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.

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.

A interação proporcionada pela passagem de correntes sobre leitos móveis pode resultar na gênese das formas de leito, geralmente encontradas em ambientes subaéreos, rios, lagos, reservatórios e ambientes submarinos. Essas últimas podem ser geradas por correntes de densidade, definidas como fluxos gravitacionais cujo movimento é regido pela diferença de densidade entre o fluxo e o fluido ambiente. Com o intuito de compreender a geração das formas de fundo por correntes de densidade, foram realizados 29 experimentos, nos quais cerca de 4000 litros de uma corrente salina eram injetados em um canal de acrílico de 18 m de comprimento, 0,2 m de largura e 0,5 m de altura, de declividade variável, submerso em um canal maior, preenchido por água. Realizaram-se medições de vazão, velocidade e concentração, além do registro fotográfico da alteração do leito, durante a passagem da corrente e após o término do experimento e esvaziamento do tanque. O's resultados mostraram perfis de velocidade e concentração típicos de correntes de densidade. Além disso, algumas correlações foram encontradas, como a diminuição da altura da velocidade máxima em relação ao leito e aumento da velocidade média, com consequente diminuição da espessura da corrente, devido ao aumento da concentração e/ou inclinação do canal. A ocorrência das formas de fundo se mostrou mais comum para altos valores de vazão e de concentração da corrente de densidade, influenciando diretamente o valor do número de Froude densimétrico (Frd). As correntes reproduziram 8 escoamentos de regime subcrítico e 21 supercríticos, com Frd entre 0,5 e 2,2. As formas geradas foram classificadas conforma a presença de sedimentos em suspenção durante a sua geração e, também, em relação aos valores das tensões de cisalhamento aplicadas pela corrente junto ao leito, resultando na geração de formas de leito plano inferior, ondulações e dunas. As dunas e também, em alguns ensaios, as ondulações, foram observadas em condições supercríticas de escoamento, cenário hidráulico de geração não previsto por modelos fluviais de formas de fundo. Sendo assim, esse estudo evidenciou a existência de diferenças na geração e, consequentemente, na abordagem de classificação das formas de fundo por correntes de densidade, em relação àquelas geradas por escoamentos fluviais. Conclui-se, também, que a metodologia e os equipamentos empregados nesse estudo são adequados para reproduzir a geração de formas de leito por correntes de densidade, e para obter dados caracterizadores das correntes e do leito móvel, aperfeiçoamento do entendimento dos processos envolvidos nesse fenômeno. / Bedforms are sedimentary features generated by the interaction between flow and mobile beds and are observed in subaerial settings, rivers, lakes and in submarine environments. In most cases, bedforms found in submarine settings are generated by density currents, defined as gravitational flows whose movement is governed by the density difference between the current and the environment fluid. This study aimed to improve the knowledge on bedforms generated by density currents in comparison to the fluvial ones. Therefore, we report results from 29 experiments on saline density currentes running over different mobile beds, in an 18-m long and 0.20-m wide acrylic flume submerged in a large fresh water tank. Discharge, velocity (velocity profiler) and concentration (siphons and hydrometer) of the currents were measured during the esperiments, as well as image sequences of the bed modification. After each experiment, the flume was drained and top view pictures were also taken. Results have showed classical velocity and concentration profiles for density currents. In addition, some correlations were identified, such as the decrease of the velocity peak height and increase in the mean velocity (with consequent reduction of the current thickness), due to an increase of the concentration and/or flume slope. The occurrence of bedforms was more likely for high discharge and concentration rates of current density, which directly influence the densimetric Froude Number (Frd). The experiments generated 8 subcritical and 21 supercritical currents, with Frd betwwen 0.5 and 2.2. The bedforms were classified according to the presence of sediments during its generation and in relation to the shear stresses values applied by the current to the bed, resulting in the generation of lower plane bed of ripples and dunes. Dunes and ripples were observed in supercritical flow conditions, which is a hydraulic scenario of bedform generation not provided by fluvial models. Thus, this study demonstrated the existence of differences en generation and, consequently, the classification approach of the background shapes for current density, compared to those generated by river flows. In conclusion, this study showed that the methodogy and equipment used are suitable to reproduce the bedform generation by density currents, and to obtain density currente and moving bed characterizing data, improving the understanding of the processes involved in this phenomenon.

