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

• Ano de defesa: 2023
• Autor(a) principal: Pereira, João Batista [UNESP]
• Orientador(a): Maciel, Geraldo de Freitas [UNESP]
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Universidade Estadual Paulista (Unesp)
• Palavras-chave em Português: Experimentação física; Perfil de velocidade; Velocimetria por imagem; Ruptura de barragem; Fluidos não Newtonianos
• Palavras-chave em Inglês: Physical experiments; Velocity profile; Image velocimetry; Dam-break; Non- Newtonian fluids
• Link de acesso: https://hdl.handle.net/11449/318189; https://orcid.org/0000-0001-7136-917X

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.