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Parametrização de ensaios de simulação física de correntes de densidade

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Parametrização de ensaios de simulação física de correntes de densidade

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Título Parametrização de ensaios de simulação física de correntes de densidade
Autor Puhl, Eduardo
Orientador Borges, Ana Luiza de Oliveira
Data 2007
Nível Mestrado
Instituição Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Instituto de Pesquisas Hidráulicas. Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental.
Assunto Correntes de densidade
Correntes de turbidez
Modelos fisicos
Simulação
Resumo Este estudo propõe-se a analisar um conjunto de dados de simulações físicas de correntes de turbidez, a fim de parametrizá-los, identificando similaridades e tendências. Estes experimentos foram realizados pelo Núcleo de Estudos de Correntes de Densidade (NECOD), num total de 122 ensaios simulados em três modelos físicos semelhantes: dois canais unidirecionais com comprimento de 3,0 e 7,0 m, e outro tanque formado por um canal que deságua em uma cuba, com comprimento total de 13,85 m. O banco de dados foi composto pelas características hidrodinâmicas de entrada e de saída, utilizando dados médios, tanto na vertical, quanto na horizontal. Para que os objetivos fossem alcançados, utilizaram-se diferentes ferramentas a fim de realizar a consolidação dos dados: análise dimensional, normalização das equações e regressão múltipla de lei de potência nominal. Além disso, para comprovar a extrapolação das leis de semelhança obtidas pela aplicação da análise dimensional, uniram-se à base de dados 54 ensaios provindos de três estudos anteriores (Michon et al., 1955; Garcia, 1985; Altinakar, 1988). A partir das tendências apresentadas pelas relações entre os conjuntos adimensionais obtidos pela análise dimensional, pôde-se concluir que: a dinâmica da região da cabeça da corrente é menos suscetível às mudanças de condições experimentais, portanto, apresenta maior similaridade do que o corpo; e o regime transitório da vazão injetada nos experimentos iniciados por pulso não pode ser aproximado pelo regime permanente daqueles iniciados por fluxo contínuo. Encontraram-se evidências que apontam que os índices de turbulência são maiores com correntes compostas por sedimentos que apresentam menor velocidade de queda, as quais também apresentam maiores valores de velocidade de propagação. Os conjuntos adimensionais que melhor caracterizam as correntes de turbidez são o número de Reynolds e o número de Froude. Alguns resultados também foram confirmados pela extrapolação das tendências aos trabalhos anteriores, tal como uma tendência polinomial com pequena dispersão obtida pela relação entre os parâmetros mais importantes da dinâmica da corrente: a fração volumétrica de sedimento (φ) e o diâmetro do sedimento (dm). Além disso, ficou evidente a atenuação dos efeitos turbulentos do escoamento em modelos com pequena largura; e que a relação entre as forças de inércia e de empuxo pode ser utilizada para avaliar a permanência da homogeneidade do fluxo (distribuição da concentração) ao longo do canal. Pela aplicação da normalização das equações governantes pode-se afirmar que ao definir os parâmetros dinâmicos através da adoção de valores médios ficou impossibilitada a avaliação dos coeficientes empíricos e, conseqüentemente, não permitiu sua satisfatória aplicação. Através do uso de regressão não-linear múltipla, foram obtidas leis que correlacionaram variáveis dependentes (velocidade, espessuras características) com parâmetros de entrada (características do sedimento, da mistura e da injeção). A partir dos resultados ficou evidente que as variáveis mais sensíveis na definição destas leis são: a vazão, a concentração volumétrica e as propriedades físicas da misturas (massa específica, ou viscosidade).
Abstract This work aims to associate the data of turbidity currents laboratory experiments in order to identify possible trends and convergence points between them. These experiments were carried out in three distinct scales of simulation and diverse setups (e.g. flow type and mechanism of ignition). The database was processed and correlated using dimensional analysis, normalization of the governing equations and multiple regression models of monomial power law. At total, its were examined the data of 122 experiments, in terms of dynamic vertical and horizontal mean values, which were simulated in three different physical models: a confined small tank with 3.0 m long x 0.12 m wide and 0.2 m deep; a confined tank with 7.0 m x 0.4 m x 1.0 m; and a unconfined three-dimensional large tank with more than 13.0 m long. Beyond that, its were incorporated 54 experiments from three previous studies found in bibliography (Michon et al., 1995; Garcia, 1985; Altinakar, 1988) to validate dimensional analysis similarity laws. By the analysis of the trends obtained by relations with the non-dimensional groups, it was verified that the dynamics of the current head is less susceptible to changes in the experimental conditions, presenting more similarity than the current body. It was also found evidences that the flow rate generated in lock-box experiments can not be approximated by steady state behavior of flow rate injected in continuous flow experiments. Yet, it was noticed that currents composed by sediments with lower fall velocity show higher turbulent energy and flow velocity values. Moreover, the non-dimensional groups that better describe the dynamic of the turbidity currents were the Reynolds and densimetric Froude numbers. By comparison with previous studies it was possible confirm earlier trends obtained, for instance: a well fitted polynomial trend from the relation between the most significant dynamic parameters of the head of the turbidity current, the volumetric fraction (φ) and grain size (dm); it was also noticed that narrow tanks inhibits turbulent effects of the flow; and that the homogeneity of the flow (concentration distribution) along the length of the tank can be measured by the ratio between the inertial and buoyant forces. By the application of the normalization of the governing equations could be affirmed that the use of mean values to define the dynamics parameters not allowed the correct definition of coefficients and, consequently, its implementation. The multiple regressions models were employed to correlate the head velocity of flow and their geometrics properties (dependent parameters) with flow rate, sediment and mixture properties (independent parameters) in order to indicate what parameters are more significant. Based on that, the results demonstrate that dependent parameters are more susceptible to flow rate, volumetric concentration and viscosity of the mixture parameters.
Tipo Dissertação
URI http://hdl.handle.net/10183/13827
Arquivos Descrição Formato
000633397.pdf (2.532Mb) Texto completo Adobe PDF Visualizar/abrir

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