Modelo numérico para flujos bidimensionales de fluidos no-newtonianos sobre topografías complejas

Abstract

El flujo gravitacional no confinado de fluidos sobre superficies es un fenómeno ampliamente estudiado por la mecánica de fluidos, en particular para flujos de agua. La respuesta mecánica del agua frente a esfuerzos externos, o su reología, se caracteriza únicamente por su viscosidad dinámica, con lo cual se le denomina como fluido newtoniano. En la naturaleza existen muchos fluidos que no exhiben una reología como la del agua, denominados no-newtonianos, para los cuales su flujo gravitacional no está estudiado con la misma profundidad. El estudio de estos fluidos, ya sean compuestos químicos o mezclas bifásicas formadas por agua y sólidos finos, se ha ampliado en los últimos años usando estudios anteriores para fluidos newtonianos como base. De la misma manera, el desarrollo de herramientas numéricas basadas en mecánica de fluidos computacional para simular procesos o fenómenos físicos se ha incrementado debido al aumento y la masificación del uso de computadores cada vez más potentes. Muchas de estas herramientas consisten en algoritmos de solución optimizados y de código abierto, es decir,se encuentran en la red de manera abierta para su uso y modificación por parte de un usuario. En esta tesis se ha seleccionado un modelo de código abierto existente y probado que es capaz de modelar flujos geofísicos de agua y se ha modificado con el fin de reproducir flujos de fluidos no-newtonianos a escala geofísica. Las modificaciones incluyen la descripción de la reología del fluido como parámetro relevante en la estimación de la fricción del flujo y la posibilidad de reproducir distintas condiciones de descarga, dependientes o no del tiempo. En particular, se implementó el modelo reológico de Herschel-Bulkley. Una vez modificado el esquema numérico, se utilizaron los datos experimentales de distintos autores para validar el algoritmo modificado y se ejecutaron simulaciones numéricas de prueba sobre un plano inclinado para identificar la relevancia del esfuerzo de fluencia, el índice de flujo y el coeficiente de consistencia en la progresión del flujo. Se realizaron simulaciones numéricas sobre topografías reales para estimar el efecto que tienen los datos de entrada geográficos y de descarga en el comportamiento del modelo numérico. Con el propósito de poner el trabajo en el contexto de sus objetivos, se reprodujo un accidente de rompimiento de una presa de relaves real ocurrido en Canadá el año 2014 encontrándose, en ausencia de información detallada del evento real, resultados cualitativamente consistentes con los reportado. Finalmente, se discute acerca del desempeño de la herramienta computacional presentada, sobre su uso práctico y sobre los alcances del modelo numérico.