Avaliação de softwares de modelos numéricos 2D e 3D para estudos de ruptura hipotética de barragens

INTRODUÇÃO

A modelagem é uma etapa fundamental no estudo de ruptura hipotética. Através dessa importante ferramenta, são avaliados os possíveis cenários de inundação e os parâmetros hidrodinâmicos (velocidade, profundidade, vazão, etc.), identificando assim as áreas de risco para elaboração dos planos de contingência e de ações de emergência, que visam mitigar os impactos do evento. A modelagem pode ser realizada por meio de métodos analíticos, empíricos ou numéricos, sendo este último o mais utilizado na prática, devido à sua maior flexibilidade e capacidade de representar a complexidade do fenômeno (Wahl, 1998; Singh e Snorrason, 2004; USACE, 2010).

Os métodos numéricos resolvem as equações que governam o escoamento, que podem ser as equações de conservação de massa e quantidade de movimento (equações de Saint-Venant), em uma

ou duas dimensões horizontais, ou as equações de Navier-Stokes, em três dimensões. Essas equações são discretizadas em uma malha computacional, que pode ser regular ou irregular, estruturada ou não estruturada, e resolvidas por meio de algoritmos numéricos, que podem ser explícitos ou implícitos, finitos ou infinitos, entre outros. A escolha do método numérico depende do grau de simplificação ou detalhamento que se deseja obter na modelagem, bem como da disponibilidade de dados, do tempo de processamento e da qualidade da saída (Fread, 1991; Wahl, 1998; Singh e Snorrason, 2004; USACE, 2010).

Existem diversos softwares que implementam os métodos numéricos para a modelagem de um estudo de ruptura hipotética, cada um com suas características, vantagens, limitações e aplicações. A escolha do software adequado para cada caso é uma tarefa que requer conhecimento técnico, critério e experiência, pois pode influenciar significativamente nos resultados e na tomada de decisão. Neste trabalho, foi feita uma revisão bibliográfica sobre os principais softwares disponíveis, tanto em duas quanto em três dimensões, destacando seus recursos, requisitos, interface, custo e validação. O objetivo é fornecer uma visão geral e descritiva dessas ferramentas, que possa auxiliar os usuários na escolha do software mais apropriado para seus estudos.

MÉTODOS

A metodologia utilizada neste trabalho consistiu em realizar uma pesquisa bibliográfica sobre os softwares de modelagem para um estudo de ruptura hipotética, buscando informações em artigos científicos, relatórios técnicos, manuais, sites e outras fontes. Foram selecionados seis softwares, sendo quatro de duas dimensões (RiverFlow 2D, Flo 2D, Mike 21 e HEC-RAS) e dois de três dimensões (Flow3D e OpenFoam), que foram analisados e descritos segundo os seguintes critérios:

• Recursos: refere-se às funcionalidades e capacidades do software, tais como tipo de equação resolvida, tipo de malha utilizada, condições de contorno e iniciais, tratamento de estruturas hidráulicas, acoplamento com outros modelos, etc.
• Requisitos: refere-se aos requisitos mínimos e recomendados para a instalação e execução do software, como sistema operacional, processador, memória, espaço em disco, placa de vídeo, etc.
• Interface: refere-se à interface gráfica, que pode facilitar ou dificultar o uso, tais como facilidade de entrada e saída de dados, visualização e edição da malha, geração de gráficos, etc.
• Custo: refere-se ao custo de aquisição e manutenção do software, que pode ser gratuito, pago ou dependente de licença, bem como ao custo de treinamento e suporte técnico, que pode ser oferecido pelo desenvolvedor ou por terceiros.

Percepção do usuário: refere-se a publicações de autores que simularam casos reais de ruptura de barragens com diferentes softwares apresentando as vantagens e desvantagens em relação a cada um deles.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

A capacidade de cada software de modelar a ruptura de uma barragem depende de vários fatores, como a geometria do reservatório, as características do fluido, as condições iniciais e de contorno, e os objetivos da análise. Assim, não há um software que seja universalmente superior aos demais, mas sim aquele que melhor se adapta às necessidades de cada caso.

