Continuum Equations for Studying the Dynamics of Dense Heterogeneous Granular Flows

Abstract

La mayoría de los flujos granulares densos en la naturaleza, tales como avalanchas de detritos, flujos piroclásticos, deslizamientos de tierra y avalanchas subacuáticas, están constituidos por una amplia gama de diferentes componentes sólidas inmersas en un fluido ambiente. Con el objeto de obtener una buena representación de la dinámica de estos flujos, se debe considerar los mecanismos de interacción entre los diferentes componentes de la mezcla. En este trabajo de tesis, se desarrolló un marco teórico basado en la teoría de mezcla para representar la dinámica de un flujo denso de material granular heterogéneo compuesto por varias especies sólidas con diferentes propiedades, sumergidas en un fluido Newtoniano. El sistema de ecuaciones obtenido fue resuelto numéricamente y validado mediante la comparación de los resultados numéricos con mediciones experimentales de flujos gravitacionales de material granular, generados por el colapso de una columna bidimensional de granos usando aire o agua como fluido ambiente. Esta teoría fue luego utilizada para investigar los efectos del fluido ambiente sobre la dinámica de flujos gravitacionales de material granular homogéneo, y los efectos de la segregación de partículas en la dinámica de flujos granulares compuestos por mezclas binarias de pequeñas y grandes partículas esféricas de igual densidad másica. Los resultados obtenidos sugieren que las ecuaciones propuestas capturan las características esenciales que describen la dinámica de flujos granulares densos heterogéneos. En particular, se demuestra que el fluido ambiente modifica la dinámica del flujo granular a través de cambios en la presión hidrodinámica del fluido e interacciones de arrastre entre el fluido y los sólidos. Por un lado, la presión hidrodinámica del fluido puede soportar el peso reducido de los sólidos, induciendo así una transición desde un flujo granular denso compactado a un flujo granular denso en suspensión. Por otro lado, las fuerzas de arrastre contrarrestan el movimiento de los sólidos, especialmente cerca de la pared. Además, se demuestra que la segregación del material granular aumenta la velocidad del frente debido a la expansión volumétrica del flujo. Este aumento en la velocidad del flujo es amortiguado por el fluido ambiente, comportamiento que es más pronunciado en agua que en aire. Por lo tanto, la velocidad del frente resulta del equilibrio entre la expansión volumétrica causada por la segregación y la fuerza de arrastre impuesta por el fluido ambiente. Los resultados de esta tesis permiten concluir que un modelo realista para flujos granulares heterogéneos debe considerar al menos tres componentes: granos grandes y pequeños, y el fluido ambiente. De esta forma, el marco teórico propuesto en esta tesis podría ser útil para estudiar la dinámica a gran escala de este tipo de flujos en la naturaleza, como lo son los flujos geofísicos. Los resultados principales de esta tesis fueron publicados en dos artículos científicos, el primero en el Journal of Fluid Mechanics (2010, 648: 381 - 404), y el segundo sometido a revisión en la misma revista.