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HIDROMETRIA
ORIFÍCIOS E BOCAIS
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HIDROMETRIA
HIDROMETRIA é a parte da Hidráulica que trata de assuntos tais como:
Medição das vazões; Velocidade dos líquidos em tubos ou canais; Profundidade e variação do nível da água; Medida das seções de escoamento e das
pressões; Ensaio de bombas e turbinas.
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MEDIÇÃO DAS VAZÕES: MÉTODO DIRETO
O volume v pode ser dado em litros ou metros cúbicos e o tempo T em minutos ou segundos, dependendo da magnitude da vazão medida.
Mede-se o tempo necessário para que a água preencha completamente um reservatório com volume conhecido.
)(
)()(
TTempo
vVolumeQVazão
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MEDIÇÃO DAS VAZÕES: MÉTODO DIRETO
Aplicação do método direto:
Pequenas descargas, tais como nascentes, canalizações de pequeno diâmetro e em laboratório para medir a vazão de aspersores e gotejadores.
Obs.: Quanto maior o tempo de determinação, maior a precisão.
V
T = ?
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ORIFÍCIOS E BOCAIS
O que são?
São aberturas de perímetro fechado e forma geométrica definida, feitas abaixo da superfície livre da água.
Onde são usados?Em paredes de reservatórios, de pequenos tanques, canais ou canalizações.
Para que servem?Para medir e controlar a vazão.
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ORIFÍCIOS
ORIFÍCIO JUNTO AO FUNDO DO RESERVATÓRIO
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VELOCIDADE TEÓRICA DA ÁGUA EM UM ORIFÍCIO
h
A1, V1, patm
A2, V2, patm
patm
g
Vh
patm
g
V
22
22
21
g
Vh
2
22
ghV 22
Obs.: Q = V2.A2
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ORIFÍCIOS
USO DE ORIFÍCIO NA MEDIÇÃO DE VAZÃO
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ORIFÍCIO USADO EM MEDIÇÃO DE VAZÃO DE POÇO
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ORIFÍCIOS: TAMANHOS
Quanto às dimensões:
Pequeno:Quando suas dimensões forem muito menores que a profundidade h em que se encontra.Na prática, quando:
d h/3.d
h
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Grande:
quando d > h/3, sendo d a altura do orifício.
d
h
ORIFÍCIOS: TAMANHOS
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ORIFÍCIOS: FORMAS
ORIFÍCIO CIRCULAR ORIFÍCIO RETANGULAR
Retangular; circular; triangular, etc.
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ORIFÍCIOS: NATUREZA DAS PAREDES
Parede delgada (e < d):
A veia líquida toca apenas a face interna da parede do reservatório.
e
d
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Parede espessa (e d):
O jato toca quase toda a parede do reservatório.
Esse caso será visto no estudo dos bocais.
ORIFÍCIOS: NATUREZA DAS PAREDES
e
d
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SEÇÃO CONTRAÍDA
As partículas fluidas afluem ao orifício, vindas de todas as direções, em trajetórias curvilíneas.
Ao atravessarem a seção do orifício continuam a se mover em trajetórias curvilíneas.
As partículas não mudam bruscamente de direção, obrigando o jato a contrair-se um pouco além do orifício.Causa: A inércia das partículas de água que continuam a convergir depois de tocar as bordas do orifício.
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SEÇÃO CONTRAÍDA
CONTRAÇÃO DA VEIA LÍQUIDA
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SEÇÃO CONTRAÍDA
Podemos calcular o coeficiente de contração (CC), que expressa a redução no diâmetro do jato:
CC = Ac / A
Ac = área da seção contraídaA = área do orifício.
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TIPO DE ESCOAMENTO: LIVRE OU SUBMERSO
d
h
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QUANTO À POSIÇÃO DA PAREDE
Vertical Inclinada, Inclinada para jusante Parede horizontal.
OBS: Quando a parede é horizontal e h < 3d surge o vórtice, que afeta o coeficiente de descarga.
h
d
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ORIFÍCIOS - CLASSIFICAÇÃO:CONTRAÇÃO DA VEIA LÍQUIDA
CONTRAÇÃO INCOMPLETA
(SÓ NA PARTE DE CIMA DO ORIFÍCIO)
CONTRAÇÃO COMPLETA
(EM TODAS AS FACES DO ORIFÍCIO)
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CORREÇÃO DO COEFICIENTE Cd PARA CONTRAÇÃO INCOMPLETA
Para orifícios retangulares, Cd assume o valor de C’d, como mostrado abaixo:
C’d = Cd. (1 + 0,15.k)
orifício do totalperímetro
contraçãoda supressãohá que em parteda perímetrok
a
bPerímetro total = 2.(a+b)
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CORREÇÃO DO COEFICIENTE Cd PARA CONTRAÇÃO INCOMPLETA
ba
bk
.2
ba
bak
.2
.2 ba
bak
.2
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CORREÇÃO DO COEFICIENTE Cd PARA CONTRAÇÃO INCOMPLETA
Para orifícios circulares, temos:
Para orifícios junto a uma parede lateral, k = 0,25; Para orifícios junto ao fundo, k = 0,25; Para orifícios junto ao fundo e a uma parede lateral, k = 0,50; Para orifícios junto ao fundo e a duas paredes laterais, k = 0,75.
C’d = Cd. (1 + 0,13.k)
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VELOCIDADE REAL
Na prática a velocidade real (Vr) na seção contraída é menor que a velocidade teórica (Vt) devido a: Atrito externo; Viscosidade.
