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Non-Newtonian fuids are commonly seen in industrial processes, such as those of the oil and mining industry, and in natural fows, like dam ruptures, landslides or mud fows. The hydrodynamic modeling of such processes/phenomena is directly linked to the rheological properties of the fowing fuid, usually characterized through rheometers. The high cost of rheometers and possible inaccessibility for certain applications demand for research of alternative rheometric methods. In order to assess the problem, the present work discusses a detailed experimental methodology to evaluate if the steady and uniform fow in an inclined channel is able to produce the fow curve for the test fuid carbopol 996 gel and work as an alternative rheometer. In order to estimate the shear rates and shear stresses, we measured the normal depth (ultrasonic technique), specifc discharge (manual gravimetric method) and free surface velocity (manually and with laser barrier sensors). Based on the theoretical solutions, a simplifed ftting procedure was adopted to make possible the assessment of shear rate and shear stress through the experimental data. The obtained fow curves were then compared with the reference fow curve, determined by a commercial R/S rheometer. Results showed that the experimental methods were able to provide the fow curves within acceptable uncertainty and the defned methodology detailed in the work can estimate satisfactorily the fow curve of non-Newtonian fuids. Finally, we highlighted that the wide channel hypothesis is the strongest condition to be guaranteed in order to obtain precise fow curves through the methodology present in this work.

Submitted by GUILHERME HENRIQUE FIOROT null (ghfiorot@aluno.feis.unesp.br) on 2016-08-31T16:48:18Z No. of bitstreams: 1 GHFiorot-tese-unesp.pdf: 21279930 bytes, checksum: f08d052fded3d144bcad4b9a9f1c007f (MD5) Approved for entry into archive by Juliano Benedito Ferreira (julianoferreira@reitoria.unesp.br) on 2016-09-01T17:08:21Z (GMT) No. of bitstreams: 1 fiorot_gh_dr_ilha.pdf: 21279930 bytes, checksum: f08d052fded3d144bcad4b9a9f1c007f (MD5) Made available in DSpace on 2016-09-01T17:08:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 fiorot_gh_dr_ilha.pdf: 21279930 bytes, checksum: f08d052fded3d144bcad4b9a9f1c007f (MD5) Previous issue date: 2016-07-01 Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) Dentro da temática de riscos naturais, mais precisamente no contexto das corridas de lama, esta tese surge da necessidade que existe na literatura em melhor se conhecer as características temporais destes eventos. A chuva, fonte da vazão liquida, conduz aos escoamentos superficiais, responsáveis pela redução da coesão do material sedimentar do solo (areia e argila) e seu consequente transporte. Em locais de topografia íngreme, de montante a jusante, a vazão sólida do escoamento principal pode, eventualmente, evoluir devido às contribuições laterais de pequenos escoamentos, alterando não só as propriedades reológicas do fluido e dinâmicas do escoamento, como se manter até que o transporte sólido atinja elevada concentração na composição do fluido. Na primeira parte desta tese, um experimento de superfície livre foi projetado para reproduzir escoamentos superficiais sobre um fundo móvel, com o objetivo de estudar propriedades não-permanentes do transporte de sedimentos. Um sistema de medição foi projetado e construído com o intuito de medir quase instantaneamente a vazão sólida e suas correlações com as propriedades hidráulicas do escoamento. Este aparato é também utilizado para observar a influência de instabilidades de superfície livre sobre o transporte. Um conjunto de resultados é apresentado e analisado e mostra que a presença de ondas pode, em média, reduzir a quantidade total de sedimentos transportada. Na segunda parte desta tese, a dinâmica de escoamentos com elevada concentração de sedimentos é estudada. Neste trabalho, executa-se a aplicação de um modelo de primeira ordem de roll waves para fluidos de reologia Herschel-Bulkley para simular um evento natural registrado na literatura. Os resultados apresentados mostram que roll waves poderiam, de fato, ser identificadas no evento e que a amplitude média observada poderia ter sido estimada com 8% de incerteza. Assim, um modelo mais complexo para a solução do perfil de velocidade é proposto, adicionando a porosidade do solo ao problema. Resultados do modelo são comparados com simulações numéricas. Uma análise paramétrica é efetuada e o caso de estudo é novamente