Doctor en Ciencias de la Ingeniería, Mención Fluidodinámica / El estudio de flujos granulares resulta importante en distintas aplicaciones industriales, como también para lograr una mejor comprensión de fenómenos naturales. Los flujos granulares que ocurren en la naturaleza muchas veces presentan un gran poder destructivo. Por ello, la predicción de la ocurrencia y comportamiento de éstos a escalas geofísicas resulta de gran interés para el ordenamiento territorial y evaluación del riesgo en asentamientos humanos y numerosas faenas industriales. Ejemplos de flujos granulares a escalas geofísicas son: flujos detríticos (aluviones), flujos piroclásticos, avalanchas de nieve y avalanchas de roca. Esta tesis está estructurada en base a una serie de artículos de investigación originales autocontenidos en la que se aborda el estudio de la dinámica interna de flujos granulares densos. En el presente trabajo se presenta una serie de resultados experimentales sobre flujos granulares compuestos por mezclas aire-partículas, con diferentes grados de fluidización inicial, inducidos sobre un canal rectangular (experimentos tipo rompimiento de presa ). También se presentan resultados experimentales y numéricos respecto del proceso de defluidización de mezclas aire-partículas en columnas estáticas. Los resultados obtenidos aportan nuevos conocimientos respecto de la física de los flujos granulares densos. Diversos estudios coinciden en que el fluido intersticial, incluso cuando es aire, resulta de gran importancia en la dinámica de los flujos granulares. Las partículas utilizadas en el estudio experimental pertenecen al grupo A según la clasificación del Geldart. Ensayos experimentales han mostrado que mezclas de partículas obtenidas en depósitos de flujos piroclásticos ricos en cenizas presentan un comportamiento del tipo A cuando son sometidas a fluidización por gas. Por ello, los resultados obtenidos en este trabajo tienen especial relevancia para entender la mecánica de flujos piroclásticos densos ricos en cenizas. Además, comportamientos similares a los esperados en mezclas aire-partículas del tipo A han sido observados en mezclas detríticas (agua-partículas) durante procesos de defluidización producto de la autoconsolidación de las mezclas debido a su propio peso. Para llevar acabo esta tesis, en primer lugar se realizaron experimentos tipo rompimiento de presa de mezclas granulares fluidizadas en distintas proporciones. Los resultados obtenidos fueron comparados con flujos derivados de mezclas no fluidizadas y flujos de agua pura, todos ensayados en la misma instalación experimental. La evolución espaciotemporal de la presión de poros en el fondo de los flujos granulares generados y a lo largo del canal experimental fue estudiada mediante un segundo conjunto de experimentos. Técnicas de análisis de imágenes de video permitieron correlacionar la estructura observada del flujo con las señales de presión obtenidas. En particular, con imágenes de video obtenidas a lo largo del canal se estudió los patrones de depositación del flujo. Nuevos experimentos, consistentes en medir la evolución de la presión de poros en mezclas estáticas (columnas) previamente fluidizadas, permitieron estudiar los mecanismos que controlan la difusión de la presión de poros en éstas. Este estudio fue complementado con un modelo numérico capaz de representar de buena forma los resultados experimentales obtenidos. A pesar de que en flujos granulares la difusión de la presión de poros puede ser controlada por otros procesos más complejos que aquellos presentes en el caso estático, este simple experimento aporta nuevas ideas respecto al proceso de difusión de la presión de poros en mezclas inicialmente fluidizadas. Finalmente, se estudió experimentalmente el alcance de los flujos granulares, para todo el rango de fluidización (desde nula a completamente fluidizado) en canales con distintas pendientes. En resumen, nuestros resultados enfatizan la capacidad de la presión de poros en aumentar la movilidad de mezclas fluido-partículas. El incremento en las escalas de tiempo de difusión de la presión de poros debido a la consolidación de mezclas fluidizadas y expandidas causan un notable incremento en el alcance de los flujos, cuando se comparan con mezclas no fluidizadas y no expandidas.