Chama-se de Cv (coeficiente de velocidade) a relação entre Vr e Vt.
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VELOCIDADE REAL
Vt
VrCv VtCvrV .
Cv é determinado experimentalmente e é função do diâmetro do orifício (d), da carga hidráulica (h) e da forma do orifício. Na prática pode-se adotar Cv = 0,985.
Definindo como coeficiente de descarga (Cd) ao produto Cv x Cc, temos:
Cd = Cv . CcNa prática adota-se Cd = 0,61
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VELOCIDADE REAL
ghCdVt 2.
Esta equação dá a velocidade real do jato no ponto 2.
Lembrando que Vazão = velocidade x área
(Q = V.A, portanto V = Q/A), temos:
ghACdQ 2.. VAZÃO REAL ATRAVÉS DO ORIFÍCIO
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h1 h
h2
D
VAZÃO EM ORIFÍCIOS GRANDES
Quando h1 é muito diferente de h2, o uso da altura média de água h sobre o centro do orifício de diâmetro D para o cálculo da vazão, não é recomendado.
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VAZÃO EM ORIFÍCIOS GRANDES
Razão: A velocidade da água no centro de
um orifício grande é diferente da velocidade média do fluxo neste orifício.
Chamando de D o diâmetro, diz-se que um orifício é grande quando:
H < 2D
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VAZÃO EM ORIFÍCIOS GRANDES
h1 h
h2
dh
L
Orifício retangular grande (projeção)
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VAZÃO EM ORIFÍCIOS GRANDES
Como calcular a vazão de um orifício grande?
É possível calcular a vazão que escoa através de uma seção de área infinitesimal dS do orifício grande:
dS = L.dh
Esta seção reduzida é um orifício pequeno. Então vale a equação:
ghSCdQ 2..
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VAZÃO EM ORIFÍCIOS GRANDES
Fazendo S = L.h, a vazão através de dS será:
Se a vazão através da área dS pode ser dada pela equação acima, então, integrando-se a mesma entre os limites h1 e h2, teremos a vazão total do orifício.
ghdhLCddQ 2..
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VAZÃO EM ORIFÍCIOS GRANDES
2/32/3 12..2...3
2hhgLCdQ
1
2
.2..h
h
dhhgLdCQ
EQUAÇÕES DA VAZÃO EM ORIFÍCIOS GRANDES
12
12..2...
3
2 2/32/3
hh
hhgSCdQou
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ESCOAMENTO COM NÍVEL VARIÁVEL
Durante o esvaziamento de um reservatório por meio de um orifício de pequena dimensão, a altura h diminui com o tempo.
Com a redução de h, a vazão Q também irá decrescendo.
Problema: Como determinar o tempo para esvaziar ou retirar um volume v do reservatório?
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ESCOAMENTO COM NÍVEL VARIÁVEL
Num pequeno intervalo de tempo dt a vazão que passa pelo orifício será:
E o volume infinitesimal escoado será:
Obs: Lembrar que v = Q . t
dtghSCddv .2..
ghSCdQ 2..
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Nesse mesmo intervalo de tempo, o nível de água no reservatório baixará de uma altura dh, o que corresponde ao volume:
dv = Ar.dh
S = área do orifício (m2);
Ar = área do reservatório (m2);
t = tempo necessário par o esvaziamento (s).
ESCOAMENTO COM NÍVEL VARIÁVEL
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ESCOAMENTO COM NÍVEL VARIÁVEL
Igualando as duas expressões que fornecem o volume, podemos isolar o valor de dt:
Integrando-se a expressão entre dois níveis, h1 e h2, obtemos o valor de t.
dthgSCddhAr ...2...
hgSCd
dhArdt
..2..
.
dhhgSCd
Art
h
h
..2..
1
2
2/1
2/12/1 21.2..
.2hh
gSCd
Art
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ESCOAMENTO COM NÍVEL VARIÁVEL
Quando o esvaziamento é completo,
h2 = 0 e h1 = h
hgSCd
Art .
.2..
.2
Expressão aproximada, já que quando h < 3 vezes o diâmetro do orifício, este não poderia mais ser considerado pequeno.
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ESVAZIAMENTO DE RESERVATÓRIOS: EQUAÇÃO SIMPLIFICADA
O tempo para o esvaziamento total de um reservatório de área constante, através de um orifício pequeno, pode ser estimado através da equação:
T = 2Vi / Qi
Vi o volume inicial de líquido contido no reservatório;
Qi a vazão inicial que ocorre quando h = hi (altura de água no início do esvaziamento).
d
hi
hi
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BOCAIS
BOCAIS são peças tubulares adaptadas aos orifícios, tubulações ou aspersores, para dirigir seu jato.
Seu comprimento deve estar compreendido entre uma vez e meia (1,5) e cinco vezes (5) o seu diâmetro.
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BOCAIS
BOCAL ACOPLADO A ORIFÍCIO
Bocais de aspersores são projetados com coeficientes de
descarga Cd 1,0
(mínima redução de vazão)
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A equação derivada para orifícios pequenos também serve para os bocais, porém, o coeficiente Cd assume valores diferentes conforme o tipo de bocal.
ghSCdQ 2..
BOCAIS
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BOCAIS
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PORQUE O BOCAL FAVORECE O ESCOAMENTO?
Zona de formação de vácuo: o escoamento se dá contra pressão menor que a atmosférica, contribuindo para o aumento da
vazão.
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VALORES DE Cd PARA ORIFÍCIOS E BOCAIS
Cd = 0,61
Cd = 0,98
Cd = 0,51
Cd = 0,82