avaliado. Como conclusão geral do trabalho, a presença de fenômenos não-estacionários durante a evolução escoamento superficial - corrida de lama afeta a dinâmica global do sistema acoplado hidráulica-transporte de sedimentos, quando comparado ao caso permanente e uniforme. Assim, a verificação de que tais fenômenos podem aparecer deve constituir parte de projetos engenharia, especialmente quando estes, em situações de catástrofes, envolvem danos a infraestruturas civis e quase sempre perdas de vidas, como é o caso das corridas de lama. This thesis was motivated by the need to better understand time-dependent features related to mudflow evolution on natural sloped channels. Basically, the research is focused on events that are confined in channels formed due to the topography. The rain, source of the liquid discharge, generates the runoff flow which is responsible for wetting the soil surface, promoting reduction of soil cohesiveness and erosion of small particles such as clay and sand. From this point, the sediment transport can increase as small water flows merge and form greater streams. The scenario keeps its evolution until it reaches high concentration of particles in the fluid mixture. In the first part, to study the non-permanent feature of sediment transport, an open-channel experiment was designed for simulating runoff flow over a mobile bed. A measurement system was designed and constructed to instantaneously inspect the solid discharge of particles and the flow friction at the bed. This apparatus is further used to explore the influence of free-surface waves on the sediment transport. Hydraulic properties of flows are qualitatively and quantitatively studied and data are used to correlate characteristics of flow and sediment transport. A set of experimental runs is presented and explored. Analysis of results shows that for fixed flow conditions, waves induce an overall smaller quantity of transported sediment. In a second part, the dynamics of high concentrated flows is addressed and this thesis attempts to apply a first-order roll-wave model for Herschel-Bulkley laminar fluid flow to a registered natural event. Results presented point out that roll waves could have occurred during this already published case-study event. Simulations could predict wave heights within 8% on uncertainty with respect to the mean amplitude of measured waves. Finally a new theoretical solution for the velocity profile is proposed taking into account the porosity of the bed. Results are then compared with numerical simulation performed in FLUENT. A parametric analysis is employed and the case-study is once again evaluated. As general conclusion, the non-permanent phenomena that can appear during the evolution of a mudflow event affect the overall dynamics of the coupled system (hydraulic-sediment transport) in comparison to the steady and uniform case. Verifying that such phenomena could appear should indeed be an important part in hydraulic engineering projects, especially when dealing with lives, which is the case of mudflows. CNPq: 201557/2012-6

International audience; As far as it is known, gravity-driven mass movement are yet to be completely understood by science community. The knowledge of such kind of flow is clearly necessary to enhance prevention tools for Engineering when applied to modeling natural events such as mudflows, mud floods and debris flow. However, the complexity of the problem lays basically on the proper modeling of fluid response to stress, which depends on its matrix, and even the prediction of instabilities propagation, which may render the whole scenario even more difficult to predict and control. In a simplified view, those flows can be seen as non-Newtonian fluids over natural inclined. Such representation is limited for one main reason: rheology average fluid behavior. As size of particles in fluid matrix may vary from dust and clay to rock and boulders, their dynamics in fluid matrix are completely averaged into simplified shearing laws. However, most of existing models for non-Newtonian fluid flow over open inclined neglect bed porosity. Of course, until recently, there was few scientific works relating yield stress fluids and porous medium both experimental and mathematically, rendering it difficult to propose any further model. In this work, a mathematical model for velocity profile is proposed for a steady and permanent Herschel-Bulkley fluid flow over an inclined porous bed. An preliminary mathematical evaluation of bed porosity is developed and some insights are given.

