Obtenção de perfil de velocidade de escoamento de fluidos não newtonianos com presença de instabilidade superficial utilizando a técnica STIV

Abstract

Os desastres ‘naturais’ têm se tornado cada vez mais frequentes na mídia, gerando não apenas impactos significativos na natureza, mas também grandes prejuízos socioeconômicos. Os acidentes relacionados a frentes lamosas (mudflow) representam um perigo significativo, pois transportam uma carga considerável de sedimentos, podendo resultar em instabilidades na superfície livre que se propagam como frentes de ondas conhecidas como roll waves, intensificando ainda mais os danos. Neste contexto, este trabalho tem como objetivo aprofundar o conhecimento sobre o escoamento de fluidos viscoplásticos com características lamosas, especialmente na presença de instabilidades superficiais, em um cenário experimental. Para isso, foi utilizada a metodologia Space-Time Image Velocimetry (STIV) para analisar o escoamento de um fluido viscoplástico com características lamosas (Carbopol 996) em um canal inclinado de acrílico, juntamente com o aparato experimental de geração, estabilização e medição de instabilidades superficiais. Os resultados dos perfis de velocidade para o escoamento permanente e uniforme revelaram um efeito de deslizamento de fundo. Quando comparados com o modelo teórico baseado na teoria da lubrificação, os resultados foram satisfatórios, porém, houve um aumento de erro em altas velocidades, indicando uma certa limitação da metodologia para trabalhos com altas velocidades. Nos escoamentos com presença de roll waves, observou-se a variação da velocidade ao longo da onda e sua periodicidade. Comparativamente ao escoamento permanente e uniforme, houve um aumento na velocidade e na lâmina. Apesar das observações positivas, destaca-se a necessidade de aprimoramento da metodologia para trabalhos envolvendo roll waves, uma vez que as altas velocidades e a análise em curto espaço de tempo ainda representam desafios para a geração e análise das imagens STI.

The 'natural' disasters have become increasingly frequent in the media, causing not only significant impacts on nature but also substantial socio-economic losses. Accidents related to mudflows represent a significant danger, as they transport a considerable load of sediments, which can result in instabilities on the free surface propagating as wave fronts known as roll waves, further intensifying the damage. In this context, this work aims to deepen the understanding of the flow of viscoplastic fluids with mud-like characteristics, especially in the presence of surface instabilities, in an experimental scenario. For this purpose, the Space-Time Image Velocimetry (STIV) methodology was used to analyze the flow of a viscoplastic fluid with mud-like characteristics (Carbopol 996) in an inclined acrylic channel, along with the experimental apparatus for the generation, stabilization, and measurement of surface instabilities. The results of velocity profiles for steady and uniform flow revealed a bottom sliding effect. When compared to the theoretical model based on lubrication theory, the results were satisfactory, but there was an increase in error at high speeds, indicating a certain limitation of the methodology for work with high speeds. In flows with roll waves, variations in velocity along the wave and its periodicity were observed. In comparison to steady and uniform flow, there was an increase in velocity and blade height. Despite the positive observations, it is emphasized that there is a need for improvement in the methodology for works involving roll waves, as high speeds and the analysis over a short period still pose challenges for the generation and analysis of STI images.