Este estudo propõe-se a analisar um conjunto de dados de simulações físicas de correntes de turbidez, a fim de parametrizá-los, identificando similaridades e tendências. Estes experimentos foram realizados pelo Núcleo de Estudos de Correntes de Densidade (NECOD), num total de 122 ensaios simulados em três modelos físicos semelhantes: dois canais unidirecionais com comprimento de 3,0 e 7,0 m, e outro tanque formado por um canal que deságua em uma cuba, com comprimento total de 13,85 m. O banco de dados foi composto pelas características hidrodinâmicas de entrada e de saída, utilizando dados médios, tanto na vertical, quanto na horizontal. Para que os objetivos fossem alcançados, utilizaram-se diferentes ferramentas a fim de realizar a consolidação dos dados: análise dimensional, normalização das equações e regressão múltipla de lei de potência nominal. Além disso, para comprovar a extrapolação das leis de semelhança obtidas pela aplicação da análise dimensional, uniram-se à base de dados 54 ensaios provindos de três estudos anteriores (Michon et al., 1955; Garcia, 1985; Altinakar, 1988). A partir das tendências apresentadas pelas relações entre os conjuntos adimensionais obtidos pela análise dimensional, pôde-se concluir que: a dinâmica da região da cabeça da corrente é menos suscetível às mudanças de condições experimentais, portanto, apresenta maior similaridade do que o corpo; e o regime transitório da vazão injetada nos experimentos iniciados por pulso não pode ser aproximado pelo regime permanente daqueles iniciados por fluxo contínuo. Encontraram-se evidências que apontam que os índices de turbulência são maiores com correntes compostas por sedimentos que apresentam menor velocidade de queda, as quais também apresentam maiores valores de velocidade de propagação. Os conjuntos adimensionais que melhor caracterizam as correntes de turbidez são o número de Reynolds e o número de Froude. Alguns resultados também foram confirmados pela extrapolação das tendências aos trabalhos anteriores, tal como uma tendência polinomial com pequena dispersão obtida pela relação entre os parâmetros mais importantes da dinâmica da corrente: a fração volumétrica de sedimento (φ) e o diâmetro do sedimento (dm). Além disso, ficou evidente a atenuação dos efeitos turbulentos do escoamento em modelos com pequena largura; e que a relação entre as forças de inércia e de empuxo pode ser utilizada para avaliar a permanência da homogeneidade do fluxo (distribuição da concentração) ao longo do canal. Pela aplicação da normalização das equações governantes pode-se afirmar que ao definir os parâmetros dinâmicos através da adoção de valores médios ficou impossibilitada a avaliação dos coeficientes empíricos e, conseqüentemente, não permitiu sua satisfatória aplicação. Através do uso de regressão não-linear múltipla, foram obtidas leis que correlacionaram variáveis dependentes (velocidade, espessuras características) com parâmetros de entrada (características do sedimento, da mistura e da injeção). A partir dos resultados ficou evidente que as variáveis mais sensíveis na definição destas leis são: a vazão, a concentração volumétrica e as propriedades físicas da misturas (massa específica, ou viscosidade). / This work aims to associate the data of turbidity currents laboratory experiments in order to identify possible trends and convergence points between them. These experiments were carried out in three distinct scales of simulation and diverse setups (e.g. flow type and mechanism of ignition). The database was processed and correlated using dimensional analysis, normalization of the governing equations and multiple regression models of monomial power law. At total, its were examined the data of 122 experiments, in terms of dynamic vertical and horizontal mean values, which were simulated in three different physical models: a confined small tank with 3.0 m long x 0.12 m wide and 0.2 m deep; a confined tank with 7.0 m x 0.4 m x 1.0 m; and a unconfined three-dimensional large tank with more than 13.0 m long. Beyond that, its were incorporated 54 experiments from three previous studies found in bibliography (Michon et al., 1995; Garcia, 1985; Altinakar, 1988) to validate dimensional analysis similarity laws. By the analysis of the trends obtained by relations with the non-dimensional groups, it was verified that the dynamics of the current head is less susceptible to changes in the experimental conditions, presenting more similarity than the current body. It was also found evidences that the flow rate generated in lock-box experiments can not be approximated by steady state behavior of flow rate injected in continuous flow experiments. Yet, it was noticed that currents composed by sediments with lower fall velocity show higher turbulent energy and flow velocity values. Moreover, the non-dimensional groups that better describe the dynamic of the turbidity currents were the Reynolds and densimetric Froude numbers. By comparison with previous studies it was possible confirm earlier trends obtained, for instance: a well fitted polynomial trend from the relation between the most significant dynamic parameters of the head of the turbidity current, the volumetric fraction (φ) and grain size (dm); it was also noticed that narrow tanks inhibits turbulent effects of the flow; and that the homogeneity of the flow (concentration distribution) along the length of the tank can be measured by the ratio between the inertial and buoyant forces. By the application of the normalization of the governing equations could be affirmed that the use of mean values to define the dynamics parameters not allowed the correct definition of coefficients and, consequently, its implementation. The multiple regressions models were employed to correlate the head velocity of flow and their geometrics properties (dependent parameters) with flow rate, sediment and mixture properties (independent parameters) in order to indicate what parameters are more significant. Based on that, the results demonstrate that dependent parameters are more susceptible to flow rate, volumetric concentration and viscosity of the mixture parameters.

