| Resumo: | As correntes de densidade são fluxos impulsionados por diferenças de massa específica entre a corrente e o fluido ambiente. Quando a diferença de massa específica é devido a partículas em suspensão, a corrente é chamada de corrente de turbidez, com concentração de partículas. Estas partículas são caracterizadas pela velocidade de sedimentação (us). Na interface entre a corrente e o fluido ambiente, desenvolve-se uma zona de mistura, onde estruturas complexas são geradas pela interação de cisalhamento, flutuabilidade e turbulência, desencadeando processos como arrastamento e mistura. A quantidade que caracteriza a turbulência é o número de Reynolds (Re). As correntes de densidade de O(Re4) consideram se turbulentas. Neste estudo são simuladas correntes de densidade para Re = 3450, 8950 e 15000, e correntes de turbidez de Re = 8950 com concentração de partículas monodispersas de us = 0.006, 0.0125 e 0.029, na configuração lock-release usando Simulação Numérica Direta e Simulação Implícita de Grandes Escalas. É utilizado o código de alta ordem Xcompact3d para resolver as equações de Navier-Stokes e de transporte do escalar, na aproximação de Boussinesq numa malha cartesiana. A dinâmica da propagação das correntes é caracterizada a través das grandezas globais; posição da frente (xf ), velocidade da frente(uf ), concentração (ϕhc) e altura da cabeça hc da corrente de densidade, encontrando leis de potência de uf e hc em função us. A abordagem estatística de decomposição de Reynolds é aplicada para calcular as flutuações de velocidade e concentração, para os regimes slumping, inercial e viscoso. Estuda-se o balanço de energia cinética turbulenta (ECT) e da variância da flutuação da concentração de massa (VCM) para todos os tempos de simulação, encontrando tendências que caracterizam os regimes da dinâmica da propagação das cor.
Density currents are flows driven by density differences between the current and the ambiente fluid. When the density difference is due to particles in suspension, the current is called turbidity current, with particle concentration. These particles are characterized by the settling velocity (us). At the interface between the current and the ambiente fluid, a mixing zone develops, where complex structures are generated by the interaction of shear, buoyancy and turbulence, triggering processes such as entrainment and mixing. The quantity that characterizes turbulence is the Reynolds number (Re). Re density currents in O(Re4) are considered turbulent. In this study, density currents are simulated for Re = 3450, 8950 and 15000, and turbidity currents of Re = 8950 with concentration of mono-disperse particles of us = 0.006, 0.0125 and 0.029, in the lock-release configuration, using Direct Numerical Simulation and Implicit Large Scale Simulation. The high-order solver Xcompact3d is used to solve the Navier-Stokes and scalar transport equations, in the Boussinesq approximation on a Cartesian grid. The current dynamics propagation is characterized through global magnitudes; front position (xf ), front velocity(uf ), concentration (φhc) and head height hc of the density current, finding power laws of uf and hc in function us. The statistical approach of Reynolds decomposition is applied to calculate velocity and concentration fluctuations, for slumping, inertial and viscous regimes. The turbulent kinetic energy balance (KTE) and the scalar variance (SV) are studied for all simulation times, finding trends that characterize the dynamic regimes of the density currents propagation. Turbulent structures were characterized using the Q-criterion. The relationship of turbulent structures with KTE and SV was verified, concluding that maximum values are obtained with the vortices break-down into smaller structure. |
