Estudio experimental de la evolución temporal de las formas de fondo en flujos en presión con régimen laminar de fluidos pseudoplásticos

Abstract

En la industría minera y otras áreas, se utilizan tuberías para transportar sólidos a grandes distancias. Cuando el material presenta una granulometría extendida, los gruesos pueden sedimentar, formando un lecho en el fondo. En cambio, la partículas finas suspendidas generan una mezcla que se comporta como un fluido con una reología distinta a la del agua. El presente trabajo es un estudio experimental, donde se investiga la condición de arrastre incipiente, la evolución temporal y la estabilidad de un lecho granular no cohesivo, sometido a la acción de un flujo laminar en presión de fluidos pseudoplásticos. Para llevarlo a cabo, se realizaron modificaciones a una instalación experimental, ubicada en el Laboratorio de Hidráulica Francisco J. Dominguez, del Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile. La geometría tridimensional del lecho se registró con un sistema de medición no intrusivo, conocido como perfilometría por transformada de Fourier (FTP). Los fluidos no newtonianos se generaron con una dilución de carboximetilcelulosa (CMC) en agua. Para estudiar el arrastre incipiente, se realizaron 21 experimentos, cubriendo cuatro tamaños de partículas, cinco pendientes, y distintas concentraciones de CMC en peso, entre 0,4 y 0,5%. Los datos experimentales se clasificaron visualmente y se graficaron en un diagrama de Shields en función del número de Reynolds de la partícula, modificado para fluidos pseudoplásticos, Re_{*p}^K. Se obtuvo como resultado que las curvas parametrizadas para fluidos newtonianos subestiman la condición de arrastre incipiente. Se propuso una relación para predecir el fenómeno, \tau_{**lecho}^c = 0,18 (Re_{*p}^K)^{-0,73}, válida en el rango 0,31 < Re_{*p}^K < 2,52. La evolución del lecho se estudió a partir de 12 experimentos de cuatro horas de duración, cada uno. Con el sistema de medición FTP se registró la altura del lecho, inicialmente plano, sometido a la acción de un caudal constante y se determinaron las principales características geométricas de las formas de fondo: amplitud, celeridad y longitud de onda. Se obtuvo como resultado que la amplitud y la celeridad tienden a disminuir en el tiempo, provocando una disminución del gasto sólido de fondo, que es consecuencia de la ausencia de aporte de sedimentos desde aguas arriba a la zona de estudio. Por otra parte, no se observó un comportamiento definido de la longitud de onda. De los registros temporales, se observó que en algunos experimentos el lecho se volvió inestable, propiciando la aparición y migración de ondas sedimentarias tridimensionales. En otros casos, el lecho permaneció plano durante varias horas. Para estudiar la estabilidad, se construyó un diagrama que depende de tres parámetros adimensionales usados en diversos estudios para explicar estos fenómenos, modificados para incorporar la reología: el número de Shields, \tau_*; el número de Reynolds, modificado para fluidos pseudoplástico, Re_{KT}; y número de Galileo modificado, Ga_K. Los experimentos se clasificaron dentro del diagrama, obteniendo zonas de estabilidad e inestabilidad.