Orientadores: Eugênio Spanó Rosa, Erick de Moraes Franklin

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica

Resumo: O transporte de grãos por um fluido em escoamento é frequentemente encontrado na natureza e na indústria. Está presente, por exemplo, na erosão das margens de rios, na migração de dunas no deserto e no transporte de areia em dutos. O mecanismo de transporte se dá através da transferência da...

Resumo: O transporte de grãos por um fluido em escoamento é frequentemente encontrado na natureza e na indústria. Está presente, por exemplo, na erosão das margens de rios, na migração de dunas no deserto e no transporte de areia em dutos. O mecanismo de transporte se dá através da transferência da quantidade de movimento do fluido para os grãos. Quando a força exercida pelo fluido no leito granular é capaz de mover alguns grãos, mas é relativamente pequena comparada ao peso dos grãos, o escoamento não é capaz de transportar os grãos como suspensão. Forma-se uma camada móvel de grãos em contato com a parte fixa do leito, conhecida como leito móvel (em inglês, 'bed-load'). Se o fluido é um líquido, a espessura desta camada móvel é de apenas alguns diâmetros de grão. A transferência de quantidade de movimento do fluido para os grãos altera o campo de escoamento tornando o perfil de velocidades diferente do caso de leito fixo. Este trabalho está interessado em entender as mudanças que acontecem no escoamento de um líquido turbulento devido à presença de um leito granular móvel, este fenômeno é conhecido como 'feed-back effect'. Os experimentos foram realizados em um canal horizontal de seção retangular e o equipamento de medida PIV (em inglês, 'Particle Image Velocimetry') foi usado para medir o escoamento turbulento de água sobre leitos granulares fixos e móveis. Os perfis de velocidade sobre leito granular fixo e móvel foram medidos para dois diferentes tamanhos de grãos, 160 'mi'm e 360 'mi'm, para a mesma vazão, em condições próximas ao limite de mobilidade dos grãos. Esta é a primeira vez que esta perturbação é experimentalmente medida no caso de escoamento turbulento de líquidos em regime hidraulicamente liso

Abstract: The transport of granular matter by a fluid flow is frequently found in nature and in industry. It is present for example, in the erosion of river banks, in the displacement of desert dunes and on the transport of sand in hydrocarbon pipelines. The entraining mechanism is the momentum...

Abstract: The transport of granular matter by a fluid flow is frequently found in nature and in industry. It is present for example, in the erosion of river banks, in the displacement of desert dunes and on the transport of sand in hydrocarbon pipelines. The entraining mechanism is the momentum transfer from the fluid flow to the grains. When the forces exerted by the fluid flow on the granular bed are able to move some grains, but are relatively small compared to the grains weight, the flow is not able to transport grains as a suspension. Instead a mobile layer of grains, known as bed-load, takes place. If the fluid is a liquid, the bed-load thickness is only a few grains diameters. The momentum transfer from the fluid to the mobile layer alters the fluid flow itself, i. e., the fluid flow is different from that if the bed were static. In this work we are interested in quantifying the changes (perturbation) caused by a mobile layer of grains (granular transport as bed-load) on a turbulent liquid flow. The experiments were performed on a horizontal closed-conduit channel of rectangular cross section and a PIV (Particle Image Velocimetry) device was used to measure the turbulent water flow over fixed and mobile granular beds. The turbulent fully-developed velocity profiles over fixed and mobile granular beds were measured for two different diameter of grains, 160 'mi'm and 360 'mi'm, for roughly the same water flow rates, in conditions near the threshold of the bed-load. The spatial resolution of the measurements allows the experimental quantification of this perturbation and comparison with bed-load theories. The mean flow profiles were obtained, so that the effects of bed-load on the shear stress could be determined. This is the first time that this perturbation is experimentally measured in the case of turbulent flows of liquids