Investigação numérico-experimental da influência de efeitos de inércia em escoamentos de fluidos viscoplásticos modelados como ruptura de barragem - Sáo, Yuri Taglieri (2021)
A modelagem de escoamentos de fluidos viscoplásticos como rupturas de barragens (dam-breaks) possui grande importância em aplicações industriais e no estudo de desastres naturais, seja como técnica alternativa para inferir parâmetros reológicos, seja como modelo simplificado da hidrodinâmica resultante de movimentos gravitacionais de massa. A literatura tem estudado os escoamentos dam-breaks em geometrias simplificadas, visando obter leis de evolução da frente viscoplástica através de abordagens analíticas, experimentais e numéricas. No entanto, os estudos realizados trazem lacunas a respeito da consideração da influência de efeitos de inércia (existentes durante a liberação do material represado) no escoamento produzido, tanto na fase transiente quanto no estado final (fase permanente). Tais efeitos dependem da reologia do fluido, das condições geométricas iniciais e do mecanismo de liberação do fluido represado, podendo vir a influenciar significativamente o escoamento. Nessa direção, o presente trabalho visa investigar numérico-experimentalmente a influência do efeito de inércia em dois escoamentos dam-break clássicos: o ensaio do abatimento de tronco de cone, ou slump test, e o escoamento em canal retangular e horizontal devido ao levantamento de uma comporta. Na vertente numérica, utiliza-se o método dos volumes finitos através do software ANSYS Fluent 14.5, define-se um protocolo de testes de sensibilidade para determinação de incertezas numéricas, e apresenta-se um estudo detalhado da adequabilidade de métodos de regularização da viscosidade aparente através da confrontação numérico-analítica do escoamento Hagen-Poiseuille com fluidos viscoplásticos, o que permite o prosseguimento da análise numérica dos casos estudados neste trabalho. Na vertente experimental, os ensaios de ambos os casos foram executados utilizando-se o fluido-teste gel de carbopol em diferentes concentrações. Os ensaios de slump test foram feitos utilizando um aparato automatizado de slump test, o qual reduz a influência de operadores e permite o controle da velocidade de levantamento do molde por meio de um sistema de levantamento pneumático e monitoramento da abatimento da amostra ao longo do tempo através de sensor à laser. Os ensaios em canal retangular foram realizados com velocidades de abertura da comporta controladas por meio de um sistema pneumático e os alcances da frente e profundidades em pontos fixos foram monitorados por filmagens e sensores de nível ultrassônicos, respectivamente. Através da confrontação numérico-experimental, concluiu-se que simulações do slump test são modeladas adequadamente somente se a velocidade de levantamento do molde for implementada, devido à significativa influência do efeito de inércia em escoamentos com alta razão de aspecto e/ou baixa tensão limite de escoamento adimensional. Essa influência é confirmada pelos ensaios experimentais do escoamento dam-break em canal retangular e horizontal e respectivas simulações numéricas, variando-se a razão de aspecto, tensão limite de escoamento e velocidade de abertura da comporta.