International audience; The study of muddy fluids in natural slopes has great importance to natural disasters assessment. Free surface flows of Newtonian and non-Newtonian fluids represent events such as mudflows, mud floods, floods and dam breaks which can cause great damage to nearby civil structures. More specifically, concerning mud floods and mudflows, a specific type of instability may appear on the free surface, depending on the channel steepness and fluid rheology: roll waves. These instabilities could be interpreted as an additional risk for safety structures as they lead to a non-constant flow level and fast-moving wave fronts. In order to correct predict the evolution of such kind of phenomena, mechanic and hydraulic conservations laws should be carefully employed. Flow and fluid features must also be properly gathered in order to reduce uncertainties of modeling results. As an attempt to develop risk assessment engineering tools, the work presented in this article is an application of the first-order model that represents roll waves in Herschel-Bulkley laminar fluid flows and describes their characteristics, such as profile and celerity (Maciel et al., 2013). The event from August 17th, 1998, at Acquabona watershed was chosen as the case study in order to analyze the validity of the model. During that event, many surges were detected during almost one hour rain. The surges presented long period and fast propagation velocity and seemed constitute a wave train at some point. In order to investigate whether those wave trains could have been roll waves, the work here present data exploration based on in situ measurements recorded during that mass movement event (Berti et al., 2000). Rheological properties of possible fluid matrix and dynamical characteristics of flow are estimated. Mathematical model is then used to predict waves/surges properties (amplitude, wavelength, period and celerity). The influence of rheological properties on those properties is also studied. Although many assumptions had to be made to explore the available data, results presented point out that roll waves instabilities could have occurred during that event. Since the event was triggered by an unknown disturbance source, it’s difficult to predict each wave separately. When averaging all surges, results given by the mathematical model could have predicted satisfactorily some of those waves’ properties, namely their velocity and amplitude.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:23:39Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2012-08-14Bitstream added on 2014-06-13T18:51:00Z : No. of bitstreams: 1 fiorot_gh_me_ilha.pdf: 2877327 bytes, checksum: ce0fa737c0fef352015099139e4eaefc (MD5) Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) As corridas de lama e os deslizamentos de terra, corriqueiros nas épocas de chuvas, vêm sendo observados e despertando atenção na mídia e órgãos públicos em função do número crescente de vítimas registrado. Trata-se de eventos naturais que atingem, cada vez mais, núcleos soci- ais vulneráveis. Esta dissertação de mestrado faz uma abordagem mecanicista destes eventos, modelados matematicamente como escoamentos em canais inclinados. Quando colocados em condições favoráveis de inclinação e vazão, este tipo de escoamento pode constituir um domínio propício à propagação de instabilidades na sua superfície livre que, eventualmente, podem vir a se tornar um tipo específico de ondas denominado na literatura de roll waves. Estas ondas, de comprimento de onda e amplitude bem definidos, são especialmente afetadas pelas caracte- rísticas do escoamento e do fluido. As lamas (soluções hiperconcentradas de matriz argilosa) constituídas quando daqueles eventos naturais são caracterizadas como fluidos fortemente não- newtonianos do tipo Herschel-Bulkley (COUSSOT; PIAU, 1994; SANTOS, 2003). Em termos de fluidos-tipo (aqueles usados em laboratório), duas vertentes são tratadas: a proposta do uso do carbopol como fluido representativo das lamas (fluido não-newtoniano); e a proposta da glice- rina (fluido newtoniano). Um modelo matemático representativo do fenômeno é apresentado, proposto por Ferreira (2007). Nele o respectivo modelo reológico é inserido na parte viscosa das equações de Cauchy e, após adimensionalização das variáveis e promediação das equações, culmina com uma equação diferencial de primeira ordem que é resolvida numericamente. Os parâmetros que envolvem o equacionamento são discutidos em função da sensibilidade das características das roll waves. Uma segunda abordagem traz a... Mudflows and landslides, common in the rainy season, have been noticed and attracted media and public departments attention due to the increasing amount of victims recorded. This disser- tation provides a mechanistic approach of those events, mathematically modeled as flows in in- clined open channels. When disposed in favorable conditions of slope and flow, this type of flow can become a suitable domain to the propagation