Modelagem computacional de efeito ejetor em usina hidrelétrica combinada de baixa queda

Orientador: Prof. Dr. José Junji Ota

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Recursos Hídricos e Ambiental. Defesa : Curitiba, 25/10/2021

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Resumo: Em barragens com centrais hidrelétricas no "pé" da barragem, durante períodos de cheias, em que há sobra de água, a descarga é efetuada pelo vertedouro, ocorrendo o aumento do nível de água de jusante, e, consequentemente a diminuição da queda disponível para geração de energia. Parte da queda pode ser recuperada, através de efeito ejetor ou ejeção no canal de fuga da usina hidrelétrica (UHE), através de arranjo de casa de força combinada com estruturas hidráulicas extravasoras de cheias no mesmo bloco, chamada de usina hidrelétrica combinada. O efeito ejetor é resultante do processo de iteração do excesso de água escoado por extravasores de cheias próximos do fluxo que sai do tubo de sucção da usina, transmitindo uma parte da energia cinética do fluxo de alta velocidade ao fluxo de menor velocidade, reduzindo a altura piezométrica na saída do tubo de sucção da usina. Esta dissertação de mestrado buscou avaliar a viabilidade do uso da modelagem computacional para simular adequadamente o efeito ejetor em usina hidrelétrica combinada de baixa queda, através de simulações no programa OpenFOAM, utilizando o modelo de turbulência k - Epsilon. Foram efetuadas seis simulações de escoamento tridimensional, em escala de modelo, de operação conjunta de casa de força e descarregadores de fundo laterais em escoamento livre e com aberturas parciais de comportas. Os resultados do efeito ejetor foram comparados com os obtidos em modelo físico reduzido e as análises mostraram que o modelo computacional reproduziu o efeito ejetor no canal de fuga.

Abstract: In dams with hydroelectric power plants at the toe of the dam, during periods of flood, when there is excess water, the discharge is carried out by the spillway, with an increase in the downstream water level, and, consequently, a decrease in the head for power generation. Part of the loss of head can be recovered, through the ejector effect or ejection in the hydroelectric plant downstream outlet channel, through a powerhouse arrangement combined with hydraulic structures to spill overflows in the same block, called combined hydroelectric plant. The ejector effect is the result of the iteration process of excess water drained by flood spillways close to the flow that leaves the plant's draft tube, transmitting a part of the kinetic energy of the high-velocity flow to the lower-velocity flow, reducing the piezometric height at the output of the plant's draft tube. This master's thesis aimed to evaluate the feasibility of using computational modeling to properly simulate the ejector effect in a low-fall combined hydroelectric plant, through simulations in the OpenFOAM software, using the k - Epsilon turbulence model. Six three-dimensional flow simulations were performed, in model scale, of joint operation of a powerhouse and lateral bottom outlets in free flow and with partial openings of gates. The results of the ejector effect were compared with those obtained in a reduced physical model and the analyzes showed that the computational model reproduced the ejector effect in the downstream outlet channel.