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Previous issue date: 2018-03-12 / Gravity currents are flows generated by the pressure gradient due density differences
between two fluids which are in contact. In this work are presented a set of
three-dimensional highly resolved direct numerical simulations of particle-laden gravity
currents, solved in an original configuration called channel-basin. The focus is on
low concentrations gravity currents, where the density differences are small enough
for the Boussinesq approximation may be valid. The mathematical model is based
on an Eulerian description of the concentration field by using a transport equation,
combined with the incompressible Navier-Stokes equations. The equations are solved
by the open-source code Incompact3d, which is based on high-order compact schemes
for the concentration and velocity fields discretization, and a spectral method for the
pressure field. The adopted mathematical modeling allows the particle sedimentation,
however there is no possibility of re-suspension of the particles already deposited, nor
the bottom deformation due the growth of the sediment layer thikness. The main goal of
this reserach is to know how the initial parameters, such as Reynolds number, settling
velocity and channel geometry, affect the dynamics of the current spreading. The
results have shown that the spreading form is highly dependent of the settling velocity.
For the front velocity of the current, the channel geometry and settling velocity are more
important when the Reynolds is lower than when it is higher. The sedimentation rate is
highly affected by the settling velocity. The increasing of the Reynolds number mainly
affects the size of the turbulent structures such as vortex and lobes. The energy budget
is strongly dependent of the settling velocity and slightly dependent of the channel
geometry and Reynolds number. / Corrente de gravidade s?o escoamentos que ocorrem devido a um gradiente de
press?o gerado, exclusivamente, pela diferen?a na massa espec?fica entre dois fluidos
que entram em contato. Neste trabalho ? apresentada uma s?rie de resultados
tridimensionais de alta fidedignidade, obtidos atrav?s de simula??o num?rica direta
em uma configura??o original, aqui denominada de canal-bacia, a qual busca emular
a transi??o entre um escoamento confinado para um n?o confinado. O foco deste
estudo est? nas correntes de gravidade de baixas concentra??es, onde as diferen?as
de densidade sejam pequenas o suficiente para que a aproxima??o de Boussinesq
seja v?lida. O modelo matem?tico baseia-se em uma descri??o Euleriana do campo de
concentra??es, que usa uma equa??o de transporte combinada com as equa??es de
Navier-Stokes em sua forma incompress?vel. A resolu??o das equa??es ? feita atrav?s
do c?digo Incompact3d, o qual baseia-se em esquemas compactos de diferen?as
finitas de alta ordem para a solu??o da concentra??o e velocidade, e um m?todo
espectral para a solu??o da press?o. O modelo matem?tico adotado permite que
as part?culas se depositem no fundo do dom?nio, por?m n?o permite que haja a
ressuspens?o nem que o fundo se deforme pelo aumento da espessura da camada
de sedimentos. O objetivo proposto nesta Tese ? investigar como os par?metros
iniciais, tais como n?mero de Reynolds, velocidade de queda e a geometria do canal
de alimenta??o afetam a din?mica de livre espalhamento de correntes conservativas
e n?o conservativas. Os resultados mostram que a forma como as correntes se
espalham pelo dom?nio ? altamente dependente da velocidade de queda. A velocidade
de propaga??o da corrente se mostrou mais dependente da geometria do canal e
da velocidade de queda para o menor Reynolds do que para o maior. A taxa de
sedimenta??o tamb?m apresentou grande sensibilidade ?s varia??es da velocidade
de queda. O aumento no n?mero de Reynolds afetou, principalmente, o tamanho das
estruturas turbulentas, tais como v?rtices e lobos. O balan?o de energias ? fortemente dependente da velocidade de queda, sendo pouca a influ?ncia da geometria do canal
e do n?mero de Reynolds.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:tede2.pucrs.br:tede/7910 |
| Date | 12 March 2018 |
| Creators | Francisco, Ezequiel Pelisoli |
| Contributors | Silvestrini, Jorge Hugo |
| Publisher | Pontif?cia Universidade Cat?lica do Rio Grande do Sul, Programa de P?s-Gradua??o em Engenharia e Tecnologia de Materiais, PUCRS, Brasil, Escola Polit?cnica |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da PUC_RS, instname:Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, instacron:PUC_RS |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | -7432719344215120122, 500, 500, 4518971056484826825 |
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