Este estudo apresenta uma investigação experimental, através da simulação física de correntes de turbidez de baixa densidade, utilizando diferentes materiais (suspensos e dissolvidos), em diferentes proporções, com o intuito de avaliar seu comportamento geométrico (alturas de cabeça e corpo), dinâmico (velocidades de avanço da cabeça) e especialmente deposicional (distribuição granulométrica dos depósitos ao longo do canal), investigando também a capacidade de transporte dos fluxos. Além disso, foi testado o uso do sal em substituição às frações finas de sedimento na simulação de correntes de turbidez. As simulações foram realizadas nas dependências do NECOD, em um canal bidimensional de vidro, com dimensões 300 x 12,5 x 20 cm, utilizando na formação das correntes misturas com diferentes proporções de material dissolvido e/ou suspenso. Três fases de simulações foram conduzidas, cada uma com diferentes materiais compondo as misturas: a primeira composta por carvão 207 ( = 1360 kg/m³) e sal; a segunda composta por carvão 205 ( = 1190 kg/m³) e sal; e na terceira fase, misturas compostas por carvão 205 e bentonita. Cada uma destas misturas teve a massa específica composta por cinco diferentes proporções de material: 100% de carvão, 75%, 50%, 25%, 0%. Todas os ensaios tiveram a mesma massa específica (1010 kg/m³) do fluido injetado, o mesmo volume (4 litros) e a mesma vazão (6,5 litros/min). Além disso, o carvão utilizado para a composição das misturas seguiu a mesma curva granulométrica, ou seja, todas as composições tiveram a mesma granulometria. Fixando a massa específica, volume e vazão de injeção dos fluxos, foi possível analisar a influência das frações finas dos materiais que compunham as correntes de turbidez no que diz respeito à geometria, dinâmica e seus padrões de deposição. Na análise da geometria das correntes verificou-se que na medida em que mais material fino compõe o fluxo, menores são as dimensões das correntes de densidade, principalmente o corpo. No caso de correntes que têm na sua composição o sal, este desempenha papel semelhante ao material granular fino. Já nas características cinemáticas, verificou-se que quanto menor a granulometria do sedimento do fluxo, e conseqüentemente menor a velocidade de queda do mesmo, mais lenta é a sua deposição, fazendo com que a corrente desacelere mais lentamente. As correntes que utilizaram sal na sua composição foram as que mantiveram sua velocidade por distâncias maiores. Quanto aos padrões de deposição, o comportamento das correntes de turbidez geradas pelas diferentes misturas mostrou-se bastante semelhante. Os fluxos com sal dissolvido carregaram grãos mais grossos para distâncias um pouco maiores, entretanto esta diferença não chega a ser considerada significativa. Esse comportamento também é corroborado, quando se analisa a capacidade de transporte dos fluxos, que apresentaram pequenas diferenças para os dois tipos de fração fina avaliadas e quando foi ajustada a lei de degradação de tamanho de grão, que evidenciou uma pequena diferença na capacidade de transporte dos fluxos compostos por carvão/bentonita, e carvão/sal. Ainda, a comparação entre correntes de turbidez compostas por sal e diferentes tipos de carvão (com diferentes densidades) indica que, quantitativamente, os depósitos gerados pelos escoamentos formados por carvão menos denso (carvão 205) são melhores distribuídos ao longo do canal quando da presença de sal na composição da mistura. Os dados mostram que, para as correntes de baixa densidade geradas neste trabalho, é possível a substituição dos sedimentos finos por sal na simulação física de correntes de densidade, apesar das pequenas diferenças notadas nas características geométricas, dinâmicas e deposicionais. Esta substituição simplificaria as simulações físicas em escala reduzida destes fluxos, tanto na realização dos ensaios quanto na análise dos dados. / This work presents an experimental investigation of low-density turbidity currents using different proportion of suspended sediments (mineral coal and bentonite) and/or dissolved material (salt), in order to evaluate their kinematics (head velocity), geometric (head and body height) and depositional (mass and grain size distribution) behaviour as well as their capacity of transport. Beyond that, it was investigated the use of dissolved material (salt) replacing finer sediments in these flows. Hence, three sets of experiments were conducted in a bi-dimensional channel (300 x 12.5 x 20 cm) with five different sediment ratios (100% mineral coal; 75%; 50%; 25%; 0%). Three different mixtures are used in each set. Mineral coal 207 (r = 1360 kg/m³) and salt in the first one. Mineral coal 205 (r = 1190 kg/m³) and salt in the second set and then mineral coal 205 and bentonite. The bulk density (1010 kg/m³), flow rate (6.5 litre/min), grain size distribution and volume (4 litres) were kept constant in order to compare the sets. The results were evaluated regarding the flow-deposit properties. It was verified that as the finer sediment increases in the mixture, the current dimensions became thinner, especially at the body, and the flows decelerate less than the ones with coarse sediments. In terms of depositional patterns, it was detected same trends of deposition (thinning downstream) only with a slight modification of flow transport capacity for the flows contained dissolved salt (coarser grains reaching distal zones). The comparison between the first and second sets of experiments show that the deposit generated by the second set (mineral coal 205 of lower density) is better distributed along the channel only when there is salt dissolved in the mixture. The results presented here lead us to conclude that, despite the fact that there is some difference amongst the flow-deposit properties, it is possible to use salt replacing the finer portion of the sediments, which can cause a lot of simplifications of experimental procedures and further analysis as well.

