Velocimetria e avanço de frentes de escoamento de fluido viscoplástico em canal e plano inclinado

Abstract

Impactos produzidos por desastres de toda natureza sobre a sociedade não têm sua gênese apenas no ambiente, mas são construídos na confluência das diversidades do ambiente, com as escolhas da sociedade e da tecnologia. Ainda que problemática complexa, dentre os desastres “naturais”, as rupturas de barragem, em particular as de rejeitos, têm ganhado destaque pela produção de frentes lamosas (mudflows), que não só têm causado danos a infraestruturas civis, mas sobretudo ceifado vidas humanas e causado impactos ambientais sem precedentes. Faz-se, assim, necessário o conhecimento mais aprofundado desse tipo de escoamento acerca de profundidades, campo de velocidade, vazões, tensões de arrasto no fundo, bem como alcances das frentes de natureza viscoplástica. Neste contexto, esta tese de pesquisa básica/aplicada tem a finalidade de proporcionar maior conhecimento a respeito de escoamentos de fluidos viscoplásticos com característica lamosa no que diz respeito às suas propriedades dinâmicas evoluindo em canal e plano inclinado. Para isso foram desenvolvidas duas metodologias experimentais. A primeira baseada na técnica Space Time Image Velocimetry (STIV) e como alternativa ao método de velocimetria PIV (Particle Image Velocimetry), possibilitando a obtenção do perfil de velocidade longitudinal ao longo da profundidade de fluidos viscoplásticos em laboratório e implementada a partir do desenvolvimento de um algoritmo próprio com base na geração de imagens espaço-temporal (imagem STI - Space Time-Image). Já a segunda consistiu na concepção, montagem e automação de aparato experimental de ruptura de barragem (dam break), seguido pela geração e medição de escoamentos a partir de diferentes cenários de ruptura (diferentes velocidades de abertura de comporta, liberação instantânea e gradual segundo estágios de abertura, configuração de canal e plano inclinado), de forma a explicitar a importância do efeito da liberação de material em um evento tipo dam break. As duas metodologias experimentais desenvolvidas se mostraram capazes de gerar e medir os escoamentos viscoplásticos (perfis de velocidade, vazão e alcances). Os resultados de perfis de velocidade indicaram fortes efeitos de fundo e de paredes laterais à medida que se aumenta a tensão limite de escoamento e viscosidade, evidenciando-se maior distanciamento do modelo teórico, com base na teoria da lubrificação. Os experimentos de dam-break evidenciaram forte dependência dos alcances com relação à velocidade de abertura da comporta nos instantes iniciais, sendo os alcances finais mais dependentes das características reológicas do fluido; também se constatou que a forma de liberação de material (formação de brecha) apresenta significativa influência sobre os hidrogramas de ruptura e desenvolvimento temporal dos alcances; por fim efeitos de inércia tornam-se mais atuantes com a redução do número de Herschel-Bulkley (materiais de maior fluidez) associada à condição de liberação instantânea de material. Além da vertente experimental, foi empregada a modelagem numérica a fim de realizar a confrontação numérica-experimental e identificar a capacidade dos modelos em retratar os diferentes efeitos considerados nos experimentos físicos. A modelagem numérica foi realizada por meio do software ANSYS Fluent 14.5 e forneceu resultados com boa concordância aos experimentos físicos de medição de perfil de velocidade ao longo da profundidade, já em situações de liberação de material (dam break) houve boa concordância com os resultados do desenvolvimento inicial do alcance, no entanto, com maiores discrepâncias na fase de redução de velocidade do escoamento.

Impacts cause by natural disasters are not only a product of the environment, but of a confluence of environmental diversities directly affected by the choices of the ruling society and technology. The occurrence of “natural disasters”, especially those involving the failure of tailings dams, recently stood out in the news due to the ensuing mudflows, which resulted in unprecedented environmental impacts with serious damage to civil infrastructure and the death of countless people. In this sense, further analyses concerning this kind of flow became imperative. Notably, from an engineering point of view, it is crucial to study their depths, velocity fields, discharges, and bottom drag coefficients, as well as the runout distance of viscoplastic front. Therefore, the aim of this work is to provide a theoretical/practical analysis of viscoplastic fluids of muddy consistency evolving in a channel or in an inclined plane. To do so, two distinct experimental methodologies were developed. The first method essentially employed the Space Time Image Velocimetry (STIV) for obtaining the longitudinal velocity profile along the flow depths of viscoplastic fluids. In order to carry out the study, an algorithm was developed with basis on the generated Space-Time Images (STI). The second method consisted in designing, assembling and automating an experimental apparatus capable of reproducing and measuring dam-breaks and their subsequential flows. Moreover, the apparatus was also able to reproduce different scenarios with distinct gate-opening velocities, different type of releases (instantaneous/gradual), and varied channel/inclined plane configurations. Both methodologies were able to reproduce and measure the viscoplastic flows (along with their velocity profiles, discharges and runout distance). The obtained velocity profiles indicated strong effects both at the bottom and at the walls of the channel/inclined plane. Such effect increased as the rheological properties of the fluid also increased, showing a greater distance from the proposed theoretical model. The dam-breaks experiments showed a strong displacement dependence on the gate-opening velocity especially in the initial moments. Final displacements, on the other hand, were more dependent on the fluid rheology. The type of release (breach formation) also influenced the rupture hydrographs and the temporal development of the displacements. Lastly, inertial effects become more active with a reduction of the Herschel-Bulkley number (materials with higher fluidity), especially when the material was instantaneously released. The numerical modeling carried out by the ANSYS Fluent 14.5 software provided results in good agreement with the experiments concerning the velocity profiles along the depth. The software was also able to provide results in good agreement with the ones observed immediately after dam-break. On the other hand, greater discrepancies were observed as the flow velocity was reduced.