of instabilities on its free surface that even- tually may turn out to be a specific type of waves called by the literature as roll waves. These waves, well-defined in wavelength and amplitude, are particularly affected by the characteris- tics of flow and fluid. The muddy materials (hyper-concentrated solutions of clay) which take place on those natural events are characterized as highly non-Newtonian fluids like Herschel- Bulkley (COUSSOT; PIAU, 1994; SANTOS, 2003). Concerning the test-fluids (those employed on laboratory), two lines are explored: the utilization of carbopol as representative fluid for muds (non-Newtonian fluid); and the employment of glycerin (Newtonian fluid). A mathematical model representing the phenomenon is presented, proposed by Ferreira (2007). The proper rhe- ological model is inserted into the viscous part of Cauchy’s equations and, after transferring to dimensionless variables and averaging the equations, the model culminates with a first-order differential equation which is solved numerically. The parameters involving the equation are discussed due to the sensitivity of the characteristics of roll waves to them. A second approach brings the direct numerical simulation through FLUENT software as an attempt to validate the models. Based on the great lack of information concerning realistic measurements of this phe- nomenon in the literature, it was sought, in this work... (Complete abstract click electronic access below)

O escoamento de materiais viscoplásticos pode ser encontrado em inúmeros setores industriais, como o processamento de polímeros, bombeamento de comida, indústria de óleos parafínicos, entre outros. Em situações de fechamento devido a emergências ou manutenção, o material restante apresenta uma estrutura gelificada após determinado intervalo de tempo. Objetivando reiniciar o escoamento são aplicadas altas pressões, como no caso de óleos parafínicos em reservas marítimas, situação na qual sobrestimar as pressões pode causar o aumento das dimensões da tubulação e, consequentemente, os custos de produção. Dessa forma faz-se necessária uma predição estimada da pressão mínima para o reinício de circulação como requisito operacional. O objetivo desse estudo experimental é investigar e visualizar o reínicio de escoamento de materiais de tensão limite. Para uma melhor compreensão da dinâmica de escoamento desses materiais são utilizados como montagem experimental uma seção de teste de comprimento 0,980 m com seção circular de raio interno de 0,011 m conectada a dois reservatórios para controle de pressão de entrada e saída e um sistema de visualização por velocimetria por imagens bi dimensionais de partículas (PIV). Duas soluções aquosas de Carbopol® (25 e 50 wt%) são utilizadas como fluidos viscoplásticos. Os perfis de velocidade, a presença de uma estrutura de plug e a transição sólido-fluído são analisadas antes do fluido começar a escoar. A relação entre a mínima queda de pressão de reinício e a evolução do campo de velocidade é observada para diferentes soluções. Ademais, o tempo necessário para reiniciar uma linha bloqueada depende principalmente da queda de pressão aplicada e da viscosidade que aumenta em função do tempo. Finalmente, foi observado que a que a velocidade de escorregamento aumenta exponencial com a tensão cisalhante na parede e com o gradiente de velocidade. The flow of viscoplastic materials is widely found in various industrial sectors, such as polymer processes, food pumping, paraffin oil industry, among others. In shutdown situations due to emergency or maintenance, the material at rest exhibits a gel-like structure after a period of time. In order to restart the flow high pressures are applied which result in a overestimation of the dimensions of the pipeline and the production costs. Therefore, an accurate prediction of the minimum pressure to restart the flow is necessary as an operational requirement. The objective of this experimental study is to investigate and visualize the start-up flow of yield stress materials in pipes. For a better understanding of the flow dynamics of these materials, a test section of length 0.980 m with a circular cross-section of inner radius 0.011 m attached to two reservoirs to control the inlet and outlet pressure and Two-dimensional Particle Image Velocimetry (PIV) visualization system is used as an experimental setup. Two aqueous solutions of Carbopol® (25 and 50 wt%) are used as viscoplastic fluids. The velocity profiles, the presence of plug structure and the solid-fluid transition are analyzed before the fluid begins to yield. A relationship between the minimum start-up flow pressure drop and velocity field evolution is observed for the different solutions. Moreover, the time required to restart the jammed line depends mainly on the applied pressure drop and the viscosity that decreases with time. Finally, it was observed that the slip velocity increases in an exponential way with the wall shear stress and velocity gradients.