A interação proporcionada pela passagem de correntes sobre leitos móveis pode resultar na gênese das formas de leito, geralmente encontradas em ambientes subaéreos, rios, lagos, reservatórios e ambientes submarinos. Essas últimas podem ser geradas por correntes de densidade, definidas como fluxos gravitacionais cujo movimento é regido pela diferença de densidade entre o fluxo e o fluido ambiente. Com o intuito de compreender a geração das formas de fundo por correntes de densidade, foram realizados 29 experimentos, nos quais cerca de 4000 litros de uma corrente salina eram injetados em um canal de acrílico de 18 m de comprimento, 0,2 m de largura e 0,5 m de altura, de declividade variável, submerso em um canal maior, preenchido por água. Realizaram-se medições de vazão, velocidade e concentração, além do registro fotográfico da alteração do leito, durante a passagem da corrente e após o término do experimento e esvaziamento do tanque. O's resultados mostraram perfis de velocidade e concentração típicos de correntes de densidade. Além disso, algumas correlações foram encontradas, como a diminuição da altura da velocidade máxima em relação ao leito e aumento da velocidade média, com consequente diminuição da espessura da corrente, devido ao aumento da concentração e/ou inclinação do canal. A ocorrência das formas de fundo se mostrou mais comum para altos valores de vazão e de concentração da corrente de densidade, influenciando diretamente o valor do número de Froude densimétrico (Frd). As correntes reproduziram 8 escoamentos de regime subcrítico e 21 supercríticos, com Frd entre 0,5 e 2,2. As formas geradas foram classificadas conforma a presença de sedimentos em suspenção durante a sua geração e, também, em relação aos valores das tensões de cisalhamento aplicadas pela corrente junto ao leito, resultando na geração de formas de leito plano inferior, ondulações e dunas. As dunas e também, em alguns ensaios, as ondulações, foram observadas em condições supercríticas de escoamento, cenário hidráulico de geração não previsto por modelos fluviais de formas de fundo. Sendo assim, esse estudo evidenciou a existência de diferenças na geração e, consequentemente, na abordagem de classificação das formas de fundo por correntes de densidade, em relação àquelas geradas por escoamentos fluviais. Conclui-se, também, que a metodologia e os equipamentos empregados nesse estudo são adequados para reproduzir a geração de formas de leito por correntes de densidade, e para obter dados caracterizadores das correntes e do leito móvel, aperfeiçoamento do entendimento dos processos envolvidos nesse fenômeno. / Bedforms are sedimentary features generated by the interaction between flow and mobile beds and are observed in subaerial settings, rivers, lakes and in submarine environments. In most cases, bedforms found in submarine settings are generated by density currents, defined as gravitational flows whose movement is governed by the density difference between the current and the environment fluid. This study aimed to improve the knowledge on bedforms generated by density currents in comparison to the fluvial ones. Therefore, we report results from 29 experiments on saline density currentes running over different mobile beds, in an 18-m long and 0.20-m wide acrylic flume submerged in a large fresh water tank. Discharge, velocity (velocity profiler) and concentration (siphons and hydrometer) of the currents were measured during the esperiments, as well as image sequences of the bed modification. After each experiment, the flume was drained and top view pictures were also taken. Results have showed classical velocity and concentration profiles for density currents. In addition, some correlations were identified, such as the decrease of the velocity peak height and increase in the mean velocity (with consequent reduction of the current thickness), due to an increase of the concentration and/or flume slope. The occurrence of bedforms was more likely for high discharge and concentration rates of current density, which directly influence the densimetric Froude Number (Frd). The experiments generated 8 subcritical and 21 supercritical currents, with Frd betwwen 0.5 and 2.2. The bedforms were classified according to the presence of sediments during its generation and in relation to the shear stresses values applied by the current to the bed, resulting in the generation of lower plane bed of ripples and dunes. Dunes and ripples were observed in supercritical flow conditions, which is a hydraulic scenario of bedform generation not provided by fluvial models. Thus, this study demonstrated the existence of differences en generation and, consequently, the classification approach of the background shapes for current density, compared to those generated by river flows. In conclusion, this study showed that the methodogy and equipment used are suitable to reproduce the bedform generation by density currents, and to obtain density currente and moving bed characterizing data, improving the understanding of the processes involved in this phenomenon.

