Padrões de escoamento de fluido de mistura água-sedimentos em lâmina de pouca espessura

Abstract

O presente trabalho visou estabelecer uma metodologia de avaliação dos padrões de escoamento de fluidos de mistura água-sedimento em lâminas de pouca espessura. Neste estudo foram estabelecidas hipóteses que consideram que as características do sedimento (massa específica e textura) e a composição mineralógica do sedimento afetam as propriedades reológicas do fluido de mistura, assim como a capacidade de transporte de sedimento grosso em suspensão (mudança na velocidade de queda de sedimentos dentro do fluido de mistura), tendo efeito direto sobre as características dinâmicas do escoamento (perfil de velocidade). Os sedimentos analisados foram obtidos de três tipos de solos do estado do Rio Grande do Sul: Brunizém Vertico (Bv), Terra Roxa (Tr) e Vertissolo (V). O critério de escolha destes solos foi a diferenciação entre as características de textura e mineralogia. O desenvolvimento desta pesquisa foi dividida em várias etapas: caracterização do sedimento empregado, determinação das propriedades reológicas dos fluidos de mistura de água- sedimento fino, cálculo da velocidade de queda de sedimentos grosso em um fluido de mistura água-material fino e a determinação dos perfis de velocidades e concentrações em um escoamento com sedimento em suspensão. Para a realização deste trabalho foi necessário o desenvolvimento de equipamentos de medição da velocidade de queda, de medição do perfil de velocidades e concentrações. O primeiro equipamento construído foi da medição da velocidade de queda e é similar ao desenvolvido por pesquisadores da Universidade de Griffith, o qual é denominado tubo de Griffith. O equipamento para medição do perfil de velocidade é constituído por uma sonda de Pitot conectado a um piezômetro inclinado. O sistema de amostragem de sedimentos é composto por uma sonda tipo Pitot, cujo funcionamento é garantido por sifonamento. As propriedades reológicas das amostras de fluido de água-material fino para os três tipos de solo (Bv, Tr e V) mostraram que as amostras do solo Bv apresentaram erros de medição devido à natureza siltosa do solo. Com o aumento da concentração, foi observado um aumento da viscosidade, sendo este incremento mais predominante nas amostras do solo V (esmectitico) em relação às amostras do solo Tr (caulinítico). As velocidades de queda de material grosso (classes areia média, areia fina e areia muito fina) calculadas em água limpa apresentaram diferenças consideráveis em relação às velocidades calculadas teoricamente. O cálculo da velocidade de queda de material grosso dentro de um fluido de mistura água-material fino ficou restrito à classe da areia média. O sistema de medição do perfil de velocidades permitiu obter coeficientes de Von Karman (k) - ajustes da equação da “lei da parede” ou dos “déficits da velocidade”- similares aos encontrados na literatura para água limpa. Ao se avaliar o perfil de velocidades para escoamentos com sedimento em suspensão, em uma análise que considerou a característica do sedimento, observou-se que solos com textura arenosa (solo Bv) apresentam um coeficiente k que decresce com o aumento da concentração. Este comportamento é similar ao observado por Wang e Plate (1994) e outros. Nos escoamentos correspondentes aos solos Tr e V (argilosos) foi observado um comportamento contrário a do solo Bv: o valor de k sofreu acréscimo com o aumento da concentração. Fisicamente, uma diminuição do valor k com o aumento da concentração (solo Bv) significará um aumento da declividade do perfil de velocidade (expressos nos termos de u/u* e yu*/v). Na ocorrência de acréscimo no valor de k com o aumento da concentração ocorre uma diminuição da declividade do perfil de velocidade. Numa análise que considera a minerologia do sedimento, foi possível observar que os valores de k, solos esmectiticos (V), apresentaram maior suscetibilidade ao aumento concentração que os solos caulititico (Tr). Este resultado coincide com o observado nas propriedades reológicas. Estes resultados permitiram concluir que existe evidência da mudança dos padrões de escoamento (perfil de velocidade) devido à ação de sedimento em suspensão é mais predominante em solos do tipo esmectitico que em solo cauliniticos. Sedimentos em suspensão (solo Bv) com textura arenosa originaram um comportamento de perfil de velocidade contrário ao observado em perfis de velocidade de sedimentos de solos argilosos (Tr e V). Não foi possível determinar o perfil de concentrações devido a problemas originados pela pouca espessura da lâmina do escoamento, impossibilitando um análise mais detalhada do sedimento em suspensão. A mesma impossibilidade ocorreu para a análise do efeito do sedimento fino no transporte de material grosso em suspensão.