Orientador: Erick de Moraes Franklin Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Na morfodinâmica das dunas com forma crescente, conhecidas como barcanas, muitos aspectos complexos estão envolvidos. Esta tese analisa o crescimento das dunas do tipo barcana sob escoamentos turbulentos de água. Abordagens experimentais e numéricas são empregadas para identificar algumas características intrínsecas desses padrões granulares. Os resultados experimentais mostram a existência de tempos característicos para o surgimento e o equilíbrio das barcanas. Essas dunas são encontradas na natureza e na indústria. As escalas de comprimento e tempo vão do quilômetro e milênio em Marte, passando pelos 100 m e 1 ano nos desertos, até 10 cm e 1 minuto para as barcanas subaquáticas. Em todos os casos, a dinâmica é semelhante, mas as escalas são totalmente diferentes. Devido a que a característica única da duna barcana é a presença de suas extremidades, chamadas horns, este trabalho associa a escala de tempo para o aparecimento delas à formação da barcana inteira. Baseado em argumentos dimensionais, propõe-se uma escala de tempo para o crescimento das dunas. Posteriormente, usando um método de rastreamento na escala do grão, é demonstrado que a maioria dos grãos que formaram os horns vieram de regiões à montante, com um deslocamento médio da ordem do tamanho da duna. Os grãos que viajam para os horns têm deslocamentos transversais, por rolamento e deslizamento, que não são desprezíveis. Finalmente, as descobertas obtidas experimentalmente são reproduzidas numericamente, empregando as mesmas condições de contorno. Os resultados numéricos capturaram adequadamente a evolução da pilha inicial até uma duna barcana nas ambas escalas, do leito e do grão, com os mesmos tempos e comprimentos característicos observados nos experimentos. Todos os novos aspectos apresentados neste trabalho mudam a forma como tinha sido explicado o crescimento das barcanas subaquáticas, e representam um passo significativo na compreensão da formação das dunas barcanas Abstract: In the morphodynamics of crescent-shaped dunes, known as barchans, many complex aspects are involved. This thesis addresses the growing of barchan dunes under turbulent water flows. Experimental and numerical approaches are employed to identify some intrinsic features of these bedforms. The experimental results show the existence of characteristic times for the appearance and equilibrium of the barchans. These dunes are found in both nature and industry. The length and time scales go from the kilometer and millennium on Mars, passing by the 100 m and 1 year on deserts, down to 10 cm and 1 minute for sand barchans in water. In all cases, the dynamics are similar, but the scales are entirely different. Because the unique feature of a barchan dune is its extremities, called horns, this work associates the time scale for the appearance of them to the formation of the whole barchan. Based on dimensional arguments, it is proposed a time scale for the growth of the dunes. Afterward, using a tracking method at the grain scale, it is demonstrated that most of the grains that formed the horns came from upstream regions with an average displacement of the order of the bedform size. The grains traveling to the horns have transverse displacements by rolling and sliding that are not negligible. In the last part, the findings retrieved from the experimental frame are reproduced numerically employing the same boundary conditions. The numerical results captured well the evolution of the initial pile toward a barchan dune in both the bedform and grain scales, with the same characteristic time and lengths observed in the experiments. All the new aspects presented in this work change how has been explained the growth of subaqueous barchans and represent a significant step toward understanding the formation of barchan dunes Doutorado Térmica e Fluídos Doutor em Engenharia Mecânica CNPq, 140773/2016-9

