Padrões de escoamento de fluido de mistura água-sedimentos em lâmina de pouca espessura - Zegarra Tarqui, Jorge Luis (2001)
O presente trabalho visou estabelecer uma metodologia de avaliação dos padrões de escoamento de fluidos de mistura água-sedimento em lâminas de pouca espessura. Neste estudo foram estabelecidas hipóteses que consideram que as características do sedimento (massa específica e textura) e a composição mineralógica do sedimento afetam as propriedades reológicas do fluido de mistura, assim como a capacidade de transporte de sedimento grosso em suspensão (mudança na velocidade de queda de sedimentos dentro do fluido de mistura), tendo efeito direto sobre as características dinâmicas do escoamento (perfil de velocidade). Os sedimentos analisados foram obtidos de três tipos de solos do estado do Rio Grande do Sul: Brunizém Vertico (Bv), Terra Roxa (Tr) e Vertissolo (V). O critério de escolha destes solos foi a diferenciação entre as características de textura e mineralogia. O desenvolvimento desta pesquisa foi dividida em várias etapas: caracterização do sedimento empregado, determinação das propriedades reológicas dos fluidos de mistura de água- sedimento fino, cálculo da velocidade de queda de sedimentos grosso em um fluido de mistura água-material fino e a determinação dos perfis de velocidades e concentrações em um escoamento com sedimento em suspensão. Para a realização deste trabalho foi necessário o desenvolvimento de equipamentos de medição da velocidade de queda, de medição do perfil de velocidades e concentrações. O primeiro equipamento construído foi da medição da velocidade de queda e é similar ao desenvolvido por pesquisadores da Universidade de Griffith, o qual é denominado tubo de Griffith. O equipamento para medição do perfil de velocidade é constituído por uma sonda de Pitot conectado a um piezômetro inclinado. O sistema de amostragem de sedimentos é composto por uma sonda tipo Pitot, cujo funcionamento é garantido por sifonamento. As propriedades reológicas das amostras de fluido de água-material fino para os três tipos de solo (Bv, Tr e V) mostraram que as amostras do solo Bv apresentaram erros de medição devido à natureza siltosa do solo. Com o aumento da concentração, foi observado um aumento da viscosidade, sendo este incremento mais predominante nas amostras do solo V (esmectitico) em relação às amostras do solo Tr (caulinítico). As velocidades de queda de material grosso (classes areia média, areia fina e areia muito fina) calculadas em água limpa apresentaram diferenças consideráveis em relação às velocidades calculadas teoricamente. O cálculo da velocidade de queda de material grosso dentro de um fluido de mistura água-material fino ficou restrito à classe da areia média. O sistema de medição do perfil de velocidades permitiu obter coeficientes de Von Karman (k) - ajustes da equação da “lei da parede” ou dos “déficits da velocidade”- similares aos encontrados na literatura para água limpa. Ao se avaliar o perfil de velocidades para escoamentos com sedimento em suspensão, em uma análise que considerou a característica do sedimento, observou-se que solos com textura arenosa (solo Bv) apresentam um coeficiente k que decresce com o aumento da concentração. Este comportamento é similar ao observado por Wang e Plate (1994) e outros. Nos escoamentos correspondentes aos solos Tr e V (argilosos) foi observado um comportamento contrário a do solo Bv: o valor de k sofreu acréscimo com o aumento da concentração. Fisicamente, uma diminuição do valor k com o aumento da concentração (solo Bv) significará um aumento da declividade do perfil de velocidade (expressos nos termos de u/u* e yu*/v). Na ocorrência de acréscimo no valor de k com o aumento da concentração ocorre uma diminuição da declividade do perfil de velocidade. Numa análise que considera a minerologia do sedimento, foi possível observar que os valores de k, solos esmectiticos (V), apresentaram maior suscetibilidade ao aumento concentração que os solos caulititico (Tr). Este resultado coincide com o observado nas propriedades reológicas. Estes resultados permitiram concluir que existe evidência da mudança dos padrões de escoamento (perfil de velocidade) devido à ação de sedimento em suspensão é mais predominante em solos do tipo esmectitico que em solo cauliniticos. Sedimentos em suspensão (solo Bv) com textura arenosa originaram um comportamento de perfil de velocidade contrário ao observado em perfis de velocidade de sedimentos de solos argilosos (Tr e V). Não foi possível determinar o perfil de concentrações devido a problemas originados pela pouca espessura da lâmina do escoamento, impossibilitando um análise mais detalhada do sedimento em suspensão. A mesma impossibilidade ocorreu para a análise do efeito do sedimento fino no transporte de material grosso em suspensão.