Estudio experimental del efecto de la fluidización inicial, rugosidad del fondo y tamaño de partículas en el flujo granular sobre un canal de alta pendiente

Abstract

Un flujo granular es un flujo bifásico compuesto por una fase sólida y otra fluida. Varios tipos de flujos granulares pueden ser encontrados a escalas geofísicas, como los flujos detríticos, flujos piroclásticos, avalanchas rocosas, avalanchas de nieve y avalanchas submarinas. Muchos de estos eventos naturales representan una amenaza para los asentamientos humanos aledaños por lo que el estudio de ellos resulta de gran importancia. Sin embargo, el entendimiento de estos flujos aún está incompleto debido a sus diferentes y variadas naturalezas. El presente estudio experimental se enmarca en el estudio de los flujos piroclásticos densos, los cuales se componen de cenizas finas (fase sólida) y aire a alta presión (fase fluida) y pueden recorrer largas distancias antes de su depositación. Una de las líneas de investigación más conocidas corresponde a la metodología tipo dam-break (rompimiento de presa en español), la cual consiste en el colapso repentino de una pila de partículas que se esparcen a través de un canal generando un flujo unidireccional. Algunas investigaciones de esta línea se han enfocado en el estudio de la dinámica de los flujos de partículas finas y aire. Estos muestran el rol del aire y la presión de poros en la reducción de esfuerzos de fricción intergranular, mecanismos de autofluidización debido a la rugosidad del fondo y la influencia de la pendiente del fondo del canal en el desarrollo y depositación del flujo. En la presente investigación, se realizaron experimentos tipo dam-break a presión atmosférica, en un canal con pendiente de 28° con 6 condiciones experimentales diferentes, en las cuales se varió la fluidización inicial (no fluidizado y completamente fluidizado), la rugosidad del fondo (fondo liso y fondo con rugosidad de 3mm) y el tamaño de los granos que componen el flujo (𝑑�����50~80 𝜇�����𝑚�����,150 𝜇�����𝑚�����). En cada condición experimental se registró: 1) el colapso de la pila inicial durante el experimento, 2) la presión de poros en el fondo del canal, 2) la posición del frente, 3) altura, presión de poros y velocidad superficial del flujo en una posición alejada de la compuerta del reservorio. En ninguna de las configuraciones experimentales hubo depositación de partículas. Los resultados muestran que los flujos de partículas más finas tienen una mayor velocidad del frente y generan una mayor variación de la presión de poros. En fondo liso, se observaron presiones de poros sobre la atmosférica (sobrepresión) cerca de la compuerta del reservorio mientras que en posiciones más alejadas solo se observaron presiones por debajo de la atmosférica (subpresión). Por otro lado, en fondo rugoso, se observó que el flujo recorre más parte del canal con sobrepresión y suprime considerablemente la subpresión, observándose levemente en el tramo final del canal. En esta condición se observó también la separación de la cabeza del flujo, la cual viaja a gran velocidad dejando atrás al cuerpo que se mueve más lento. Flujos inicialmente fluidizados son más veloces, que los no fluidizados y en posiciones más alejadas de la compuerta generan subpresiones menores. La velocidad del frente y presión de poros están fuertemente influenciados en la capacidad de autofluidización de la pila durante su colapso. Se desarrolló una metodología para medir velocidades superficiales en flujos con partículas finas. Finalmente, en una posición alejada de la compuerta se encontró que la presión de poros se relaciona linealmente con la altura y cuadráticamente (al parecer) con la velocidad superficial.