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Type: Tese
Title: Proposição da equação do coeficiente politrópico e do coeficiente de abertura de válvula para a modelagem computacional do esvaziamento de condutos forçados
Title in English: Proposition of the equation of the polytropic coefficient and the valve opening coefficient for modeling computational analysis of the emptying of penstocks
Authors: Sanders Neto, Vicente de Castro
Advisor: Castro, Marco Aurélio Holanda de
Co-advisor: Barbosa, João Marcelo Costa
Keywords in Brazilian Portuguese : Processo termodinâmico;Coeficiente prolitrópico;Lei de abertura de válvula
Keywords in English : ischarge valve opening law; air valve.;emptying; polytropic coefficient; d
Issue Date: 2024
Citation: SANDERS NETO, V.de C. Proposição da equação do coeficiente politrópico e do coeficiente de abertura de válvula para a modelagem computacional do esvaziamento de condutos forçados. 213f. 2024. Tese (Doutorado em Engenharia Civil - Recursos Hídricos) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2024.
Abstract in Brazilian Portuguese: Este estudo visa analisar o processo termodinâmico adiabático no decorrer do escoamento de um conduto forçado, concomitantemente com a influência da abertura da válvula de jusante no processo. Estudos recentes propõem o uso do coeficiente politrópico como um valor fixo para gases em processos adiabáticos, porém isso pode levar a modelagens inadequadas. Com isso, propõe-se o desenvolvimento de equações para calcular o coeficiente politrópico, k, e o coeficiente de abertura de válvula, α, para melhorar a modelagem computacional do esvazia- mento em condutos forçados usando o Modelo da Coluna Rígida de Água (RWCM). O estudo metodológico envolveu uma pesquisa bibliográfica para explorar a teoria do esvaziamento de tubulações, utilizando dados de pesquisas experimentais. Um conjunto de trabalhos de pesquisa experimental foi selecionado para análise, com o objetivo de aplicar suas soluções quantitativas na modelagem computacional. Nestes trabalhos, foram realizados 12 experimentos sem admis- são de ar e 23 experimentos com admissão de ar, simulando uma ventosa para admissão de ar. Com base nos resultados desses experimentos, desenvolveu-se uma solução simplificada a partir do RWCM em condições de esvaziamento sem admissão de ar. Posteriormente, avaliou-se a hipótese de que o coeficiente politrópico é variável a partir dos valores de k para o ar atmosférico e do vapor de água (1,40 e 1,33). Desenvolveu-se um novo entendimento da lei de abertura de válvula, considerando-se um coeficiente, α, em função do passo de tempo computacional. As descobertas são apresentadas em três segmentos. Na primeira parte é feita a exposição dos gráficos que comparam o achado da solução simplificada com os dados de 12 experimentos sem admissão de ar, incluindo os resultados de três métodos numéricos para comparação. Na segunda parte dos resultados, realizou-se a calibração dos coeficientes k e α utilizando a metodo- logia desenvolvida, para cada um dos 35 experimentos analisados. Na terceira e última parte, desenvolveram-se as equações para a predição dos coeficientes k e α, gerando indicadores de desvio Nash-Sutcliff acima de 0,90; sendo considerados bons resultados no que as equações se propõem. Tais resultados contribuem para um melhor entendimento do processo termodinâmico do bolsão de ar durante o esvaziamento da coluna de água, no que se refere à sensibilidade do coeficiente politrópico. Também, contribui cientificamente com a proposição do coeficiente de abertura de válvula para a modelagem o esvaziamento de condutos forçados.
Abstract: This study aims to analyze the adiabatic thermodynamic process during the emptying of a forced conduit, concurrently with the influence of downstream valve opening in the process. Recent studies propose the use of the polytropic coefficient as a fixed value for gases in adiabatic processes, however, this can lead to inadequate modeling. Therefore, the development of equations to calculate the polytropic coefficient, k, and the valve opening coefficient, α, is proposed to improve the computational modeling of forced conduit emptying using the Rigid Water Column Model (RWCM). The methodological study involved a literature review to explore the theory of pipeline emptying, using data from experimental research. A set of experimental research works was selected for analysis, aiming to apply their quantitative solutions in computational modeling. In these works, 12 experiments without air admission and 23 experiments with air admission were conducted, simulating an air valve for air admission. Based on the results of these experiments, a simplified solution was developed from RWCM under emptying conditions without air admission. Subsequently, the hypothesis that the polytropic coefficient varies from the values of k for atmospheric air and water vapor (1,40 and 1,33) was evaluated. A new understanding of the valve opening law was developed, considering a coefficient, α, as a function of computational time step. The findings are presented in three segments. The first part presents graphs comparing the findings of the simplified solution with data from 12 experiments without air admission, including the results of three numerical methods for comparison. In the second part of the results, the calibration of coefficients k and α was performed using the developed methodology for each of the 35 analyzed experiments. In the third and final part, equations for predicting coefficients k and α were developed, generating Nash-Sutcliffe Error above 0,90; these are considered good results regarding the proposed equations. Such results contribute to a better understanding of the thermodynamic process of the air pocket during water column emptying, regarding the sensitivity of the polytropic coefficient. Also, it scientifically contributes to the proposal of the valve opening coefficient for modeling the emptying of forced conduits.
Description in Brazilian Portuguese: Sanders Neto, Vicente de Castro. Proposição da equação do coeficiente politrópico e do coeficiente de abertura de válvula para a modelagem computacional do esvaziamento de condutos forçados. 213f. 2024. Tese (Doutorado em Engenharia Civil - Recursos Hídricos) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2024.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/76828
Author's Lattes: http://lattes.cnpq.br/0245237142620617
Advisor's Lattes: http://lattes.cnpq.br/9250831617884112
Co-advisor's Lattes: http://lattes.cnpq.br/1366424382715282
Access Rights: Acesso Aberto
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