Escoamentos multifásicos e transporte sólido em sistemas de drenagem de águas residuais comunitárias

Abstract

Due to the characteristics of the wastewaters resulting from domestic, commercial and industrial effluents produced in urban agglomerations, the solid transport, natural or artificial ventilation and the multiphase flows have special relevance in sanitation systems. The flow in the general network of collectors carrying wastewater is processed predominantly by gravity and with a free surface. However, complementary installations with pipelines with flow under pressure that may have various specificities and incorporate various risks associated with their normal operation are usually indispensable, particularly in large systems. In the case of ascending pipelines, the air injection in steady flow at their base may, not only facilitate the aeration of the liquid mass and prevent the creation of septic conditions, but also improve the hydraulic operation and the process of lifting or transporting the solids present in the wastewater.The current dissertation is part of a set of works that have been developed within the scope of an ongoing research project at the Laboratory of Hydraulics, Water Resources and Environment, LHRHA, of the Department of Civil Engineering of the Faculty of Sciences and Technology of Coimbra University, DEC-FCTUC, which aims to study and model the various particularities of steady multiphase flows in sanitation systems. The main focus of research in this case was centered on a predominantly experimental work of establishment, measurement and analysis of the solid transport that occurs in two-phase (water-sand) and three-phase (water-sand) steady (permanent) flows in under pressure ascending pipes, in order to be able to evaluate the effects and possible benefits on solid transport, caused by the injection of compressed air at the base of ascending ducts. For this purpose, an existing experimental installation at LHRHA was used, which allowed the introduction, collection and measurement of solid flow rates for various water and injected air flow rates, different inclinations of the ascending duct and different diameters of the transported solid particles. The possibility of applying a simplified two-phase (water-air) model proposed in previous work, for the characterization of the hydraulic functioning of the three-phase (water-air-solid) flows now experimentally observed, considering the solid phase included in the liquid phase, is analyzed, as well as a first approach to the modeling of the critical conditions, or of solid transport start, in the observed two and three-phase flows. The introduction of air at the base of an ascending duct in steady flow, whether it is the impulsion duct of a pumping system, or the ascending branch of an inverted siphon, shows to be extremely favorable in the observed solid transport, which is facilitated or incremented when the introduced air flow rate increases, for a given installation geometry. The characteristics of the flow and the observed solid flow rate are greatly influenced by the slope of the pipe and the diameter of the transported particles. The application of the simplified water-air model previously proposed allows for a reasonable approximation for the description of the hydraulic functioning of the three-phase flow in the ascending duct; the critical or solid transport starting conditions appear to be describable to a good approximation based on Shields and Reynolds numbers, using appropriate characteristic quantities.

Devido às caracteristicas das águas residuais comunitárias resultantes das contribuições domiciliárias, comerciais e industriais produzidas nos aglomerados urbanos, o transporte sólido, a ventilação natural ou artificial e os escoamentos multifásicos apresentam especial relevância nos sistemas de saneamento. O escoamento na rede geral de colectores que transportam águas residuais processa-se predominantemente por gravidade e com superfície livre. No entanto, instalações complementares com condutas com escoamento sob pressão que podem apresentar diversas especificidades e incorporar vários riscos associados ao seu normal funcionamento são normalmente indispensáveis, particularmente em sistemas de grandes dimensões. No caso de condutas ascendentes, a injecção de ar na base das mesmas poderá, não apenas facilitar o arejamento da massa líquida e prevenir a criação de condições de septicidade, como também melhorar o funcionamento hidráulico e o processo de elevação ou de transporte dos sólidos presentes nas águas residuais.A presente dissertação insere-se num universo de trabalhos que têm vindo a ser desenvolvidos no âmbito de um projecto de investigação em curso no Laboratório de Hidráulica, Recursos Hídricos e Ambiente, LHRHA, do Departamento de Engenharia Civil da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra, DEC-FCTUC, que pretende estudar e modelar as diversas particularidades dos escoamentos multifásicos em sistemas de saneamento. O principal foco de investigação neste caso centrou-se num trabalho predominantemente experimental de estabelecimento, medição e análise do transporte sólido que ocorre nos escoamentos em regime permanente de duas fases (água-areia) e de três fases (água-ar-areia) em condutas sob pressão ascendentes, de forma a poder avaliar os efeitos e possíveis benefícios no transporte sólido, causados pela injecção de ar comprimido na base de condutas ascendentes. Para o efeito, foi utilizada uma instalação experimental existente no LHRHA que permitiu a introdução, recolha e medição de caudais sólidos para vários caudais de água e de ar injectado, diferentes inclinações da conduta ascendente e diferentes diâmetros das partículas sólidas transportadas.É analisada a possibilidade de aplicação de um modelo simplificado de duas fases (água-ar) proposto em trabalho anterior, para a caracterização do funcionamento hidráulico dos escoamentos de três fases (água-ar-sólidos) agora observados experimentalmente, considerando a fase sólida incluída na fase líquida, bem como uma primeira abordagem à modelação das condições críticas, ou de início do transporte sólido, nos escoamentos de duas e três fases observados. A introdução de ar na base de uma conduta ascendente, seja a conduta de impulsão de um sistema de bombagem, ou o ramo ascendente de um sifão invertido, mostra-se extremamente favorável no transporte sólido observado que surge facilitado ou incrementado quando aumenta o caudal de ar introduzido, para um dada geometria da instalação. As características do escoamento e o caudal sólido observado são muito influenciados pela inclinação da tubagem e pelo diâmetro das partículas transportadas. A aplicação do modelo simplificado água-ar anteriormente proposto permite uma razoável aproximação para a descrição do funcionamento hidráulico do escoamento de três fases na conduta ascendente; as condições críticas ou de início de transporte sólido aparentam poder ser descritas com boa aproximação com base nos números de Shields e de Reynolds, utilizando grandezas características adequadas.