Estudo da dinâmica de correntes de turbidez em sistemas canal-bacia por simulação numérica em diferenças finitas de segunda ordem

Abstract

As correntes de densidade são fluxos que se manifestam devido à diferença de energia potencial, resultante da variação de massa específica entre misturas. Para o caso das correntes de turbidez, esta diferença é oriunda da presença de baixas concentrações de partículas que se encontram suspensas devido à ação da turbulência do escoamento. Uma das abordagens utilizadas para a modelagem deste processo é a numérica, cuja aplicação se baseia na resolução do conjunto de equações diferenciais parciais que descrevem as suas leis físicas governantes. O estudo da dinâmica deste fenômeno é essencial para o entendimento de mecanismos de transporte e deposição de partículas responsáveis pela formação de depósitos sedimentares turbidíticos. O objetivo deste trabalho é indicar padrões deposicionais de correntes de turbidez geradas em configuração de canal-bacia, a qual busca simular a propagação da corrente em um domínio que possibilita o fluxo nas três componentes cartesianas, utilizando uma abordagem numérica de segunda ordem de precisão. Para isso, utilizou-se o código SuLi, que resolve as Equações da Continuidade, Navier-Stokes e Advecção-Difusão. Foi implementado um novo esquema em diferenças finitas para resolver a Equação de Advecção-Difusão, onde as derivadas do termo temporal e do termo Advectivo foram calculadas utilizando aproximações de segunda ordem de precisão. Para isso, utilizou-se o código SuLi, que resolve as Equações da Continuidade, Navier-Stokes e Advecção-Difusão. Foi implementado um novo esquema em diferenças finitas para resolver a Equação de Advecção-Difusão, onde as derivadas do termo temporal e do termo Advectivo foram calculadas utilizando aproximações de segunda ordem de precisão. A validação do código foi realizada considerando resultados de outros autores, para os casos de lock-release e alimentação contínua, obtidos através de experimentos numéricos e físicos. O esquema numérico implementado foi capaz de representar corretamente a dinâmica de propagação de correntes de turbidez para as condições consideradas. Os resultados evidenciaram que variações dos valores de diâmetro de partícula afetam a dinâmica do fenômeno, governando o espalhamento de sedimento e os padrões de depósitos. Correntes formadas por maiores concentrações de sedimento, e menores diâmetros de partículas tendem a gerar estruturas deposicionais mais definidas.

Density currents manifest themselves as flows that occur due to the difference of potential energy, arising from the variation of specific mass between mixtures. In the case of turbidity currents, this difference results from the presence of low concentrations of particles, suspended due to the action of turbulence. Numerical modeling is one of the most currently used tools for the study of this type of process, whose application is based on solving the set of partial differential equations that describe its governing physical laws. The study of the dynamics of this phenomenon is essential for understanding the mechanisms of transport and deposition of particles responsible for the formation of turbidite sedimentary deposits. The objective of this work is to indicate depositional patterns of turbidity currents generated in a channel-basin configuration, which seeks to simulate the propagation of the current in a domain that allows the flow in the three Cartesian components, through a second order numerical approach. In this work it was adapted the code SuLi, which solves through the finite difference method, the Continuity, Navier-Stokes and the Advection-Diffusion equations. A new scheme was implemented to solve the Advection-Diffusion equation, where the derivatives of the temporal and Advective terms were approximated using second-order finite difference approximations. The model was validated through other authors’ results of lock-release and constant-flux input-formed turbidity currents, obtained through numerical and physical experiments. The implemented numerical scheme was able to correctly represent the dynamics of propagation of turbidity currents for the considered conditions. Currents of higher sediment concentrations and smaller particle diameters tend to generate more explicit depositional structures.