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Type: Dissertação
Title: Proposição de equação para estimativa da sobrepressão máxima resultante de fechamento de válvulas de controle de fluxo
Title in English: Proposal of an equation for estimating the maximum overpressure resulting from the closing of flow control valves
Authors: Viana, David Arruda
Advisor: Castro, Marco Aurélio Holanda de
Keywords in Brazilian Portuguese : Método das Características;Válvula de Controle de Fluxo;Abastecimento de água - dimensionamento;Transitórios Hidráulicos
Keywords in English : Method of Characteristics;Flow Control Valve;Water supply - sizing;Hydraulic Transients
Knowledge Areas - CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA CIVIL::ENGENHARIA HIDRAULICA
Issue Date: 2024
Citation: VIANA, David Arruda. Proposição de equação para estimativa da sobrepressão máxima resultante de fechamento de válvulas de controle de fluxo. 2024. 152 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil - Recursos Hídricos) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2024.
Abstract in Brazilian Portuguese: Este estudo tem como objetivo desenvolver uma metodologia para o cálculo da sobrepressão máxima causada pelo fechamento de válvulas de controle de fluxo em sistemas de adutoras por gravidade, que operam sem o uso de bombas. Para isso, propõe-se a criação de duas equações que considerem os efeitos de variáveis como carga no reservatório, espessura da tubulação, comprimento total, área da seção transversal, vazão, tempo de fechamento da válvula, celeridade da onda e o fator de atrito. Utilizou-se a técnica de regressão linear múltipla para criar a primeira equação de pré-dimensionamento e, posteriormente, foram realizadas simulações computacionais dos transientes hidráulicos por meio do software UFC7, que permitiram a análise das sobrepressões em diferentes cenários e com variados tipos de válvulas e tempos de fechamento. No entanto, para a formulação da segunda equação proposta utilizou- se a otimização por tentativa. A metodologia aplicada incluiu a coleta de dados de experimentos publicados e a modelagem de transientes hidráulicos no UFC7, considerando um reservatório a montante e uma válvula a jusante. As simulações levaram em conta as propriedades elásticas da tubulação e as condições de contorno específicas para assegurar resultados precisos. O estudo destaca que a escolha do tipo de válvula e a variação no tempo de fechamento são fatores cruciais que influenciam diretamente os picos de pressão durante eventos de transientes hidráulicos. Verificou-se que tempos mais longos de fechamento reduzem significativamente a sobrepressão máxima, enquanto válvulas com características de fechamento mais gradual demonstram maior capacidade de atenuar os efeitos do golpe de aríete. Os resultados indicaram que as equações propostas apresentaram uma boa correspondência com os dados experimentais, permitindo um pré-dimensionamento eficiente da sobrepressão máxima considerando o intervalo de dados experimentais. Essa ferramenta facilita a análise e o planejamento operacional, oferecendo uma solução prática e rápida para projetistas e operadores que buscam minimizar os impactos dos transientes em sistemas de adução. A comparação com os valores calculados pelo Método das Características (MOC e MOC_CAV) e com experimentos demonstraram que a equação formulada proporciona estimativas seguras, especialmente para tempos de fechamento menores, sendo ideal para aplicações que exigem resposta rápida e confiável. Apesar das vantagens, a análise também evidenciou limitações em tempos de fechamento mais longos para primeira equação proposta. Já para a segunda equação proposta, os resultados foram próximos aos simulados no UFC7. Com isso, é sugerido que futuras pesquisas explorem a ampliação da base de dados experimentais e simulações em diferentes condições operacionais. Recomenda-se a formulação de novas equações que considerem uma maior variação nos parâmetros de tempo de fechamento e a análise de sobrepressões mínimas, visando proporcionar uma avaliação abrangente e detalhada dos sistemas hidráulicos. A utilização de algoritmos mais avançados, como os genéticos, para melhorar a precisão dos modelos é também uma proposta para trabalhos futuros. Assim, este estudo contribui para a segurança e otimização de operações em sistemas de abastecimento de água, fornecendo uma ferramenta prática para o enfrentamento de desafios relacionados aos transientes hidráulicos.
Abstract: This study aims to develop a methodology for calculating the maximum surge pressure caused by the closure of flow control valves in gravity pipeline systems operating without the use of pumps. To achieve this, the creation of an equation is proposed that considers the effects of variables such as reservoir head, pipe thickness, total length, cross-sectional area, flow rate, valve closing time, wave celerity, and friction factor. The multiple linear regression technique was used to create the first pre-sizing equation and, subsequently, computational simulations of hydraulic transients were carried out using the UFC7 software, which allowed the analysis of overpressures in different scenarios and with different types of valves. and closing times. However, to formulate the second proposed equation, trial optimization was used. The methodology applied included the collection of data from published experiments and the modeling of hydraulic transients in UFC7, considering an upstream reservoir and a downstream valve. The simulations accounted for the elastic properties of the pipeline and specific boundary conditions to ensure accurate results. The study highlights that the choice of valve type and variations in closing time are critical factors that directly influence pressure peaks during hydraulic transient events. It was found that longer closing times significantly reduce maximum surge pressures, while valves with more gradual closing characteristics demonstrate greater capacity to attenuate the effects of water hammer. The results indicated that the proposed equations presented a good correspondence with the experimental data, allowing an efficient pre-sizing of the maximum overpressure considering the range of experimental data. This tool facilitates operational analysis and planning, offering a practical and quick solution for designers and operators aiming to minimize transient impacts in pipeline systems. Comparisons with values calculated using the Method of Characteristics (MOC and MOC_CAV) and experimental data demonstrated that the formulated equation provides reliable estimates, particularly for shorter closing times, making it ideal for applications requiring a rapid and dependable response. Despite its advantages, the analysis also revealed limitations for longer closing times in the first proposed equation. As for the second proposed equation, the results were close to those simulated in UFC7. Therefore, it is suggested that future research explore the expansion of the experimental database and simulations under different operational conditions. It is recommended to develop new equations that consider a broader variation in closing time parameters and the analysis of minimum surge pressures, aiming to provide a more comprehensive and detailed assessment of hydraulic systems. The use of more advanced algorithms, such as genetic algorithms, to improve model accuracy is also proposed for future studies. Thus, this study contributes to the safety and optimization of operations in water supply systems, providing a practical tool to address challenges related to hydraulic transients.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/80655
Author's Lattes: http://lattes.cnpq.br/5657463407405583
Advisor's Lattes: http://lattes.cnpq.br/9250831617884112
Access Rights: Acesso Aberto
Appears in Collections:DEHA - Dissertações defendidas na UFC

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