El estudio de los flujos granulares ha adquirido gran interés en las últimas décadas, no sólo por su impacto económico, ambiental y científico, sino también porque su ocurrencia a escala geológica genera grandes riesgos sobre la población y la infraestructura alrededor del mundo. Esto ha originado dentro del ámbito de la ingeniería la necesidad de contar con modelos dinámicos que sean capaces de predecir en forma confiable la evolución espacio temporal de estos fenómenos, para lo cual es fundamental identificar, caracterizar y cuantificar los mecanismos de interacción entre los granos. En este contexto, el presente trabajo tiene por objeto mostrar los resultados cuantitativos y cualitativos de un estudio experimental de flujos de materiales granulares densos y secos, generados en un canal de fondo deslizante. Este canal posee un largo útil de 3 m, paredes de vidrio de 40 cm de altura, un ancho útil de 18.6 cm y una cinta que desliza por el fondo a una velocidad que varía en el rango de 0 a 180 cm/s. Los materiales granulares utilizados en este experimento correspondieron a gravas finas, medianas y gruesas y esferas plásticas. A modo de comparación, se condujeron en forma paralela experimentos consistentes en flujos de esferas plásticas en un canal de fondo fijo de inclinación variable. Este canal posee un largo útil de 3 m, paredes de acrílico de 50 cm de altura y ancho útil de 20 cm. En ambas instalaciones, leyes de resistencia y parámetros adimensionales característicos fueron determinados a partir de las mediciones de altura, velocidad y pendiente del canal. También se obtuvieron imágenes del movimiento de las partículas en la pared del canal y en la superficie del flujo, usando una cámara de video de alta velocidad. Estas fueron analizadas posteriormente en forma cualitativa y cuantitativa, mediante procesos de tratamiento de imágenes y la aplicación de técnicas PIV (“Particle Image Velocimetry”) y PTV (“Particle Tracking Velocimetry”) para la obtención de la distribución de velocidades. A partir de las mediciones realizadas en esferas y sedimentos en el canal de fondo deslizante, se calcularon los números de Froude, Savage y Coulomb resultando ellos en el rango 0<Fr<3, 0<Sa<0.11 y 0<Co<1 para sedimentos y 0<Fr<2.5, 0<Sa<0.036 y 0<Co<0.05 para esferas, lo que indica que en los flujos experimentados domina la fricción intergranular por sobre las colisiones. Las relaciones entre el Fr y la altura relativa h/d determinadas para esferas y sedimentos, indican que la velocidad de la cinta depende débilmente de la altura de escurrimiento. Estos resultados no concuerdan con los obtenidos en el canal de fondo fijo. En el canal de fondo deslizante, la aplicación al flujo de sedimento natural de las técnicas de velocimetría condujo a resultados que no concuerdan con las observaciones y mediciones visuales, lo que llevó a descartarlos para la determinación de los perfiles de velocidad. Esto no sucedió con el flujo de esferas plásticas, donde los perfiles de velocidad revelaron la influencia de las paredes ubicadas en los extremos del canal, generando esfuerzos confinantes del flujo y contribuyendo al comportamiento friccional de éste. Se postula que los resultados globales de este estudio están fuertemente influenciados por las paredes ubicadas en ambos extremos del canal, los que generan esfuerzos de confinamiento que constriñen el movimiento del flujo y afectan por lo tanto la estructura cinemática de éstos, cuestionando la validez del uso de instalaciones de fondo deslizante como transformación galileana del flujo generado en canales de fondo fijo.

La mayoría de los flujos granulares densos en la naturaleza, tales como avalanchas de detritos, flujos piroclásticos, deslizamientos de tierra y avalanchas subacuáticas, están constituidos por una amplia gama de diferentes componentes sólidas inmersas en un fluido ambiente. Con el objeto de obtener una buena representación de la dinámica de estos flujos, se debe considerar los mecanismos de interacción entre los diferentes componentes de la mezcla. En este trabajo de tesis, se desarrolló un marco teórico basado en la teoría de mezcla para representar la dinámica de un flujo denso de material granular heterogéneo compuesto por varias especies sólidas con diferentes propiedades, sumergidas en un fluido Newtoniano. El sistema de ecuaciones obtenido fue resuelto numéricamente y validado mediante la comparación de los resultados numéricos con mediciones experimentales de flujos gravitacionales de material granular, generados por el colapso de una columna bidimensional de granos usando aire o agua como fluido ambiente. Esta teoría fue luego utilizada para investigar los efectos del fluido ambiente sobre la dinámica de flujos gravitacionales de material granular homogéneo, y los efectos de la segregación de partículas en la dinámica de flujos granulares compuestos por mezclas binarias de pequeñas y grandes partículas esféricas de igual densidad másica. Los resultados obtenidos sugieren que las ecuaciones propuestas capturan las características esenciales que describen la dinámica de flujos granulares densos heterogéneos. En particular, se demuestra que el fluido ambiente modifica la dinámica del flujo granular a través de cambios en la presión hidrodinámica del fluido e interacciones de arrastre entre el fluido y los sólidos. Por un lado, la presión hidrodinámica del fluido puede soportar el peso reducido de los sólidos, induciendo así una transición desde un flujo granular denso compactado a un flujo granular denso en suspensión. Por otro lado, las fuerzas de arrastre contrarrestan el movimiento de los sólidos, especialmente cerca de la pared. Además, se demuestra que la segregación del material granular aumenta la velocidad del frente debido a la expansión volumétrica del flujo. Este aumento en la velocidad del flujo es amortiguado por el fluido ambiente, comportamiento que es más pronunciado en agua que en aire. Por lo tanto, la velocidad del frente resulta del equilibrio entre la expansión volumétrica causada por la segregación y la fuerza de arrastre impuesta por el fluido ambiente. Los resultados de esta tesis permiten concluir que un modelo realista para flujos granulares heterogéneos debe considerar al menos tres componentes: granos grandes y pequeños, y el fluido ambiente. De esta forma, el marco teórico propuesto en esta tesis podría ser útil para estudiar la dinámica a gran escala de este tipo de flujos en la naturaleza, como lo son los flujos geofísicos. Los resultados principales de esta tesis fueron publicados en dos artículos científicos, el primero en el Journal of Fluid Mechanics (2010, 648: 381 - 404), y el segundo sometido a revisión en la misma revista.