Estudio Experimental de Flujos Granulares Densos

Abstract

El estudio de los flujos granulares ha adquirido gran interés en las últimas décadas, no sólo por su impacto económico, ambiental y científico, sino también porque su ocurrencia a escala geológica genera grandes riesgos sobre la población y la infraestructura alrededor del mundo. Esto ha originado dentro del ámbito de la ingeniería la necesidad de contar con modelos dinámicos que sean capaces de predecir en forma confiable la evolución espacio temporal de estos fenómenos, para lo cual es fundamental identificar, caracterizar y cuantificar los mecanismos de interacción entre los granos. En este contexto, el presente trabajo tiene por objeto mostrar los resultados cuantitativos y cualitativos de un estudio experimental de flujos de materiales granulares densos y secos, generados en un canal de fondo deslizante. Este canal posee un largo útil de 3 m, paredes de vidrio de 40 cm de altura, un ancho útil de 18.6 cm y una cinta que desliza por el fondo a una velocidad que varía en el rango de 0 a 180 cm/s. Los materiales granulares utilizados en este experimento correspondieron a gravas finas, medianas y gruesas y esferas plásticas. A modo de comparación, se condujeron en forma paralela experimentos consistentes en flujos de esferas plásticas en un canal de fondo fijo de inclinación variable. Este canal posee un largo útil de 3 m, paredes de acrílico de 50 cm de altura y ancho útil de 20 cm. En ambas instalaciones, leyes de resistencia y parámetros adimensionales característicos fueron determinados a partir de las mediciones de altura, velocidad y pendiente del canal. También se obtuvieron imágenes del movimiento de las partículas en la pared del canal y en la superficie del flujo, usando una cámara de video de alta velocidad. Estas fueron analizadas posteriormente en forma cualitativa y cuantitativa, mediante procesos de tratamiento de imágenes y la aplicación de técnicas PIV (“Particle Image Velocimetry”) y PTV (“Particle Tracking Velocimetry”) para la obtención de la distribución de velocidades. A partir de las mediciones realizadas en esferas y sedimentos en el canal de fondo deslizante, se calcularon los números de Froude, Savage y Coulomb resultando ellos en el rango 0<Fr<3, 0<Sa<0.11 y 0<Co<1 para sedimentos y 0<Fr<2.5, 0<Sa<0.036 y 0<Co<0.05 para esferas, lo que indica que en los flujos experimentados domina la fricción intergranular por sobre las colisiones. Las relaciones entre el Fr y la altura relativa h/d determinadas para esferas y sedimentos, indican que la velocidad de la cinta depende débilmente de la altura de escurrimiento. Estos resultados no concuerdan con los obtenidos en el canal de fondo fijo. En el canal de fondo deslizante, la aplicación al flujo de sedimento natural de las técnicas de velocimetría condujo a resultados que no concuerdan con las observaciones y mediciones visuales, lo que llevó a descartarlos para la determinación de los perfiles de velocidad. Esto no sucedió con el flujo de esferas plásticas, donde los perfiles de velocidad revelaron la influencia de las paredes ubicadas en los extremos del canal, generando esfuerzos confinantes del flujo y contribuyendo al comportamiento friccional de éste. Se postula que los resultados globales de este estudio están fuertemente influenciados por las paredes ubicadas en ambos extremos del canal, los que generan esfuerzos de confinamiento que constriñen el movimiento del flujo y afectan por lo tanto la estructura cinemática de éstos, cuestionando la validez del uso de instalaciones de fondo deslizante como transformación galileana del flujo generado en canales de fondo fijo.