The present work tried establish a methodology of evaluation of the flow pattern of water-sediment mixture fluid in shallow flow. The working hypothesis advanced is that the sediment characteristics ( specific mass and texture) and the sediment minerological composition affect the rheological proprieties of mixture fluid, just as the transport capacity of suspended coarse sediment (change in the settling velocity of sediment in mixture fluid), effects directly the flow dynamic (velocity profile). The sediment analysed was of three soil types coming from the Rio Grande do Sul State of Brazil: Brunizém Vertico (Bv), Terra Roxa (Tr) e Vertissolo (V). They were chosen according to the differences both in the textural and minerological characteristics. This research was divided into several stages: used sediment characterization, determination of the rheological proprieties of the water-fine sediment mixture fluids, calculation of the settling velocity values of coarse sediment in water-fine sediment mixture fluid, and determination of the velocity profile and of the concentration vertical distribution in suspended sediment flow. To carry out this work it was necessary to develop measurement equipment of settling velocity, velocity profile and concentration vertical distribution. We started by measuring the settling velocity, using a type of equipment similar to the Griffith tube, created by researchers of Griffith University. The velocity profile equipment was a Pitot probe connected to an inclined manometer. The system of sediment sampling was performed using a Pitot probe, also for siphon suction. The rheological proprieties of the samples of water-fine sediment mixture fluid of the three soil types (Bv, Tr and V) showed that the Bv soil samples presented measurement errors due to its silty character. With the increment of concentration a increase of the viscosity was observed, more predominant in the V soil samples (Esmectic), than in the Tr soil samples (Kaolinite). The settling velocities of coarse sediment (classes: medium sand, fine sand and very fine sand) calculated to water clear displayed many differences with the theorical velocity values. The determination of settling velocity of coarse sediment in water-fine sediment mixture fluid stayed restricted to medium sand class. The system of measurement of velocity profile allowed us to obtain of Von Karman coefficient (k) - fitted equations of the wall law and velocity defect law - with similar k values of the water clear. When the velocity profile was evaluated in order to take into consideration the sediment characteristics, it was found that the soil with sandy texture (Bv) presented a k coefficient that decreases with the increase of concentration. This was similar to Wang and Plates observations (1994), and other researchers. In the flows corresponding to Tr na V soil (Clayen) the results were the opposite: the k value increased with the increase of concentration. Physically, the decrease of the k value with the increase of concentration (Bv soil) denotes an increase of slope of the velocity profile (in terms of u/u* and yu*/v), while with the increase of the k value a decrease of slope of velocity profile takes place. In the analysis of the sediment mineralogy, it was possible to observe that k values of esmectitic soil (V), were more easily affected with an increase of concentration than the kaolinite soil (Tr). These results coincide with the observations of the rheological proprieties, and allow us to conclude that there were evidences of changes of flow patterns (velocity profile) due to the action of suspended sediment, more predominant in esmectic soil than in the kaolinite soil. The suspended sediment (Bv soil) with sandy texture exhibited a velocity profile opposed to the velocity profiles of clay soils (Tr and V). It was not possible to determine the concentration vertical distribution, owing to problems created by the shallow stream, that impede a more detailed analysis of suspended sediments. A similar problem occurred when analyzing of the fine sediment effect on suspended coarse sediment transport.