Este estudo propõe-se a analisar um conjunto de dados de simulações físicas de correntes de turbidez, a fim de parametrizá-los, identificando similaridades e tendências. Estes experimentos foram realizados pelo Núcleo de Estudos de Correntes de Densidade (NECOD), num total de 122 ensaios simulados em três modelos físicos semelhantes: dois canais unidirecionais com comprimento de 3,0 e 7,0 m, e outro tanque formado por um canal que deságua em uma cuba, com comprimento total de 13,85 m. O banco de dados foi composto pelas características hidrodinâmicas de entrada e de saída, utilizando dados médios, tanto na vertical, quanto na horizontal. Para que os objetivos fossem alcançados, utilizaram-se diferentes ferramentas a fim de realizar a consolidação dos dados: análise dimensional, normalização das equações e regressão múltipla de lei de potência nominal. Além disso, para comprovar a extrapolação das leis de semelhança obtidas pela aplicação da análise dimensional, uniram-se à base de dados 54 ensaios provindos de três estudos anteriores (Michon et al., 1955; Garcia, 1985; Altinakar, 1988). A partir das tendências apresentadas pelas relações entre os conjuntos adimensionais obtidos pela análise dimensional, pôde-se concluir que: a dinâmica da região da cabeça da corrente é menos suscetível às mudanças de condições experimentais, portanto, apresenta maior similaridade do que o corpo; e o regime transitório da vazão injetada nos experimentos iniciados por pulso não pode ser aproximado pelo regime permanente daqueles iniciados por fluxo contínuo. Encontraram-se evidências que apontam que os índices de turbulência são maiores com correntes compostas por sedimentos que apresentam menor velocidade de queda, as quais também apresentam maiores valores de velocidade de propagação. Os conjuntos adimensionais que melhor caracterizam as correntes de turbidez são o número de Reynolds e o número de Froude. Alguns resultados também foram confirmados pela extrapolação das tendências aos trabalhos anteriores, tal como uma tendência polinomial com pequena dispersão obtida pela relação entre os parâmetros mais importantes da dinâmica da corrente: a fração volumétrica de sedimento (φ) e o diâmetro do sedimento (dm). Além disso, ficou evidente a atenuação dos efeitos turbulentos do escoamento em modelos com pequena largura; e que a relação entre as forças de inércia e de empuxo pode ser utilizada para avaliar a permanência da homogeneidade do fluxo (distribuição da concentração) ao longo do canal. Pela aplicação da normalização das equações governantes pode-se afirmar que ao definir os parâmetros dinâmicos através da adoção de valores médios ficou impossibilitada a avaliação dos coeficientes empíricos e, conseqüentemente, não permitiu sua satisfatória aplicação. Através do uso de regressão não-linear múltipla, foram obtidas leis que correlacionaram variáveis dependentes (velocidade, espessuras características) com parâmetros de entrada (características do sedimento, da mistura e da injeção). A partir dos resultados ficou evidente que as variáveis mais sensíveis na definição destas leis são: a vazão, a concentração volumétrica e as propriedades físicas da misturas (massa específica, ou viscosidade). / This work aims to associate the data of turbidity currents laboratory experiments in order to identify possible trends and convergence points between them. These experiments were carried out in three distinct scales of simulation and diverse setups (e.g. flow type and mechanism of ignition). The database was processed and correlated using dimensional analysis, normalization of the governing equations and multiple regression models of monomial power law. At total, its were examined the data of 122 experiments, in terms of dynamic vertical and horizontal mean values, which were simulated in three different physical models: a confined small tank with 3.0 m long x 0.12 m wide and 0.2 m deep; a confined tank with 7.0 m x 0.4 m x 1.0 m; and a unconfined three-dimensional large tank with more than 13.0 m long. Beyond that, its were incorporated 54 experiments from three previous studies found in bibliography (Michon et al., 1995; Garcia, 1985; Altinakar, 1988) to validate dimensional analysis similarity laws. By the analysis of the trends obtained by relations with the non-dimensional groups, it was verified that the dynamics of the current head is less susceptible to changes in the experimental conditions, presenting more similarity than the current body. It was also found evidences that the flow rate generated in lock-box experiments can not be approximated by steady state behavior of flow rate injected in continuous flow experiments. Yet, it was noticed that currents composed by sediments with lower fall velocity show higher turbulent energy and flow velocity values. Moreover, the non-dimensional groups that better describe the dynamic of the turbidity currents were the Reynolds and densimetric Froude numbers. By comparison with previous studies it was possible confirm earlier trends obtained, for instance: a well fitted polynomial trend from the relation between the most significant dynamic parameters of the head of the turbidity current, the volumetric fraction (φ) and grain size (dm); it was also noticed that narrow tanks inhibits turbulent effects of the flow; and that the homogeneity of the flow (concentration distribution) along the length of the tank can be measured by the ratio between the inertial and buoyant forces. By the application of the normalization of the governing equations could be affirmed that the use of mean values to define the dynamics parameters not allowed the correct definition of coefficients and, consequently, its implementation. The multiple regressions models were employed to correlate the head velocity of flow and their geometrics properties (dependent parameters) with flow rate, sediment and mixture properties (independent parameters) in order to indicate what parameters are more significant. Based on that, the results demonstrate that dependent parameters are more susceptible to flow rate, volumetric concentration and viscosity of the mixture parameters.