No presente estudo experimental analisamos as especificidades do escoamento de fluidos viscoplásticos, especialmente neste caso as soluções de Carbopol em regime laminar e turbulento através de uma contração abrupta com razão de β = 1:85. O perfil e o coeficiente de queda de pressão na contração são obtidos a partir da entrada de diferentes números de Reynolds, Re0D. Os campos vetoriais de velocidade instantâneos são obtidos para Re0D entre 1 e 10 000, usando a velocimetria por imagem de partícula (PIV-2D), verificando campos vetoriais de velocidade média e quantidades turbulentas de primeira ordem, tais como flutuações de velocidade radial e axial, bem como comportamento da velocidade da linha central, estruturas de vórtices e visualização de regiões não cisalhadas. Observa-se que o coeficiente de queda de pressão para o escoamento de fluido viscoplástico depende diretamente do número de Reynolds no regime laminar e atinge um valor constante para condições turbulentas, apresentando boa concordância com os dados disponíveis na atual literatura. Os perfis de velocidade ao longo da seção de teste apresentam valores inferiores aos obtidos para fluidos Newtonianos em ambos regimes e variam seu comportamento de acordo com as propriedades reológicas de cada solução. Ademais verificam-se flutuações turbulentas similares ao comportamento Newtoniano, apenas com discreta diferença nos perfis radiais. Nota-se que as regiões não cisalhadas deformam-se com o aumento do número de Reynolds e são substituídas por estruturas de vórtice à medida que o escoamento atinge condições de transição, obtendo uma variação do diâmetro efetivo na entrada da contração. O desenvolvimento da estrutura do vórtice foi estudado usando técnicas quantitativas baseadas na taxa de deformação e nos tensores de vorticidade, obtendo assim informações mais precisas sobre seu comportamento no escoamento de fluidos viscoplásticos. Dessa forma, pode-se determinar uma relação entre o número de Reynolds de entrada e o número de Reynolds no plano da contração, independente dos parâmetros reológicos devido às altas taxas de cisalhamento nessa região. The viscoplastic fluid flow of Carbopol solutions is investigated in the following experimental study, for laminar and turbulent regime through an abrupt contraction with an aspect ratio of β = 1:85. The pressure drop profile and the pressure drop coefficient at the contraction are obtained for different entrance Reynolds numbers, Re0D. The velocity vector fields are obtained for Re0 D between 1 and 10 000, using the Particle Image Velocimetry (PIV-2D). Mean velocity vector field and first-order turbulent quantities such as radial and axial velocity fluctuations are obtained, as well as centerline velocity behavior, vortex structures, and visualization of unyielded regions. It is observed that the pressure drop coefficient for viscoplastic fluid flow is dependent on the Re0D for the laminar regime, and reaches a constant value for turbulent conditions, exhibiting good agreement with data available on the literature. The velocity profiles along the test section present lower values than those obtained for Newtonian fluids in both regimes and vary their behavior according to the rheological properties for each viscoplastic solution. Besides, the turbulent fluctuations approach the Newtonian behavior, with a slight difference for the radial profiles. The unyielded regions are deformed as the Reynolds number is increased and are replaced by vortex structures as the flow reaches transitional conditions, obtaining a variation of the effective diameter at the entrance of the contraction. The growth and changes of the vortex structure are studied using quantitative techniques based on the strain rate and the vorticity tensors, to gain accurate and better information about the behavior for these structures into the viscoplastic fluid flow. Finally, a relation was found for the entrance Reynolds number and the Reynolds number at the contraction plane, which is not dependent on the rheological parameters due to the high shear rates in this region.