Fórmula experimental para la velocidad de caída de sedimentos en flujo transversal

Experimental formula for the settling velocity of sediments in cross-flow

Humberto Salinas-Tapia y Juan Antonio García-Aragón

Universidad Autónoma del Estado de México.

Dirección institucional de los autores

Dr. Humberto Salinas-Tapia
Dr. Juan Antonio García-Aragón

Centro Interamericano de Recursos del Agua
Facultad de ingeniería
Universidad Autónoma del Estado de México
Cerro de Coatepec, CU
50130 Toluca, Estado de México, México
Teléfono: +52 (722) 2965 550 ]]> Fax: +52 (722) 2965 551
hsalinast@uaemex.mx
jagarciaa@uaemex.mx

Recibido: 18/12/08
Aprobado: 03/11/10

Resumen

En el presente trabajo se determinó de forma experimental la velocidad de caída de partículas sedimentarias en un canal con flujo transversal. Se utilizaron las técnicas ópticas Velocimetría por Imágenes de Partículas (PIV) para el fluido y de Velocimetría por Rastreo de Partículas (PTV) para los sedimentos Se utilizaron siete valores de caudal líquido con números de Reynolds del fluido (R_ƒ) entre 4 200 y 33 000, para evaluar el efecto del movimiento del fluido en la velocidad de caída de las partículas de sedimento. A fin de obtener las componentes de la velocidad de caída de cada partícula sedimentaria, se desarrolló un software con la técnica PTV. Los resultados muestran que la velocidad de caída de las partículas se ve afectada por el movimiento del fluido. Se propone una expresión para el cálculo de la velocidad de caída de sedimentos que toma en cuenta ese efecto.

Palabras clave: sedimentos, velocidad de caída, PIV, PTV, tamaño de partícula, Reynolds del fluido, Reynolds de la partícula.

Abstract

In this study, the settling velocities of sediment particles for different size ranges were measured in a channel with cross-flow to the settling velocity. The optical methods of Particle Image Velocimetry (PIV) and Particle Tracking Velocimetry (PTV) were used, respectively, for the fluid and the sediments. Seven flow rates with Reynolds numbers ranging from 4 200 to 33 100 were used to evaluate the effect of fluid motion on the settling velocity of particles. In order to obtain the settling velocities of individual particles, a PTV software was developed for this research. Results show the effect of fluid motion on particle settling velocity. An expression is proposed in this work that takes this effect into account.

Keywords: sediments, settling velocity, PIV, PTV, particle size, fluid Reynolds number, particle Reynolds number.

Introducción

Un parámetro común de ciertos análisis cuantitativos del trasporte de sedimentos es determinar la velocidad de sedimentación (velocidad de caída) de partículas en un fluido en movimiento. Se han realizado diversas investigaciones para su predicción, pero muchas de las más relevantes se enfocan a partículas esféricas (Kaftori et al., 1995a, 1995b; Zhiyao et al., 2008; Nian-Sheng, 2009). Son básicamente dos tipos de métodos predictivos para determinar la velocidad de caída (Cheng, 1997): uno es la solución analítica de Stokes, aplicable a partículas esféricas con Reynolds de la partícula menores a la unidad, y el otro son fórmulas empíricas basadas en datos experimentales.

Calcular la velocidad de sedimentación utilizando fórmulas empíricas obtenidas a partir de experimentos que se llevan a cabo utilizando tanques de sedimentación (Ahrens, 2000; Dietrich, 1982; Hartman et al., 1994; Rubey, 1933; Jiménez y Madzen, 2003; She et al., 2005; Camenen, 2007) o en tanques con movimiento oscilante (Yang y Shy, 2003), es común en la práctica ingenieril. Sin embargo, cuando un fluido está en movimiento, este efecto influye en la fuerza de arrastre de las partículas y por ende afecta la velocidad de caída, principalmente en partículas de sedimentos naturales, donde su forma es irregular.

