Caracterización de las formas de fondo generadas en un lecho granular por el flujo de un fluido pseudoplástico en canales

Abstract

La interacción de un lecho granular no cohesivo con el flujo laminar de un fluido pseudoplástico en canales puede generar en ciertas condiciones experimentales ondas sedimentarias, denominadas formas de fondo. Este fenómeno puede ocurrir en la industria de la minería en el transporte de relaves por canaletas. Los resultados de un estudio experimental de la caracterización de las formas de fondo generadas en un lecho granular por el flujo de un fluido tipo ley de potencia en canales se presenta en este trabajo. La instalación experimental donde se llevaron a cabo los experimentos se encuentra en el Laboratorio de Hidráulica Francisco J. Domínguez, del Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile. Los fluidos pseudoplásticos se generan a partir de una mezcla de agua y carboximetilcelulosa (CMC). Una metodología no intrusiva es utilizada para medir las características geométricas de las formas de fondo en diferentes condiciones experimentales de pendiente, caudal y reología. A partir de dos planos de iluminación generados por láseres, dos líneas iluminadas se forman sobre el lecho, que al deformarse distorsiona las líneas marcando el contorno del lecho. La evolución de los contornos del perfil transversal del canal es capturado con una cámara fotográfica. A partir de un procesamiento de imágenes se calcula la amplitud, celeridad y longitud de onda, el gasto sólido de fondo y la resistencia al flujo asociada a la presencia de las formas de fondo. Las formas de fondo obtenidas en los experimentos tienen una morfología linguoide y se clasifican en cuatro categorías: dunas centrales, barras, barras dobles o triples y rizos. Su morfología está influenciada por la textura de las partículas y el número de Reynolds del flujo. El gasto sólido de fondo obtenido de los experimentos se ajusta a una relación entre el número de Galileo y el exceso de esfuerzo de corte, al escalar por una función entre el peso específico sumergido, los parámetros reológicos y el diámetro de la partícula. La amplitud de las formas de fondo escalada con el diámetro de la partícula aumenta con el número de Froude y de Reynolds del flujo, pero es independiente del número de Reynolds modificado de la partícula. Por otra parte, la longitud de onda de las formas de fondo aumenta con el número de Froude y la celeridad escalada tanto con la velocidad media del flujo como la velocidad friccional depende del número de Reynolds modificado de la partícula. El esfuerzo de corte de fondo asociado a la resistencia generada por las formas de fondo es dependiente del número de Reynolds modificado de la partícula y se ajusta a una relación tipo Einstein-Barbarossa para la velocidad de flujo escalada por la velocidad friccional. A partir del sistema de medición PIV se determina que la configuración del perfil de velocidades de la superficie libre se relaciona con la forma de fondo presente al momento de la medición.