Este estudo apresenta uma investigação experimental, através da simulação física de correntes de turbidez de baixa densidade, utilizando diferentes materiais (suspensos e dissolvidos), em diferentes proporções, com o intuito de avaliar seu comportamento geométrico (alturas de cabeça e corpo), dinâmico (velocidades de avanço da cabeça) e especialmente deposicional (distribuição granulométrica dos depósitos ao longo do canal), investigando também a capacidade de transporte dos fluxos. Além disso, foi testado o uso do sal em substituição às frações finas de sedimento na simulação de correntes de turbidez. As simulações foram realizadas nas dependências do NECOD, em um canal bidimensional de vidro, com dimensões 300 x 12,5 x 20 cm, utilizando na formação das correntes misturas com diferentes proporções de material dissolvido e/ou suspenso. Três fases de simulações foram conduzidas, cada uma com diferentes materiais compondo as misturas: a primeira composta por carvão 207 ( = 1360 kg/m³) e sal; a segunda composta por carvão 205 ( = 1190 kg/m³) e sal; e na terceira fase, misturas compostas por carvão 205 e bentonita. Cada uma destas misturas teve a massa específica composta por cinco diferentes proporções de material: 100% de carvão, 75%, 50%, 25%, 0%. Todas os ensaios tiveram a mesma massa específica (1010 kg/m³) do fluido injetado, o mesmo volume (4 litros) e a mesma vazão (6,5 litros/min). Além disso, o carvão utilizado para a composição das misturas seguiu a mesma curva granulométrica, ou seja, todas as composições tiveram a mesma granulometria. Fixando a massa específica, volume e vazão de injeção dos fluxos, foi possível analisar a influência das frações finas dos materiais que compunham as correntes de turbidez no que diz respeito à geometria, dinâmica e seus padrões de deposição. Na análise da geometria das correntes verificou-se que na medida em que mais material fino compõe o fluxo, menores são as dimensões das correntes de densidade, principalmente o corpo. No caso de correntes que têm na sua composição o sal, este desempenha papel semelhante ao material granular fino. Já nas características cinemáticas, verificou-se que quanto menor a granulometria do sedimento do fluxo, e conseqüentemente menor a velocidade de queda do mesmo, mais lenta é a sua deposição, fazendo com que a corrente desacelere mais lentamente. As correntes que utilizaram sal na sua composição foram as que mantiveram sua velocidade por distâncias maiores. Quanto aos padrões de deposição, o comportamento das correntes de turbidez geradas pelas diferentes misturas mostrou-se bastante semelhante. Os fluxos com sal dissolvido carregaram grãos mais grossos para distâncias um pouco maiores, entretanto esta diferença não chega a ser considerada significativa. Esse comportamento também é corroborado, quando se analisa a capacidade de transporte dos fluxos, que apresentaram pequenas diferenças para os dois tipos de fração fina avaliadas e quando foi ajustada a lei de degradação de tamanho de grão, que evidenciou uma pequena diferença na capacidade de transporte dos fluxos compostos por carvão/bentonita, e carvão/sal. Ainda, a comparação entre correntes de turbidez compostas por sal e diferentes tipos de carvão (com diferentes densidades) indica que, quantitativamente, os depósitos gerados pelos escoamentos formados por carvão menos denso (carvão 205) são melhores distribuídos ao longo do canal quando da presença de sal na composição da mistura. Os dados mostram que, para as correntes de baixa densidade geradas neste trabalho, é possível a substituição dos sedimentos finos por sal na simulação física de correntes de densidade, apesar das pequenas diferenças notadas nas características geométricas, dinâmicas e deposicionais. Esta substituição simplificaria as simulações físicas em escala reduzida destes fluxos, tanto na realização dos ensaios quanto na análise dos dados. / This work presents an experimental investigation of low-density turbidity currents using different proportion of suspended sediments (mineral coal and bentonite) and/or dissolved material (salt), in order to evaluate their kinematics (head velocity), geometric (head and body height) and depositional (mass and grain size distribution) behaviour as well as their capacity of transport. Beyond that, it was investigated the use of dissolved material (salt) replacing finer sediments in these flows. Hence, three sets of experiments were conducted in a bi-dimensional channel (300 x 12.5 x 20 cm) with five different sediment ratios (100% mineral coal; 75%; 50%; 25%; 0%). Three different mixtures are used in each set. Mineral coal 207 (r = 1360 kg/m³) and salt in the first one. Mineral coal 205 (r = 1190 kg/m³) and salt in the second set and then mineral coal 205 and bentonite. The bulk density (1010 kg/m³), flow rate (6.5 litre/min), grain size distribution and volume (4 litres) were kept constant in order to compare the sets. The results were evaluated regarding the flow-deposit properties. It was verified that as the finer sediment increases in the mixture, the current dimensions became thinner, especially at the body, and the flows decelerate less than the ones with coarse sediments. In terms of depositional patterns, it was detected same trends of deposition (thinning downstream) only with a slight modification of flow transport capacity for the flows contained dissolved salt (coarser grains reaching distal zones). The comparison between the first and second sets of experiments show that the deposit generated by the second set (mineral coal 205 of lower density) is better distributed along the channel only when there is salt dissolved in the mixture. The results presented here lead us to conclude that, despite the fact that there is some difference amongst the flow-deposit properties, it is possible to use salt replacing the finer portion of the sediments, which can cause a lot of simplifications of experimental procedures and further analysis as well.

