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.

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.

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.

Este trabalho possui como objetivo a realização da simulação numérica do escoamento no interior de um modelo físico da estação de refino secundário Rurhstal-Heraeus (RH). Buscase estabelecer uma metodologia que, utilizando as ferramentas da fluidodinâmica computacional, reproduza as principais características de tal escoamento, especialmente a taxa de circulação e a distribuição de gás na perna de subida. A literatura sobre a modelagem do RH, tanto experimental quanto matemática, é revisada e comentada, com destaque para os principais desafios na simulação dos escoamentos multifásicos. Na simulação do escoamento, foi avaliada a influência de três aspectos da modelagem numérica: modelo de turbulência (modelos k-ε e k-ω), coeficiente de arrastos (modelos de Ishii-Zuber e Grace) e forças de nãoarrasto (massa virtual, sustentação e dispersão turbulenta). O escoamento é solucionado para diversas combinações de tais modelos e seus resultados são comparados com dados da literatura. Dessa comparação concluiu-se que a solução numérica é altamente dependente do modelo de turbulência - foram verificadas grandes alterações na distribuição de gás na perna de subida. O emprego do modelo k-ε mostrou proporcionou maior concordância com o experimento. Em contraste, as alterações na solução numérica em função de diferenças no coeficiente de arrasto e presença de forças de não-arrasto foram pouco significativas. Em todos os casos simulados, a taxa de circulação calculada numericamente diferiu dos dados experimentais. Observou-se o fenômeno de saturação de tal taxa, mas, no entanto, acredita-se que o mecanismo visto na solução numérica e no experimental possuam naturezas distintas. / The purpose of the present work is to evaluate the numerical simulation of the flow in a physical model of secondary refining station Rurhstal-Heraeus (RH). Employing computational fluid dynamics tools, a set of methods is sought in order to reproduce the main features of such flow, focusing mainly the circulation rate and the gas holdup in the upleg. Both physical and mathematical modeling literature are reviewed and commented, highlighting the main challenges of multiphase flow modeling. The effects of three aspects of numerical simulation are weighted: turbulence modeling (k-ε and k-ω models), drag force coefficient (Ishii-Zuber and Grace models) and non-drag forces (virtual mass, lift and turbulent dispersion). The flow is solved using several combinations of those models and the results are subjected to comparison with experimental data. From this comparison, it is verified a major dependence between the numerical solution and the turbulence model adopted - remarkable differences were observed on the gas holdup in the upleg. The employment of k-ε model shown better agreement with experimental data. The influence of different drag coefficients and action of non-drag forces was by far less important. In every numerically solved flow condition, the circulation rate was in disagreement with the experimental data. The saturation behavior has been observed in the numerical solution, although in a diverse fashion of the physical model.

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.

Este trabalho possui como objetivo a realização da simulação numérica do escoamento no interior de um modelo físico da estação de refino secundário Rurhstal-Heraeus (RH). Buscase estabelecer uma metodologia que, utilizando as ferramentas da fluidodinâmica computacional, reproduza as principais características de tal escoamento, especialmente a taxa de circulação e a distribuição de gás na perna de subida. A literatura sobre a modelagem do RH, tanto experimental quanto matemática, é revisada e comentada, com destaque para os principais desafios na simulação dos escoamentos multifásicos. Na simulação do escoamento, foi avaliada a influência de três aspectos da modelagem numérica: modelo de turbulência (modelos k-ε e k-ω), coeficiente de arrastos (modelos de Ishii-Zuber e Grace) e forças de nãoarrasto (massa virtual, sustentação e dispersão turbulenta). O escoamento é solucionado para diversas combinações de tais modelos e seus resultados são comparados com dados da literatura. Dessa comparação concluiu-se que a solução numérica é altamente dependente do modelo de turbulência - foram verificadas grandes alterações na distribuição de gás na perna de subida. O emprego do modelo k-ε mostrou proporcionou maior concordância com o experimento. Em contraste, as alterações na solução numérica em função de diferenças no coeficiente de arrasto e presença de forças de não-arrasto foram pouco significativas. Em todos os casos simulados, a taxa de circulação calculada numericamente diferiu dos dados experimentais. Observou-se o fenômeno de saturação de tal taxa, mas, no entanto, acredita-se que o mecanismo visto na solução numérica e no experimental possuam naturezas distintas. / The purpose of the present work is to evaluate the numerical simulation of the flow in a physical model of secondary refining station Rurhstal-Heraeus (RH). Employing computational fluid dynamics tools, a set of methods is sought in order to reproduce the main features of such flow, focusing mainly the circulation rate and the gas holdup in the upleg. Both physical and mathematical modeling literature are reviewed and commented, highlighting the main challenges of multiphase flow modeling. The effects of three aspects of numerical simulation are weighted: turbulence modeling (k-ε and k-ω models), drag force coefficient (Ishii-Zuber and Grace models) and non-drag forces (virtual mass, lift and turbulent dispersion). The flow is solved using several combinations of those models and the results are subjected to comparison with experimental data. From this comparison, it is verified a major dependence between the numerical solution and the turbulence model adopted - remarkable differences were observed on the gas holdup in the upleg. The employment of k-ε model shown better agreement with experimental data. The influence of different drag coefficients and action of non-drag forces was by far less important. In every numerically solved flow condition, the circulation rate was in disagreement with the experimental data. The saturation behavior has been observed in the numerical solution, although in a diverse fashion of the physical model.

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.