Investigação numérico-experimental da influência de efeitos de inércia em escoamentos de fluidos viscoplásticos modelados como ruptura de barragem

Abstract

A modelagem de escoamentos de fluidos viscoplásticos como rupturas de barragens (dam-breaks) possui grande importância em aplicações industriais e no estudo de desastres naturais, seja como técnica alternativa para inferir parâmetros reológicos, seja como modelo simplificado da hidrodinâmica resultante de movimentos gravitacionais de massa. A literatura tem estudado os escoamentos dam-breaks em geometrias simplificadas, visando obter leis de evolução da frente viscoplástica através de abordagens analíticas, experimentais e numéricas. No entanto, os estudos realizados trazem lacunas a respeito da consideração da influência de efeitos de inércia (existentes durante a liberação do material represado) no escoamento produzido, tanto na fase transiente quanto no estado final (fase permanente). Tais efeitos dependem da reologia do fluido, das condições geométricas iniciais e do mecanismo de liberação do fluido represado, podendo vir a influenciar significativamente o escoamento. Nessa direção, o presente trabalho visa investigar numérico-experimentalmente a influência do efeito de inércia em dois escoamentos dam-break clássicos: o ensaio do abatimento de tronco de cone, ou slump test, e o escoamento em canal retangular e horizontal devido ao levantamento de uma comporta. Na vertente numérica, utiliza-se o método dos volumes finitos através do software ANSYS Fluent 14.5, define-se um protocolo de testes de sensibilidade para determinação de incertezas numéricas, e apresenta-se um estudo detalhado da adequabilidade de métodos de regularização da viscosidade aparente através da confrontação numérico-analítica do escoamento Hagen-Poiseuille com fluidos viscoplásticos, o que permite o prosseguimento da análise numérica dos casos estudados neste trabalho. Na vertente experimental, os ensaios de ambos os casos foram executados utilizando-se o fluido-teste gel de carbopol em diferentes concentrações. Os ensaios de slump test foram feitos utilizando um aparato automatizado de slump test, o qual reduz a influência de operadores e permite o controle da velocidade de levantamento do molde por meio de um sistema de levantamento pneumático e monitoramento da abatimento da amostra ao longo do tempo através de sensor à laser. Os ensaios em canal retangular foram realizados com velocidades de abertura da comporta controladas por meio de um sistema pneumático e os alcances da frente e profundidades em pontos fixos foram monitorados por filmagens e sensores de nível ultrassônicos, respectivamente. Através da confrontação numérico-experimental, concluiu-se que simulações do slump test são modeladas adequadamente somente se a velocidade de levantamento do molde for implementada, devido à significativa influência do efeito de inércia em escoamentos com alta razão de aspecto e/ou baixa tensão limite de escoamento adimensional. Essa influência é confirmada pelos ensaios experimentais do escoamento dam-break em canal retangular e horizontal e respectivas simulações numéricas, variando-se a razão de aspecto, tensão limite de escoamento e velocidade de abertura da comporta.

The dam-break of viscoplastic fluids problem has significant importance in natural hazards studies and industrial applications. Such problem models the hydrodynamics of gravitydriven flows of land, mud and debris, while being able to present itself as an alternative technique to estimate rheological properties. Previous studies were able to characterize the behaviour of dam-break flows through theoretical, experimental and numerical approaches; however, there are only few works that explore the influence of inertial effects into the flow, both in the transient and steady regimes. Inertial effects exist during the release of the resting material and could exert significant influence into the flow, depending on: the rheology properties of the fluid; initial geometrical conditions; and the releasing mechanism of the material. In this context, this work aims to investigate numerical-experimentally the influence of inertial effects using two classical dam-break cases: 1) the slump test; and 2) the dam-break flow in a rectangular and horizontal channel. The numerical approach uses ANSYS Fluent 14.5 to perform simulations and defines a sensitivity-test protocol to estimate numerical uncertainties. A detailed study of viscosity regularization techniques through numerical-analytical confrontation of the Hagen-Poiseuille case with viscoplastic fluids is made, validating such techniques to be adequately used in dam-break flows simulations. The experimental approach uses carbopol gel as test-fluids in different concentrations. In order to perform reliable slump tests, an automated apparatus was used, assuring the lifting control of the Abrams cone, the monitoring of slump height over time through a laser sensor and less influence of operators in the test. The dam-break flows in rectangular and horizontal channel were perfomed using a pneumatic lifting device to lift the gate at different velocities, while the wave front was monitored through camera footage and ultrassonic sensors captured locally the flow depth. The numerical-experimental confrontation concluded that slump tests are only adequately simulated if the lifting velocity of the mould is included, due to the initial high aspect ratio and/or the low dimensionless yield stress, which cause significant inertial effects. The influence of inertial effects is confirmed by the dam-break flow in a rectangular and horizontal channel case and respective numerical simulations, while varying initial aspect ratio, yield stress and lifting velocity of the gate.