Análise comparativa entre correntes de densidade e jatos

Abstract

Buscando compreender melhor os fenômenos envolvidos na geração de correntes de turbidez hiperpicnais e hipopicnais, o presente trabalho abordou o tema apresentando uma análise comparativa com tipos de jatos e plumas. As análises realizadas foram quanto às características geométricas (espessura da corrente), dinâmicas (velocidade), concentração e fluxos (volumétrico, de quantidade de movimento e oriundo da diferença de massas específicas). Através de modelagem física, foram realizados experimentos, majoritariamente, em ambiente salino, contudo, também utilizou-se ambiente de água pura. Os ensaios foram realizados nas instalações do laboratório NECOD, utilizando um canal de aço e vidro, medindo 1540 cm de comprimento, 40 cm de largura (dividido em duas partes de 20 cm, sendo utilizada somente uma delas) e 100 cm de profundidade. O material utilizado para a geração das correntes foi composto por uma mistura de água e carvão mineral do tipo Cardiff 205, tendo a sua massa específica variando entre 1012 kg/m³ e 1033 kg/m³. Já o fluido ambiente foi composto por água e uma mistura de água e sal, tendo a sua massa específica entre 996 kg/m³ e 1024 kg/m³. Seis seções ao longo do canal foram monitoradas, a 12,5 cm, 50 cm, 110 cm, 315 cm, 520 cm e 720 cm do início do fluxo. Em cada uma, registros visuais possibilitaram a avaliação das espessuras das correntes, enquanto sondas ADV possibilitaram a obtenção das velocidades longitudinais. Em seis ensaios, houveram coletas do material em transporte pela corrente, possibilitando analisar as suas concentrações. Pôde-se também registrar a transição entre correntes hiperpicnais e hipopicnais, notando-se uma relação entre o ponto de desprendimento e a diferença entre as massas específicas do fluido ambiente e do fluido injetado no canal. Sobre a espessura das correntes hiperpicnais, observou-se que elas não apresentaram um crescimento constante, como em casos de jatos de parede, e os seus valores foram menores. O decaimento das velocidades das correntes foi analisado em relação às suas origens real e virtual. No primeiro caso, o decréscimo das correntes foi mais suave e não tão definido, quanto o caso de jatos de paredes. Para o segundo, a sua evolução não foi linear, como esperado, além de apresentarem números de Reynolds iniciais diferentes dos esperados. A relação de decaimento do fluxo de quantidade de movimento inicial apresentou uma relação semelhante a jatos, porém, em uma ordem de grandeza maior. Já o crescimento do fluxo oriundo da diferença de massas específicas não mostra-se tão linear, quanto jatos, e com valores superiores. Visto as diferenças entre esses dois fluxos, não se pôde classificar as correntes hiperpicnais e hipopicnais como jatos. Analisou-se a diluição adimensional, a qual não apresentou um comportamento homogêneo, como em jatos e plumas, porém, os seus valores se aproximaram mais de plumas, quanto à ordem de grandeza. Por fim, considera-se que jatos apresentam a quantidade de movimento constante, enquanto plumas apresentam o fluxo oriundo da diferença de massas específicas constante. Para o caso de correntes hiperpicnais e hipopicnais, nenhum dos dois comportamentos foi observado. Ambos apresentaram-se de forma não definida. Através das análises realizadas neste trabalho, notou-se que as correntes de densidade geradas em laboratório não podem ser relacionadas diretamente com jatos e plumas, sendo fenômenos distintos. Contudo, a quantidade de movimento inicial e a diluição adimensional apresentam comportamentos característicos para as correntes, merecendo maiores atenções em trabalhos futuros. Por último, pôde-se observar um comportamento padrão para o desprendimento das correntes, passando de hiperpicnal para hipopicnal.

Searching for a better understanding of the phenomenon involved in the generation of hyperpycnal and hypopycnal density current, the currently work shows an analysis comparing it with different kinds of jets and plumes. The analyses were about geometric (thickness), dynamic (velocity), concentration and flux (volumetric, momentum and buoyancy). Using physical modeling, it was made experiments using salt water (in the majority) and fresh water. The experiments were made in the facilities of NECOD lab, using a steel and glass flume measuring 1540 cm long, 40 cm wide (divided into two parts of 20 cm, which only one of this was used) and 110 cm deep. The material used to create the current was a mix between fresh water and mineral coal Cardiff 205, with its density between 1012 kg/m³ and 1033 kg/m³. The ambient fluid was composed of fresh water, for the majority of the experiments, and salt water, with the density between 996 kg/m³ and 1024 kg/m³. Six section along the channel were analyses: 12.5 cm, 50 cm, 110 cm, 315 cm, 520 cm and 720 cm from the flux source. Each one had a visual register, to measure the geometry, and an ADV probe, to measure its longitudinal velocity. In six experiments it was collected material to analyze the flow concentration. Analyzing the transition from hyperpycnal flow to hypopycnal flow, it could be noticed a linear relation between the detachment point and the difference of density in the ambient fluid and the initial injected flow. About the thickness of the hyperpycnal flows, it was observed a non constant growth, as it happens in wall jets case, as well as lower heights. The decrease of the current velocity was analyzed against the distance from the real and virtual source of it. In the first case, the decrease was smother and not well defined as in wall jets. For the second case, the evolution was non linear, as it was expected, and it present lower initial Reynolds numbers from what was expected. The decrease of the initial momentum flux shows a similar relation to jets, but in a higher greatness. In the other hand, the growth of the buoyancy flux was non linear and bigger than those in the jets. Thus, it was not possible to classify hyperpycnal and hypopycnal flows as jets. Analyzing the dimensionless dilution, it didn’t show a homogeneous behavior as in jets and plumes. But its values got closer to the plumes greatness. Bring to an end, jets are considered to have a constant momentum, while plumes have constant buoyancy. For hyperpycnal and hypopycnal flow none of those behaviors were observed. There both had an undefined behavior. Using the analysis of the currently work, it was noticed that the density currents produced in laboratory cannot be related to plumes and jets. Both are different phenomenon. However, the initial momentum and the dimensionless dilution show a characteristic behavior, needing to be more analyzes in futures works. Finally, it could be observed a standard behavior between the density differences and the detachment points.