A interação proporcionada pela passagem de correntes sobre leitos móveis pode resultar na gênese das formas de leito, geralmente encontradas em ambientes subaéreos, rios, lagos, reservatórios e ambientes submarinos. Essas últimas podem ser geradas por correntes de densidade, definidas como fluxos gravitacionais cujo movimento é regido pela diferença de densidade entre o fluxo e o fluido ambiente. Com o intuito de compreender a geração das formas de fundo por correntes de densidade, foram realizados 29 experimentos, nos quais cerca de 4000 litros de uma corrente salina eram injetados em um canal de acrílico de 18 m de comprimento, 0,2 m de largura e 0,5 m de altura, de declividade variável, submerso em um canal maior, preenchido por água. Realizaram-se medições de vazão, velocidade e concentração, além do registro fotográfico da alteração do leito, durante a passagem da corrente e após o término do experimento e esvaziamento do tanque. O's resultados mostraram perfis de velocidade e concentração típicos de correntes de densidade. Além disso, algumas correlações foram encontradas, como a diminuição da altura da velocidade máxima em relação ao leito e aumento da velocidade média, com consequente diminuição da espessura da corrente, devido ao aumento da concentração e/ou inclinação do canal. A ocorrência das formas de fundo se mostrou mais comum para altos valores de vazão e de concentração da corrente de densidade, influenciando diretamente o valor do número de Froude densimétrico (Frd). As correntes reproduziram 8 escoamentos de regime subcrítico e 21 supercríticos, com Frd entre 0,5 e 2,2. As formas geradas foram classificadas conforma a presença de sedimentos em suspenção durante a sua geração e, também, em relação aos valores das tensões de cisalhamento aplicadas pela corrente junto ao leito, resultando na geração de formas de leito plano inferior, ondulações e dunas. As dunas e também, em alguns ensaios, as ondulações, foram observadas em condições supercríticas de escoamento, cenário hidráulico de geração não previsto por modelos fluviais de formas de fundo. Sendo assim, esse estudo evidenciou a existência de diferenças na geração e, consequentemente, na abordagem de classificação das formas de fundo por correntes de densidade, em relação àquelas geradas por escoamentos fluviais. Conclui-se, também, que a metodologia e os equipamentos empregados nesse estudo são adequados para reproduzir a geração de formas de leito por correntes de densidade, e para obter dados caracterizadores das correntes e do leito móvel, aperfeiçoamento do entendimento dos processos envolvidos nesse fenômeno. / Bedforms are sedimentary features generated by the interaction between flow and mobile beds and are observed in subaerial settings, rivers, lakes and in submarine environments. In most cases, bedforms found in submarine settings are generated by density currents, defined as gravitational flows whose movement is governed by the density difference between the current and the environment fluid. This study aimed to improve the knowledge on bedforms generated by density currents in comparison to the fluvial ones. Therefore, we report results from 29 experiments on saline density currentes running over different mobile beds, in an 18-m long and 0.20-m wide acrylic flume submerged in a large fresh water tank. Discharge, velocity (velocity profiler) and concentration (siphons and hydrometer) of the currents were measured during the esperiments, as well as image sequences of the bed modification. After each experiment, the flume was drained and top view pictures were also taken. Results have showed classical velocity and concentration profiles for density currents. In addition, some correlations were identified, such as the decrease of the velocity peak height and increase in the mean velocity (with consequent reduction of the current thickness), due to an increase of the concentration and/or flume slope. The occurrence of bedforms was more likely for high discharge and concentration rates of current density, which directly influence the densimetric Froude Number (Frd). The experiments generated 8 subcritical and 21 supercritical currents, with Frd betwwen 0.5 and 2.2. The bedforms were classified according to the presence of sediments during its generation and in relation to the shear stresses values applied by the current to the bed, resulting in the generation of lower plane bed of ripples and dunes. Dunes and ripples were observed in supercritical flow conditions, which is a hydraulic scenario of bedform generation not provided by fluvial models. Thus, this study demonstrated the existence of differences en generation and, consequently, the classification approach of the background shapes for current density, compared to those generated by river flows. In conclusion, this study showed that the methodogy and equipment used are suitable to reproduce the bedform generation by density currents, and to obtain density currente and moving bed characterizing data, improving the understanding of the processes involved in this phenomenon.

