Resumo: Compreender o comportamento de materiais granulares bidispersos cisalhados por um liquido é essencial para aplicações em sistemas naturais, como o transporte de sedimentos, a estabilização de leitos de rios e o controle da erosão. Esta tese investiga a segregação, endurecimento e deformação de leitos granulares bidispersos submetidos a escoamento de Couette viscoso, com foco específico nas interações grão-grão, nos tempos característicos de segregação e no papel das forças de contato no leito móvel como na região abaixo dele (região quasistática). O principal objetivo desta pesquisa é explorar como a segregação de partículas e o endurecimento do leito evoluem ao longo do tempo e como as interações fluido-partícula, em conjunto com as forças de contato entre grãos, influenciam a estabilização dos leitos granulares. Técnicas de Correspondência de Índice de Refração (RIM) foram empregadas para capturar a dinâmica de grãos, permitindo medições precisas dos tempos característicos de segregação, taxas de deformação e a evolução da compactação e endurecimento do leito ao longo do tempo. Mecanismos de segregação, como advecção, difusão e movimento restrito, foram observados. As simulações numéricas, conduzidas usando CFD-DEM (Método de Elementos Discretos com Dinâmica de Fluidos Computacional), aprofundaram a compreensão das forças internas que atuam sobre as partículas. Os movimentos de advecção, difusão e restrição foram fortemente correlacionados com a distribuição dos ângulos de força de contato. Além disso, as simulações forneceram pistas importantes sobre a relação entre o número de coordenação—o número de contatos por grão—e o endurecimento do leito. Em suma, esta tese oferece uma análise abrangente dos fluxos granulares bidispersos sob cisalhamento, ligando a dinâmica na escala das partículas ao comportamento na escala do leito. A combinação de observações experimentais e simulações numéricas detalhadas oferece novas pistas sobre o papel das forças de contato, mecanismos de segregação e endurecimento do leito em sistemas granulares naturais e industriais, particularmente sob condições de cisalhamento viscoso. Esses achados têm importantes implicações para a modelagem do transporte de sedimentos e o desenvolvimento de estruturas resistentes à erosão em aplicações ambientais Ver menos

Abstract: Understanding the behavior of bidisperse granular materials sheared by a liquid is essential for applications in natural systems like sediment transport, riverbed stabilization, and erosion control. This thesis investigates the segregation, hardening, and deformation of bidisperse granular beds sheared by viscous Couette flow, with a specific focus on grain-grain interactions, characteristic timescales for segregation, and the role of contact forces in both the bedload and creeping layers. The primary objective of this research is to explore how particle segregation and bed hardening evolve over time and how fluid-particle interactions, in conjunction with grain contact forces, influence the stabilization of granular beds. Refractive Index Matching (RIM) techniques were employed to capture grain-scale dynamics, allowing for precise measurements of characteristic segregation times, strain rates, and the evolution of bed compaction and hardening over time. Segregation mechanisms such as advection, diffusion, and constrained motion were observed. The numerical simulations, conducted using CFD-DEM (Computational Fluid Dynamics-Discrete Element Method), further enhanced the understanding of the internal forces acting on particles. The constrained, diffusion, and advection motions were found to be strongly correlated with the distribution of contact force angles. Additionally, the simulations provided key insights into the relationship between the coordination number—the number of contacts per grain—and bed hardening. Overall, this thesis provides a comprehensive analysis of bidisperse granular flows under shear, linking particle-scale dynamics to larger-scale bed behavior. The combination of experimental observations and detailed numerical simulations offers new insights into the role of contact forces, segregation mechanisms, and bed hardening in natural and engineered granular systems, particularly under viscous shear conditions. These findings have important implications for sediment transport modeling and the development of erosion-resistant structures in environmental applications Ver menos