Caracterização física de correntes de densidade em ambientes salinos sob diferentes contrastes de densidade

Abstract

O presente trabalho tem como principal objetivo determinar, através de simulações físicas de correntes de densidade, quais concentrações de sedimentos são capazes de formar correntes do tipo hiperpicnal em ambientes com diferentes concentrações salinas. Tem também como objetivo o desenvolvimento de uma metodologia experimental que permita a realização de ensaios dentro de um determinado padrão de uniformidade, de modo a facilitar a comparação entre os resultados. O trabalho foi desenvolvido junto ao Núcleo de Estudos em Correntes de Densidades (NECOD), que, desde meados do ano 2000, desenvolve pesquisas através de simulações físicas de correntes de densidade. Ao todo, foram simuladas 28 correntes, com diferentes contrastes de densidades entre o fluxo e o fluido ambiente, em um canal experimental unidirecional de pequeno porte. Todas as simulações foram registradas com câmeras filmadoras digitais, cujas imagens permitiram caracterizar os tipos de correntes formadas e também os valores para parâmetros característicos de cada uma delas. Para 16 experimentos, além de análises visuais das correntes, foram também feitas avaliações dos depósitos gerados. Os dados mostram que, mesmo se injetando uma mistura de menor densidade que o fluido ambiente, é possível gerar correntes do tipo hiperpicnal. Para tentar compreender como uma mistura com densidade menor que o fluido ambiente conseguiu formar correntes do tipo hiperpicnal, foi empregada uma técnica para visualizar o escape de fluido intersticial das correntes. Através da utilização de um corante solúvel em água, foi registrada, por câmera de vídeo, a saída da água pigmentada do interior do corpo da corrente. Esta pode ser, efetivamente, a melhor explicação para justificar a formação das correntes hiperpicnais mesmo com contrastes de densidades não favoráveis para tanto. Outro resultado obtido nos experimentos é que, para uma mesma concentração de mistura de sedimentos, partículas de menor diâmetro conseguem manter por mais tempo a integridade do corpo da corrente, enquanto que partículas de maior diâmetro não conseguem manter a forma da corrente. A explicação encontrada para tal acontecimento é que, quando são utilizadas partículas de menor diâmetro, há em suspensão um maior número delas e, também, a distância entre as partículas é menor, aumentando, assim, a interação entre elas. As forças de interação entre as partículas são proporcionais à tensão de cisalhamento, o que auxilia na manutenção das partículas em suspensão.

The present work is aim to determine through physical modeling which sediment concentrations are needed to generate hyperpycnal flows in the case of a density current entering a saline ambient. The study also aims at developing an experimental methodology to allow procedures to be conducted within certain standards, in order to make easier the comparison of results acquired by different researchers. The study was conducted at the Núcleo de Estudos em Correntes de Densidades (NECOD), where studies with physical modeling of density currents are being carried out since mid-2000. A total of 28 density currents were simulated with different density contrasts between the flow and the ambient fluid, all of them carried out in a small unidirectional flume. All experiments were recorded with digital video cameras, in order to classify the flows and to establish characteristic parameters from them. In addition to the visual analysis of the density flows, the sediment deposits of 16 experiments were also evaluated. The data indicate that it was possible to generate hyperpycnal flows even with negative density difference, i.e. currents with lower density than the ambient. To investigate this unexpected result, a soluble dye was mixed with the current to visualize the escape of interstitial water from the current to the ambient. The escape of interstitial fluid from the density current is, effectively, the best explanation to the formation of hyperpycnal currents even in negative density contrasts. Another result obtained was that density currents composed by finer sediment keep their body shape stable, while currents with the same sediment concentration composed by coarser sediment not sustain their body profile. This is explained by the increasing of interaction between the particles, i.e. in the case of a current composed of finer grains it will increase the number of particles and decrease the distance between them. Also, the interacting forces are proportional to the shear stress, which helps to keep the particles in suspension.