Dinámica de un flujo granular sumergido

Abstract

La tesina presenta un estudio experimental llevado a cabo en los laboratorios del departamento de Ingeniería Hidráulica, Marítima y Ambiental de la UPC cuyo principal objetivo es caracterizar el flujo de material granular sumergido.

La configuración con la que se ha trabajado ha sido un canal de 2 m de longitud, 5 cm de anchura y 40 cm de altura. Las variables impuestas son el diámetro de grano, el caudal sólido y el caudal líquido. Se han realizado un total de 15 ensayos de los cuales 12 se han considerado como buenos una vez superados los problemas iniciales.

Para que un flujo granular quede descrito es necesario conocer el perfil de velocidad y la profundidad de flujo. Para la toma de estos datos se ha utilizado una técnica no intrusiva que consiste en registrar videos, con la iluminación adecuada, del flujo de material que circula en contacto a la pared lateral del canal a través del talud formado por el propio material. Estos videos son procesados mediante un tratamiento de imagen con Matlab compuesto por dos bloques importantes: la técnica de detección de la superficie y la técnica de la línea de correlación. La función de la primera es definir la interfase entre el material granular y el agua en la que se encuentra sumergido. La segunda, utilizando como datos los resultados de la primera, se encarga de buscar la máxima correlación entre dos fotogramas consecutivos. Esta correlación se calcula a partir de la fila de la interfase y para cada una de las siguientes filas del fotograma. De esto resulta un perfil de correlaciones que, con la ayuda de imágenes de calibración y conocido el tiempo entre fotogramas, se transforma en perfil de velocidad. En el trabajo se han definido dos criterios para determinar el espesor de flujo.

Se ha podido comprobar un mismo patrón de comportamiento en todas las condiciones en las que se han llevado a cabo los ensayos. El perfil de velocidad se compone de una franja superficial con un perfil lineal seguido de una zona que presenta un movimiento lento con decaimiento exponencial en profundidad.

Para entender mejor el fenómeno se ha analizado también el avance del talud en la dirección longitudinal del canal y la estratigrafía observada en éste con las diferentes condiciones experimentales con las que se han hecho los ensayos.

El comportamiento observado mantiene relación con resultados de estudios anteriores llevados a cabo en configuraciones diferentes. Sin embargo, el hecho de no tener una configuración experimental que permita unas condiciones de flujo constantes y uniformes ha dificultado la extracción de un mayor número de conclusiones. Parece existir una relación de tipo potencial entre la pendiente del tramo lineal del perfil de velocidad y el espesor de flujo del material granular. Además, se ha observado como el espesor de los estratos aumenta a medida que aumenta el caudal sólido y, en consecuencia, el avance del talud en la dirección longitudinal del canal también lo hace.