Este estudo propõe-se a analisar um conjunto de dados de simulações físicas de correntes de turbidez, a fim de parametrizá-los, identificando similaridades e tendências. Estes experimentos foram realizados pelo Núcleo de Estudos de Correntes de Densidade (NECOD), num total de 122 ensaios simulados em três modelos físicos semelhantes: dois canais unidirecionais com comprimento de 3,0 e 7,0 m, e outro tanque formado por um canal que deságua em uma cuba, com comprimento total de 13,85 m. O banco de dados foi composto pelas características hidrodinâmicas de entrada e de saída, utilizando dados médios, tanto na vertical, quanto na horizontal. Para que os objetivos fossem alcançados, utilizaram-se diferentes ferramentas a fim de realizar a consolidação dos dados: análise dimensional, normalização das equações e regressão múltipla de lei de potência nominal. Além disso, para comprovar a extrapolação das leis de semelhança obtidas pela aplicação da análise dimensional, uniram-se à base de dados 54 ensaios provindos de três estudos anteriores (Michon et al., 1955; Garcia, 1985; Altinakar, 1988). A partir das tendências apresentadas pelas relações entre os conjuntos adimensionais obtidos pela análise dimensional, pôde-se concluir que: a dinâmica da região da cabeça da corrente é menos suscetível às mudanças de condições experimentais, portanto, apresenta maior similaridade do que o corpo; e o regime transitório da vazão injetada nos experimentos iniciados por pulso não pode ser aproximado pelo regime permanente daqueles iniciados por fluxo contínuo. Encontraram-se evidências que apontam que os índices de turbulência são maiores com correntes compostas por sedimentos que apresentam menor velocidade de queda, as quais também apresentam maiores valores de velocidade de propagação. Os conjuntos adimensionais que melhor caracterizam as correntes de turbidez são o número de Reynolds e o número de Froude. Alguns resultados também foram confirmados pela extrapolação das tendências aos trabalhos anteriores, tal como uma tendência polinomial com pequena dispersão obtida pela relação entre os parâmetros mais importantes da dinâmica da corrente: a fração volumétrica de sedimento (φ) e o diâmetro do sedimento (dm). Além disso, ficou evidente a atenuação dos efeitos turbulentos do escoamento em modelos com pequena largura; e que a relação entre as forças de inércia e de empuxo pode ser utilizada para avaliar a permanência da homogeneidade do fluxo (distribuição da concentração) ao longo do canal. Pela aplicação da normalização das equações governantes pode-se afirmar que ao definir os parâmetros dinâmicos através da adoção de valores médios ficou impossibilitada a avaliação dos coeficientes empíricos e, conseqüentemente, não permitiu sua satisfatória aplicação. Através do uso de regressão não-linear múltipla, foram obtidas leis que correlacionaram variáveis dependentes (velocidade, espessuras características) com parâmetros de entrada (características do sedimento, da mistura e da injeção). A partir dos resultados ficou evidente que as variáveis mais sensíveis na definição destas leis são: a vazão, a concentração volumétrica e as propriedades físicas da misturas (massa específica, ou viscosidade). / This work aims to associate the data of turbidity currents laboratory experiments in order to identify possible trends and convergence points between them. These experiments were carried out in three distinct scales of simulation and diverse setups (e.g. flow type and mechanism of ignition). The database was processed and correlated using dimensional analysis, normalization of the governing equations and multiple regression models of monomial power law. At total, its were examined the data of 122 experiments, in terms of dynamic vertical and horizontal mean values, which were simulated in three different physical models: a confined small tank with 3.0 m long x 0.12 m wide and 0.2 m deep; a confined tank with 7.0 m x 0.4 m x 1.0 m; and a unconfined three-dimensional large tank with more than 13.0 m long. Beyond that, its were incorporated 54 experiments from three previous studies found in bibliography (Michon et al., 1995; Garcia, 1985; Altinakar, 1988) to validate dimensional analysis similarity laws. By the analysis of the trends obtained by relations with the non-dimensional groups, it was verified that the dynamics of the current head is less susceptible to changes in the experimental conditions, presenting more similarity than the current body. It was also found evidences that the flow rate generated in lock-box experiments can not be approximated by steady state behavior of flow rate injected in continuous flow experiments. Yet, it was noticed that currents composed by sediments with lower fall velocity show higher turbulent energy and flow velocity values. Moreover, the non-dimensional groups that better describe the dynamic of the turbidity currents were the Reynolds and densimetric Froude numbers. By comparison with previous studies it was possible confirm earlier trends obtained, for instance: a well fitted polynomial trend from the relation between the most significant dynamic parameters of the head of the turbidity current, the volumetric fraction (φ) and grain size (dm); it was also noticed that narrow tanks inhibits turbulent effects of the flow; and that the homogeneity of the flow (concentration distribution) along the length of the tank can be measured by the ratio between the inertial and buoyant forces. By the application of the normalization of the governing equations could be affirmed that the use of mean values to define the dynamics parameters not allowed the correct definition of coefficients and, consequently, its implementation. The multiple regressions models were employed to correlate the head velocity of flow and their geometrics properties (dependent parameters) with flow rate, sediment and mixture properties (independent parameters) in order to indicate what parameters are more significant. Based on that, the results demonstrate that dependent parameters are more susceptible to flow rate, volumetric concentration and viscosity of the mixture parameters.