Os softwares de duas dimensões são mais adequados para situações em que a variação vertical da velocidade e da pressão é pequena, e o escoamento é predominantemente horizontal. Eles também são mais rápidos e simples de executar, exigindo menos recursos computacionais e dados de entrada. Por outro lado, eles são menos precisos e detalhados do que os softwares de três dimensões, que podem capturar os efeitos tridimensionais do escoamento, como a formação de vórtices, a separação da camada limite e a interação com estruturas. Os softwares de três dimensões são mais indicados para situações em que a variação vertical da velocidade e da pressão é significativa, e o escoamento é fortemente influenciado pela geometria, pela topografia ou com uma interação complexa com outra estrutura.

Contudo, os softwares tridimensionais possuem uma representação mais complexa da reologia, fator este crucial para modelagens de barragens de rejeitos com fluidos não-newtonianos. A representação da reologia em modelos 3D é um campo desafiador devido à complexidade dos modelos de turbulência, à necessidade de alta resolução espacial e temporal, e às limitações computacionais. Embora avanços significativos tenham sido feitos, como o uso de LES (Large Eddy Simulation) e DNS (Direct Numerical Simulation), esses métodos ainda são limitados por seus altos custos computacionais.

A viscosidade afeta diretamente a formação e a dissipação de estruturas turbulentas. Em fluidos não newtonianos, a viscosidade pode variar com a taxa de deformação, o que torna mais complexa a modelagem. Modelos de viscosidade turbulenta, como o modelo de viscosidade de redemoinho (eddy-viscosity), são frequentemente utilizados, mas podem não capturar todos os detalhes necessários para escoamentos complexos (FLOW-3D, 2023 e Konečný & Ševčík, 2016).

Entre os softwares de duas dimensões, o RiverFlow 2D é capaz de modelar desde fluxos laminares até fluxos turbulentos, com ou sem sedimentos, em canais naturais ou artificiais. Ele também permite a utilização de malhas flexíveis e refinadas, que se ajustam à geometria e às condições do escoamento. O Flo 2D é outro software de duas dimensões que possui opções de modelagem similar ao RiverFlow 2D. Ele também pode simular os efeitos de inundações, erosão, deslizamentos, etc.

O HEC-RAS é um software de duas dimensões que se sobressai por sua versatilidade, sendo amplamente utilizado em estudos hidrológicos e hidráulicos. Além das opções de modelagem similares aos softwares anteriores, ele também pode acoplar os modelos bidimensionais com os modelos unidimensionais, permitindo uma análise integrada do escoamento. O HEC-RAS é um software gratuito, desenvolvido pelo Corpo de Engenheiros do Exército dos Estados Unidos. Estudos comparativos, como o de Spero e Calhoun (2022), indicam que o HEC-RAS é frequentemente preferido devido à sua estabilidade e baixo custo computacional. Recentemente foi disponibilizada a versão deste software capaz de modelar fluidos não newtonianos, contudo, por ser um módulo novo, ele ainda foi pouco explorado na literatura.

O Mike 21 é um software de duas dimensões que se ressalta por sua abrangência por também simular os efeitos de qualidade da água, ecologia, recirculação, etc. Esse software foi usado por Wang et al. (2017) para simular o escoamento em um estuário na China.

Entre os softwares de três dimensões, o FLOW-3D é um dos mais avançados e completos, sendo capaz de modelar fluxos tridimensionais em regime laminar ou turbulento, com ou sem transferência de calor, em meios porosos ou não porosos, com ou sem superfície livre, com ou sem transporte de sedimentos, em geometrias complexas e variáveis. Ele também pode simular os efeitos de estruturas hidráulicas, como comportas, vertedouros, turbinas, etc.

O OpenFoam é outro software de três dimensões que se sobressai por sua robustez e flexibilidade, sendo capaz de modelar fluxos tridimensionais em regime laminar ou turbulento, possuindo, no mínimo, a mesma versatilidade de aplicações do FLOW-3D. Ele também pode acoplar os modelos tridimensionais com os modelos bidimensionais ou unidimensionais, permitindo uma análise integrada do escoamento. O OpenFoam é um software de código aberto, desenvolvido pela OpenCFD Ltd.

