Estudo dos mecanismos de fluidização de areias com jatos de água

Abstract

A fluidização é definida como a suspensão de partículas de um solo granular devido à ação de um fluxo ascendente, que cria uma força de arrasto suficiente para suportar o peso próprio das partículas, produzindo uma zona fluidizada. Neste trabalho são discutidos os mecanismos e os conceitos envolvidos na fluidização de solos arenosos com a utilização de jatos de água, que futuramente podem ser associados a novas tecnologias de instalação de ancoragens de plataformas de petróleo offshore. O estudo foi baseado em ensaios realizados em câmaras de calibração retangulares, com paredes em acrílico, preenchidas com areias de granulometria distintas, compactadas com densidade relativa de 50% e 100%. O sistema de jateamento consiste basicamente em uma bomba centrífuga que succiona a água armazenada em um reservatório e a conduz, através de um circuito hidráulico, à extremidade de tubos metálicos verticais, responsáveis pelo jateamento de água. Foram utilizados tubos com diferentes diâmetros e diversas velocidades de saída do jato. Iniciado o jateamento, tem-se a formação de um leito fluidizado, com formato côncavo e interface bem definida com a zona não fluidizada. O jato de água penetra certa profundidade no interior do leito fluidizado até ser defletido, no sentido ascendente, carregando partículas de areia que são depositadas ao redor da zona fluidizada. Após a formação de uma geometria fluidizada máxima, os tubos são reposicionados em uma nova profundidade. A fluidização ao longo da profundidade apresenta comportamento definido, com uma geometria inicialmente estável, que alcança uma condição de instabilidade em determinada profundidade, até sofrer sucessivos fechamentos, formando uma cavidade submersa fluidizada. Esta cavidade diminui de tamanho com o aumento da profundidade e a fluidização do solo deixa de ocorrer para certa profundidade de saída do jato. Os parâmetros principais que comandam a geometria da zona fluidizada aberta são a velocidade de saída e o diâmetro do jato, em conjunto com o tamanho das partículas do solo. Não foi observada influência da densidade relativa de compactação da areia na geometria fluidizada final. As dimensões geométricas são função do número densimétrico de Froude, cujo emprego permite a determinação de equações empíricas que descrevem o comportamento da geometria fluidizada aberta. O conjunto de ensaios de laboratório possibilitou determinar os parâmetros de controle dos mecanismos de fluidização em areias e a influência destes parâmetros no comportamento do solo fluidizado.

Fluidisation occurs when a granular soil is subjected to an upward fluid flow which creates a drag force sufficient to support the weight of the particles, producing a fluidised zone. In the present work a discussion is made on the mechanisms and concepts controlling the fluidised process produced by upflow washing in granular materials, aiming at the installation of offshore platform anchors. The study was carried out in laboratory rectangular calibration chambers filled with sand at relative densities ranging from 50% to 100%. The upflow washing was produced by a centrifuge pump that sucks water from a reservoir and conducts the water through a hydraulic system to the extremity of a vertical metalic tube, producing the water jet flow. Tubes with different diameters and fluid velocities have been used. The mechanism initiates with the formation of an open fluidised zone having a characteristic shape and distinct boundaries. The fluid penetrates up to a given depth and is deflected towards the surface. Once a stabilized zone is produced, the jet is lowered to another depth and the process is repeated. The shape of the fluidised zone changes with increasing jet depth from an open and stable approximately ellipsoidal form to an unstable spouted profile, and then to a submerged fluidised cavity. The shape of the cavity reduces with increasing depth. Parameters controlling the geometry of an open fluidised zone are fluid velocity and inside diameter of jet, together with diameter soil particles. There has been no influence of relative density in the geometry of the fluidised zone. In fact, this geometry is expressed by densimetric Froude number. The present work was usefull in demonstrating the parameters controlling fluidisation by upflow washing.