Análise da turbulência em tanques de decantação para tratamento de água utilizando simulação numérica direta

Abstract

Tanques de decantação retangulares fazem parte da etapa de clarificação em um tratamento de água convencional completo. Como são as instalações que tendem a ocupar mais espaço na planta das Estações de Tratamento de Água (ETAs), buscou-se simulá-las, com vistas a analisar as proporções geométricas destes tanques, além de observar a ação da turbulência sobre a sedimentação nos mesmos. As simulações foram feitas utilizando-se o código Incompact3d, escrito em Fortran-90, que utiliza o método Simulação Numérica Direta (DNS). O esquema espacial utilizado foi o de diferenças finitas compactas de sexta ordem, e o esquema temporal, de Adams-Bashfort de segunda ordem. Todas as variáveis foram adimensionalizadas, buscando a obtenção de resultados mais generalizáveis. Foi simulada uma curva granulométrica de partículas, discretizada em treze classes. Foram aplicadas duas leis de velocidade de sedimentação de partículas para esta mesma curva granulométrica, a Lei de Stokes e o modelo de Julien-Winterwerp. As velocidades longitudinais (horizontais) do tanque variaram de 0,5 a 1,0 cm/s, resultando em números de Reynolds de 9970 (104) e 19940 (2∙104). Nos tempos iniciais, próximo à fronteira esquerda do domínio, ocorre a instabilidade turbulenta de Rayleigh-Taylor. Quando o fluido com sedimentos toca o fundo do tanque, forma-se uma corrente de turbidez. Nessa corrente de turbidez, observam-se instabilidades de Kelvin-Helmholtz na camada de mistura cisalhante. Em tempos avançados, as correntes hiperpicnais, em alguns casos, tornam-se hipopicnais. Para números de Reynolds maiores, houve mais deposição em massa, porém a deposição foi mais difusa ao longo do tanque. As partículas de menor diâmetro têm mais facilidade para deixarem o tanque que as de maior diâmetro.