Análise da energia cinética da turbulência em correntes de turbidez a partir de metodologia física e numérica

Abstract

Ao ocorrerem em meio subaquoso, seja no leito oceânico ou no fundo de reservatórios, as correntes de turbidez são fluxos carregados de sedimento nos quais a diferença de densidade proporcionada pela mistura de água e partículas sólidas é a força motriz para o movimento. Nestes escoamentos, o principal mecanismo de suporte dos grãos em suspensão é a turbulência do escoamento. Dentro do estudo da turbulência, a energia cinética da turbulência (TKE) representa uma medida direta da intensidade da turbulência no escoamento e, a partir da equação da variação desta propriedade, pode-se avaliar a influência dos diferentes mecanismos de transporte, incorporação e dissipação de TKE. O estudo da turbulência nestes escoamentos foi realizado por diferentes autores a partir de medições de correntes de turbidez simuladas fisicamente ou de simulações numéricas – a partir do cálculo das equações governantes do escoamento. No presente trabalho é apresentada uma abordagem integrada no estudo da TKE em correntes de turbidez. A partir de simulações físicas realizadas no âmbito de um projeto de pesquisa, nas quais diferentes misturas de água e carvão mineral foram injetadas em um canal horizontal, geram-se correntes de turbidez. Nestes experimentos foram medidos perfis de velocidades e concentrações que foram definidos como condições de contorno de entrada em um domínio computacional – no código Incompact3d – no qual foram simuladas (através de simulação numérica direta) correntes de turbidez polidispersas semelhantes aos experimentos físicos, para um pequeno trecho do canal no qual foram realizadas as simulações físicas. Os resultados das simulações numéricas foram comparados com resultados das simulações físicas que não foram inseridos no domínio computacional, apresentando semelhanças na intensidade (diferenças <11%) e na distribuição da TKE ao longo das escalas. Com os resultados obtidos das simulações numéricas foram calculados os perfis verticais de TKE e o balanço da variação da TKE ao longo da vertical. Os perfis verticais de TKE apresentaram semelhanças a perfis descritos na literatura. Através do cálculo do balanço da variação da TKE observou-se: a predominância dos mecanismos de produção turbulenta e dissipação viscosa; a relevância do mecanismo de transporte pelas tensões viscosas na manutenção da TKE; uma menor relevância do mecanismo de transporte pelas tensões de Reynolds; pequenos valores de transporte devido às forças de empuxo.

Al ocurrir en medio sub-acuoso, sea sobre el lecho oceánico o en fondo de reservorio, las corrientes de turbidez son flujos cargados de sedimento en los cuales la diferencia de densidad proporcionada por la mistura del agua con estas partículas sólidas es la fuerza motriz para el movimiento. En estos escurrimientos, el principal mecanismo que mantiene los granos en suspensión es la turbulencia del flujo. En el estudio de la turbulencia, la energía cinética de la turbulencia (TKE) representa una medida directa de la intensidad de la turbulencia del escurrimiento y a partir de la ecuación del balance de la variación de tal propiedad, se puede evaluar la influencia de los diferentes mecanismos de transporte, incorporación y disipación de TKE. El estudio de la turbulencia en estos flujos fue realizado por diferentes autores a partir de mediciones de corrientes de turbidez simuladas físicamente o de simulaciones numéricas – a partir del cálculo de las ecuaciones gobernantes del escurrimiento. En el presente trabajo se presenta un abordaje integrado en el estudio de la TKE en corrientes de turbidez. A partir de simulaciones físicas realizadas en el ámbito de un proyecto de investigación, en las cuales diferentes mezclas de agua y carbón mineral fueron inyectadas en un canal horizontal, generando corrientes de turbidez. En estos experimentos fueron medidos perfiles de velocidades y concentraciones que fueron definidos como condiciones de borde de entrada en un dominio computacional – en el código Incompact3d – en lo cual fueron simuladas (a partir de simulación numérica directa) corrientes de turbidez semejantes a los experimentos físicos, para un pequeño tramo del canal en lo cual fueron realizadas las simulaciones físicas. Los resultados de las simulaciones numéricas fueron comparados con resultados de las simulaciones físicas que no fueron inseridos en el dominio computacional, presentando semejanzas en la intensidad (diferencias <11%) y en la distribución de la TKE al largo de las escalas. A partir de los resultados de los resultados de las simulaciones numéricas fueron calculados los perfiles verticales de TKE y el balance de la variación de TKE al largo de la vertical. Los perfiles verticales de TKE presentaron semejanzas a perfiles descritos en la literatura. A través del cálculo del balance de la variación de la TKE se pudo observar: la predominancia de los mecanismos de producción turbulenta y disipación viscosa; la relevancia del mecanismo de transporte por las tensiones viscosas en la manutención de la TKE; una menor relevancia del mecanismo de transporte por las tensiones de Reynolds; pequeños valores de transporte debido a las fuerzas de empuje.