Simulação numérica de escoamentos não newtonianos em problema do tipo dam-break com comporta de abertura controlada

Abstract

Rompimentos de barragens de rejeitos, como os ocorridos na barragem de Fundão, na cidade de Mariana (2015), e em Brumadinho (2019), evidenciam de forma trágica os riscos associados à liberação repentina de grandes volumes de material viscoplástico sobre o terreno - fenômeno conhecido na literatura técnica como dam break. Compreender e prever o avanço da frente desse material e o alcance final do escoamento (runout) é fundamental para subsidiar análises de risco, projetos de contenção e planos de mitigação de desastres dessa natureza. Nesse contexto, este trabalho teve como objetivo desenvolver e validar um modelo numérico, implementado no software ANSYS Fluent, capaz de simular escoamentos viscoplásticos do tipo dam break com abertura controlada de comporta, representada por meio de malha dinâmica. O modelo emprega o método Volume of Fluid (VOF) para o rastreamento da interface ar-fluido e o modelo reológico de Herschel-Bulkley. A validação do modelo foi conduzida por meio da reprodução numérica de casos experimentais disponíveis na literatura, empregando géis de Carbopol e lama caulinítica. Os resultados obtidos mostraram boa concordância entre as simulações numéricas e os dados experimentais na fase inicial e mais dinâmica do escoamento, ao passo que divergências mais significativas surgiram na fase final, de escoamento lento, cuja origem permanece em investigação. Como contribuição adicional, este trabalho apresenta um tutorial detalhado dos procedimentos de configuração e simulação empregados, com o intuito de auxiliar a reprodutibilidade dos casos estudados.

Tailings dam failures, such as those that occurred at the Fundão Dam in Mariana (2015) and in Brumadinho (2019), tragically highlight the risks associated with the sudden release of large volumes of viscoplastic material over the ground, a phenomenon commonly referred to in the technical literature as a dam-break. Understanding and predicting the propagation of the flow front and the final runout distance are essential for supporting risk assessment, the design of containment structures, and disaster mitigation planning. In this context, the objective of this study was to develop and validate a numerical model, implemented in ANSYS Fluent, capable of simulating viscoplastic dam-break flows with controlled gate opening represented through dynamic mesh techniques. The model employs the Volume of Fluid (VOF) method to track the air–fluid interface and the Herschel–Bulkley rheological model to describe the fluid behavior. Model validation was carried out by reproducing experimental cases reported in the literature involving Carbopol gels and kaolinitic mud. The numerical results showed good agreement with the experimental data during the initial and more dynamic stage of the flow, whereas more significant discrepancies were observed during the final slow-flow stage, the causes of which remain under investigation. As an additional contribution, this work provides a detailed tutorial describing the simulation setup and configuration procedures adopted, aiming to facilitate the reproducibility of the investigated cases.