Medios granulares densos: modelamiento continuo estacionario y aproximación a reología transiente

Abstract

El estudio de la reología de medios granulares densos tuvo un fuerte impulso a raíz de la aparición del modelo reológico propuesto en GDR MiDi, 2004, el cual estableció una relación local entre el esfuerzo de corte normalizado por la presión y el número de inercia. Esta relación se cumple satisfactoriamente para distintos escurrimientos, cuando se presentan bajos gradientes de la velocidad de deformación. Por otro lado, este modelo resulta insatisfactorio para problemas con altos gradientes de la velocidad de deformación. Para estos últimos casos se han propuestos diversos modelos denominados no locales. El objetivo de la presente tesis es evaluar el desempeño de modelos reológicos, tanto locales como no locales, para sistemas distintos a los que dieron su origen, utilizando la modelación continua y discreta del medio granular, de la forma en que se explica a continuación: Problemas resueltos mediante modelación continua: El modelo local ya mencionado fue evaluado para dos sistemas estacionarios, estos son: (1) escurrimiento en celda Couette modificada y (2) flujo gravitacional en celda tipo block caving. La metodología en estos casos consistió en resolver numéricamente un modelo continuo, compuesto fundamentalmente por la ecuación de conservación de momentum del medio granular y la reología local incorporada a esta ecuación. Finalmente, se compararon los resultados de los modelos con datos obtenidos a partir de simulaciones discretas y experimentos. Problema resuelto mediante modelo discreto: En este caso el problema a resolver fue un sistema en estado transiente, compuesto por un medio granular bajo cizalle simple. De forma instantánea el medio granular es sometido a un cambio en el sentido de cizalle, generándose un periodo de relajación del sistema hasta volver al estado original. Para la simulación de este caso se utilizó un modelo de dinámica molecular, en el cual fueron creadas distintas configuraciones variando la altura del sistema y la densidad global del medio granular. Referente a los resultados obtenidos para el modelo de la celda Couette modificada, se logró predecir el campo de velocidades de rotación en los casos clasificados dentro del régimen demominado abierto, por el contrario, se encontraron importantes discrepancias en los regímenes de transición y cerrado. En cuanto al modelo para el problema de block caving, este arrojó una zona de extracción aislada de tamaño similar a la encontrada experimentalmente, además este modelo logró predecir el ángulo de falla a la salida del sistema. Con respecto al problema abordado con enfoque discreto, el principal resultado encontrado es que el medio granular relaja en dos fases asociadas a dos tipos de reologías. En una primera fase, el esfuerzo de corte normalizado en el centro del sistema se mueve siguiendo una nueva relación no local. En esta relación aparece el laplaciano del esfuerzo de corte normalizado, como una nueva variable. En una segunda fase, el esfuerzo de corte normalizado satisface la relación local dependiente del número de inercia antes señalada.