Márcia Maria Guimarães
Título
Estudo do Movimento de Partículas de Sedimentos Finos nos Escoamentos com Superfície Livre com Transferências Verticais
Resumo
Esta dissertação aborda o movimento em suspensão de sedimentos finos e poluentes em escoamentos com superfície livre. Apresenta o desenvolvimento de modelos numéricos uni e bidimensionais, soluções aproximadas das equações diferenciais de uma mistura bifásica de líquido e sedimentos ou de poluentes em escoamentos com superfície livre. Dois tipos de movimentos são considerados: (i) de uma mistura cujo comportamento seja idêntico ao da fase líquida, (ii) de uma mistura de partículas finas que podem se decantar, e, eventualmente se depositar sobre o leito do escoamento. Um cuidado especial foi dedicado à compreensão dos processos físicos para o desenvolvimento das equações dos modelos matemáticos e numéricos. Assim, destaques são dados ao transporte, a dispersão, à decantação e à interação entre os sedimentos do leito e da suspensão. Para a calibração e validação dos modelos foram utilizados dados de experiências realizadas em canais de laboratório, por SAYRE e CHANG na Universidade do Estado de Colorado e por WILSON-JR, no Laboratório Central de Hidráulica da França - LCHF. Entre as conclusões obtidas dos estudos unidimensionais, verificou-se que os valores do coeficiente de dispersão mostraram uma dependência do tempo de trânsito e/ou da distância entre as seções de imersão e de medição. Para a análise dos resultados bidimensionais, foi elaborada uma metodologia baseada em quatro etapas originais, onde se admitiu que os valores constantes das taxas mássicas de passagem do sedimento radioativo através das seções de medidas, em diferentes níveis de profundidade, são proporcionais aos valores do coeficiente de difusão vertical nesses mesmos níveis. Da análise dos resultados do LCHF, concluiu-se que a metodologia é adequada para o estudo do movimento de partículas de sedimentos finos e poluentes em suspensão nos escoamentos com superfície livre.
Abstract
This dissertation is concerned with the fine sediment particles and pollutants movements in open flows. Two types of movements are considered: (i) of a mixture whose behavior is identical to that of the liquid phase, (ii) of a mixture of fine particles that are able to settle, and, eventually, deposit on the bed. One and bi dimensional numerical models are presented, which are approximate solutions of the biphasic mixture differential equations. Special attention was given to understand the physical process and developing the mathematical and numerical models. This meant to consider the transport, dispersion, settling, and bed and suspended sediment interactions phenomena. To calibrate and validate the models, laboratory experimental data were used, mainly from the Colorado State University experiments carried out by SAYRE and CHANG, and from WILSON-JR’s experiments realized at the French Hydraulic Central Laboratory - LCHF. One-dimensional studies showed that the dispersion coefficients and the mean particle transport velocities vary with the transit time or with the longitudinal distance between the detection and immersion sections. To analyze the bi-dimensional experimental data, a methodology based on four original steps were conceived, considering the hypothesis that a mass constant rate of radioactive sediment movement across a section, in a depth level, is proportional to the sediment vertical diffusion coefficient at that level. From the LCHF’s data analysis, it was concluded, that the methodology was adequate and recommended for studying the suspended fine sediment particles and contaminants movements in open flows.
