÃO ENTRE LÂMINA D’ÁGUA, DECLIVIDADE E VAZÃO
Após obter os dados na etapa anterior, você, futuro engenheiro (a), verificou alterações no comportamento do escoamento com a mudança de declividade do canal. A partir destas observações, explique com suas palavras e com os conceitos aprendidos em aula, as seguintes questões:
1. Ao variar a declividade do canal mantendo-se a vazão constante, é possível notar variação nos parâmetros do escoamento? Justifique sua resposta, explicando quais valores são modificados e o motivo da sua variação.
2. Ao realizar a leitura da altura da lâmina d’água, foi observada alguma dificuldade na obtenção deste dado? Cite quais as dificuldades encontradas e como isso pode causar erros na leitura dos dados.
3. A vazão calculada pela equação de Manning pode ser comparada de forma satisfatória a vazão indicada pelo rotâmetro? Explique os principais fatores que podem causar essa variação nos dados obtidos entre a equação e o instrumento de medição.
Dica: entender e comparar o princípio de funcionamento do rotâmetro, a utilização da equação de Manning e a aplicabilidade de ambos, citando as possíveis discrepâncias como: natureza do escoamento, precisão e incerteza dos dados e variações nas condições experimentais.
BONS ESTUDOS!
Anexo 1 – Planilha de dados e cálculos da Etapa 1
Fonte: o autor.
