Modelagem do escoamento em uma escada de peixes do tipo ranhura vertical

Abstract

Este trabalho analisou o comportamento hidráulico de uma escada de peixes do tipo ranhura vertical utilizando modelagens uni e tridimensionais. Os resultados foram comparados com dados experimentais obtidos em um modelo em escala reduzida (1:12). Os níveis d’água simulados nos modelos 1D e 3D foram muito próximos dos níveis d’água obtidos com o modelo em escala reduzida e ficaram com uma diferença média de ±0.04 m. A calibração do modelo 1D foi realizada a partir dos coeficientes de contração e expansão, os quais foram identificados como parâmetros mais sensíveis para o caso estudado. Os valores recomendados são de 0.18 e 0.84, respectivamente. Ademais, o modelo 1D permitiu estimar as vazões de funcionamento mínima de 0.12 m3/s e máxima de 1.10 m³/s, considerando uma profundidade mínima de 0.50 m e uma taxa de dissipação de energia teórica não superior a 200 W/m3. A simulação com o modelo 3D permitiu verificar os padrões de escoamento ao longo da escada de peixes, assim como as regiões mais críticas para a passagem dos peixes. O padrão de velocidades nos tanques da escada é composto de duas regiões principais: de jato, com alta velocidade e energia cinética turbulenta; e de recirculação, que serve para o descanso dos peixes. As velocidades encontradas nas ranhuras não são superiores às velocidades suportadas pelos peixes das espécies-chave deste estudo. Ressalta-se que a taxa de dissipação de energia teórica, tradicionalmente utilizada na literatura para avaliar as condições hidráulicas em escadas de peixes, não possui boa concordância com as simulações 3D, podendo ser utilizada como uma primeira aproximação, mais conservadora, da energia dissipada. Apesar dos modelos conseguirem simular os níveis d’água, as velocidades simuladas foram diferentes das velocidades observadas no modelo em escala reduzida. Mais estudos devem ser realizados para verificar os efeitos de escala da turbulência.

ABSTRACT - This work analyzed the hydraulic behavior of a vertical slot type fishway using uni and tridimensional modeling. The results were compared with experimental data obtained in a bench-scale model (1:12). Water levels simulated in the 1D and 3D models were very close to the water levels obtained from the bench-scale model and had a mean difference of ± 0:04 m. The 1D model was calibrated with expansion and contraction coefficients, which were identified as the most sensitive parameters for this case studied. The recommended values are 0.18 and 0.84, respectively. Furthermore, the 1D model allowed to estimate the minimum operating flow rates from 0.12 m3 / s and maximum 1.10 m³ / s, considering a minimum depth of 0.50 m and a rate of theoretical energy dissipation not exceeding 200 W/m3. The simulation with the 3D model verified the flow patterns along the fishway as well as the most critical regions for the fish passage. The velocity pattern in the tanks of the ladder consists of two main regions: the jet with high velocity and turbulent kinetic energy; and recirculation, which serves as an area for the fish to rest. The velocities found in the slots are not higher than the velocities supported by the key fish species in this study. It is noteworthy that the rate of theoretical energy dissipation, traditionally used in the literature to evaluate the hydraulic conditions in fishways, does not have good agreement with the 3D simulations and can be used as a first approximation, more conservative, of the dissipated energy. Even though the models had similar water levels, the simulated velocities were different than the velocities observed in the bench-scale model. More studies should be performed to verify the scale effects of turbulence.