| Resumen: | Escoamentos hiperpicnais são observados quando a massa específica de um fluido que adentra em uma bacia em repouso é maior que aquela do fluido ambiente. Essa diferença pode ser devido à temperatura, salinidade, turbidez ou concentração. Em uma configuração de fundo inclinado, a quantidade de movimento do escoamento diminui progressivamente, até que ele mergulhe sob o fluido ambiente e escoe junto ao leito. Destaca-se a relevância do estudo quanto à saúde de ecossistemas nas regiões de foz de rios, no gerenciamento e operação de reservatórios e no campo da geologia, uma vez que antigos depósitos de areia podem preservar registros sobre ambientes climáticos e tectônicos, além de formarem importantes reservatórios de hidrocarbonetos. No presente trabalho, simulações numéricas 3D são realizadas para um escoamento hiperpicnal que evolui no leito de um canal inclinado.Usando técnicas numéricas projetadas para supercomputadores, as equações incompressíveis de Navier-Stokes e transporte são resolvidas para reproduzir os experimentos de Lamb et al. (2010). Este estudo apresenta e verifica uma nova estrutura numérica, desenvolvida para a correta reprodução e análise do fenômeno de mergulho e suas características associadas. Uma boa concordância é encontrada entre os dados experimentais de Lamb et al. (2010), o modelo analítico de Parker e Toniolo (2007) e as simulações apresentadas. Uma nova equação é proposta para a previsão da profundidade para mergulho, incluindo o papel da velocidade de sedimentação e da declividade do leito do canal.A alta resolução espaço-temporal das simulações permite verificar as hipóteses estabelecidas, e uma boa concordância é encontrada não apenas para a posição de mergulho estacionária observada, mas também para a evolução temporal até atingir tal posição. Por fim, investiga-se o impacto observado quando o fluido ambiente no canal é alternado de água doce para salgada, onde percebe-se que tal mudança não é relevante quando a velocidade de sedimentação é nula, contanto que a diferença de densidade dos fluidos seja mantida constante. Por outro lado, uma nova dinâmica é observada na zona de mergulho e a jusante dela na presença de sedimentação, evidenciada pela convecção ascendente e mistura intensificada entre ambos os fluidos.
Hyperpycnal flows are observed when the density of a fluid entering in a quiescent basin is greater than that in the ambient fluid. This difference can be due to temperature, salinity, turbidity, concentration, or a combination of them. When the inflow momentum decreases, it eventually plunges under the ambient fluid and flows along the bed as an underflow density current. This study is relevant in terms of the health of ecosystems in the regions of river deltas, in the management and operation of reservoirs and in the field of geology, since old sand deposits can preserve records of climatic and tectonic environments, in addition to become important hydrocarbon reservoirs. In the present work, 3D numerical simulations are performed for the hypepycnal flow evolving over the bed of a tilted channel. Using numerical techniques designed for supercomputers, the incompressible NavierStokes and transport equations are solved to numerically reproduce the experiments of Lamb et al. (2010).This study focuses on the presentation and validation of a new numerical framework for the correct reproduction and analysis of the plunging phenomenon and its associated features. A good agreement is found between the experimental data of Lamb et al. (2010), the analytical model of Parker e Toniolo (2007) and the presented simulations. A new equation is proposed in order to predict the critical depth for plunging, including the role of the settling velocity and the bed slope. The high spatiotemporal resolution of the numerical simulations allows to verify the initial hypotheses established and a good agreement is found not only for the observed stationary plunging position, but also for the temporal evolution until reaching such a position. A negative value for the mixing coefficient was observed for the first time for the hyperpycnal flow in a tilted channel.This indicates that if the settling velocity of the suspended material is high enough, the submerged flow may lose fluid to the environment (dentrainment), instead of incorporating. Finally, a new scenario takes into consideration the interstitial inflowing density slightly different from the ambient, that is changed from fresh to salt water. Results show that the ambient stratification is not relevant when there is no settling velocity, as long as the density difference stays constant. On the other hand, a new dynamic is observed at the plunging zone and downstream of it when in the presence of sedimentation, evidenced by the upwards convection and intensified mixing between both fluids. |