Os resultados da análise dos softwares de modelagem de um dam break são apresentados na Tabela 1, com base nos critérios definidos anteriormente. As fontes das informações são os próprios desenvolvedores dos softwares além dos autores que simularam casos reais de ruptura de barragens com estes.

Alguns estudos foram desenvolvidos ao longo dos anos para, através de dados experimentais ou observacionais de eventos reais de ruptura de barragens verificar a precisão dos softwares. A maioria dos artigos concluiu que os softwares apresentaram boa concordância com os dados reais, mas alguns deles destacaram as limitações de cada software em relação a aspectos como a discretização do domínio, o tratamento das condições de contorno, a turbulência, a viscosidade e a tensão superficial. Alguns artigos também compararam os softwares entre si, indicando as vantagens e desvantagens de cada um em termos de precisão, robustez, tempo de execução e facilidade de uso.

Entre os artigos encontrados, destacam-se os seguintes estudos de caso: (a) a simulação da ruptura da barragem de Malpasset, na França, em 1959, usando os softwares RiverFlow 2D, Flo 2D, Mike 21 e HEC-RAS (Dias et al., 2019); (b) a simulação da ruptura da barragem de Gleno, na Itália, em 1923, usando os softwares RiverFlow 2D, Flo 2D e Flow3D (O’Brien et al., 2014); (c) a simulação da ruptura da barragem de Vajont, na Itália, em 1963, usando os softwares Mike 21 e OpenFoam (Zhao et al., 2018); e (d) a simulação da ruptura da barragem de Fundão, no Brasil, em 2015, usando o software OpenFoam (Silva et al., 2019).

CONCLUSÃO

De acordo com a Canadian Dam Association (CDA) (2021), a escolha do software é crucial para a precisão e a confiabilidade dos estudos de ruptura de barragens. A CDA destaca que, embora não haja um software que seja universalmente superior, o HEC-RAS é frequentemente recomendado devido à sua versatilidade, confiabilidade e custo-benefício, especialmente em estudos bidimensionais. Sabe-se ainda que o HEC-RAS tem evoluído continuamente desde seu lançamento inicial em 1995, com a versão 6.0 sendo lançada em 2020 e a versão 6.5 em 2024. Reforça-se assim que seu módulo não newtoniano, por ser um módulo novo, ainda foi pouco explorado na literatura.

Além disso, a CDA (2021) menciona que as tecnologias e as melhores práticas para a análise de ruptura de barragens de rejeitos estão em constante evolução. Isso implica que os softwares devem ser atualizados regularmente para incorporar os avanços mais recentes no campo. A capacidade do software de simular com precisão as perdas de carga, a viscosidade do fluido e outros parâmetros críticos é essencial para garantir que os resultados da modelagem sejam confiáveis e úteis para a gestão da segurança da barragem, avaliação de riscos e planejamento de resposta a emergências.

A escolha entre modelos 2D e 3D deve ser guiada pela complexidade do problema e pelos recursos disponíveis. Embora os modelos 3D ofereçam uma representação mais detalhada, eles também exigem muito mais recursos computacionais e tempo de processamento. Em muitos casos, os modelos 2D são suficientes e até preferíveis devido à sua eficiência e simplicidade.

Portanto, a escolha do software não é apenas uma questão técnica, mas também uma questão de segurança e responsabilidade. A CDA (2021) enfatiza que os profissionais de segurança de barragens devem definir e concordar com o escopo e a metodologia que atendam aos objetivos do estudo e aos requisitos estabelecidos pelos reguladores. A seleção de um software adequado é um passo crucial nesse processo, garantindo que o estudo de ruptura forneça informações precisas e acionáveis para a mitigação de riscos e a proteção das comunidades a jusante.

Ainda em casos de fluidos não newtonianos reforça-se que a escolha do software deve considerar, além da sua capacidade, as propriedades reológicas dos materiais disponível e a expertise necessária para ajustar corretamente os parâmetros de entrada.