A new empirical viscosity model for composed suspensions used in experiments of sediment gravity flows

Abstract

Sediment gravity flows are natural flows composed by water and sediment in which the gravitational flow acts on the sediment. The distinct physical properties of the cohesive (clay) and non-cohesive (sand) sediment, and the interaction between these particles alter the ability of the flow to resist to the movement (rheology) along time and space, represented by the viscosity of a mixture suspension. Hence, we propose to study the rheological properties of those mixtures and calculate their relative viscosity when used in the physical simulation of turbidity currents. Rheological tests were performed with various mixtures composed by water, clay and/or coal. Two equations are proposed to estimate the relative viscosity as a function of volume concentration of each sediment, the maximum packing fraction and the percentage of clay present in the mixture. The results also show an error close to 20% comparing similar models from the literature, which are satisfactory. The results also demonstrate that caution should be exercised when generalizing the use of a single model to predict the relative viscosity of suspensions. The influence of density (ρ), grain shape, clay percentage (Cclay), volumetric concentration (φ) and maximum packaging fraction (φmax) should be considered in the formulation of the equations.

Os fluxos gravitacionais de sedimentos são tipos de fluxos naturais compostos por água e sedimentos nos quais o fluxo gravitacional atua sobre o sedimento. As distintas propriedades físicas dos sedimentos coesivos (argila) e não coesivos (areia) e a interação entre essas partículas alteram a capacidade interna do fluxo em resistir ao movimento (reologia) ao longo do tempo e do espaço, capacidade representada pela viscosidade da suspensão de mistura. Assim, propomos estudar as propriedades reológicas dessas misturas e calcular sua viscosidade relativa utilizada na simulação física de correntes de turbidez. Foram realizados testes reológicos com várias misturas compostas por água, argila e/ou carvão. Duas equações são propostas para estimar a viscosidade relativa em função da concentração volumétrica de cada sedimento, a fração máxima de empacotamento e a porcentagem de argila presente na mistura. Os resultados também mostram um erro próximo a 20% na comparação de modelos semelhantes na literatura, o que é satisfatório. Os resultados também demonstraram a necessidade de cautela ao generalizar o uso de um único modelo para prever a viscosidade relativa das suspensões. A influência da densidade (ρ), formato do grão, porcentagem de argila (Cclay), concentração volumétrica (φ) e fração máxima de embalagem (φmax) devem ser considerados na formulação das equações.