Considerar el efecto del movimiento del fluido sobre la partícula, principalmente la relación de la velocidad del fluido (u) y la velocidad de sedimentación de la partícula (w_s), resulta interesante para su aplicación en los diversos problemas de sedimentación en corrientes naturales, situación que las relaciones empíricas no toman en cuenta.

Cuando el líquido está en movimiento, la turbulencia genera velocidades fluctuantes en la dirección vertical que afectan la velocidad de caída de las partículas (Hetsroni, 1989; Kaftori et al., 1995a, 1995b). Para analizar este efecto se han utilizado partículas uniformes de densidad similar a la del agua, donde la velocidad del fluido es mayor que la de la partícula en dirección del flujo y el efecto de turbulencia se ve reflejado en la velocidad vertical de la partícula, la cual está en función de la turbulencia, tirante, tamaño y forma de la partícula (Kaftori et al., 1995a, 1995b). Sin embargo, cuando las partículas son más densas, con es el caso de los sedimentos naturales (arenas), al conocimiento de los autores no se han presentado en la literatura científica fórmulas empíricas para cuantificar la velocidad de caída de sedimentos que consideren el efecto de la turbulencia generada por el fluido en movimiento.

La importancia de las técnicas de visualización radica en la determinación de los campos de velocidad del fluido y de las partículas sedimentarias. Las técnicas más utilizadas para este tipo de trabajos son velocimetría por imágenes de partículas (PIV) y velocimetría por rastreo de partículas (PTV); esta última permite determinar la velocidad de caída de las partículas de forma individual (Adrian, 1991; Salinas-Tapia et al., 2006). Las técnicas se basan en la captura de dos o más imágenes sucesivas de una región de un flujo iluminada por una hoja de luz láser.

Metodología

Los experimentos se realizaron considerando condiciones de flujo uniforme en un canal para transporte de sedimentos de 2 m de largo y 10 x 15 cm de sección El rango de velocidades del flujo es de 0.01 a 0.95 m/s.

Para realizar una adecuada calibración del sistema y obtener un flujo uniforme, en la entrada del canal se instaló un uniformizador de flujo, el cual permitió distribuir de forma uniforme las partículas trazadoras en la región de análisis.

La velocidad del fluido se determinó con PIV, para ello se emplearon partículas trazadoras de poliamida de 25 µm de diámetro y densidad de 1.03 g/cm³. El cuadro 1 muestra las principales características del flujo. Para el análisis de la velocidad de caída se emplearon partículas sedimentarias de arena de mina con densidad promedio de 2 560 kg/m³, las cuales se añadieron al flujo de forma manual en la superficie. Los diámetros de las partículas analizados variaron entre 0.075 mm y 1.00 mm (ver cuadro 2).

En la medición de los campos de velocidad se utilizó un sistema PIV, que consiste en un láser doble pulsado del tipo Nd-Yag, marca NEW WAVE de 15 mJ, una cámara digital tipo CCD de marca IDT de alta resolución espacial (1 036 x 1 360 píxeles), la cual adquiere en promedio cien imágenes por segundo y un software de captura y procesamiento de imágenes marca Sharp-proVision PIV. En la presente investigación se capturaron en promedio cien pares de imágenes por tipo de flujo y por rango de partículas sedimentarias, con tiempo de separación (t) de 2-10 ms (milisegundos) entre cada imagen. La figura 1 presenta la instalación experimental del sistema de PIV.

Para obtener la velocidad de las partículas sedimentarias, se utilizó el algoritmo de PTV desarrollado en Salinas-Tapia et al. (2006). El algoritmo realiza un pre-procesamiento para mejorar la calidad de las imágenes y posteriormente realizar el procesamiento para definir la forma de las partículas de forma individual e identificar los pares en tiempos sucesivos (t). Lo anterior, junto con los datos de distancia (d), permite determinar la velocidad de la partícula ( = d/t) de forma vectorial en 2D, cuyos componentes son la velocidad en dirección del flujo (u_p) y la velocidad transversal al flujo, considerada como velocidad de caída (w_s).

Resultados

Los resultados de la parte experimental se desarrollaron en dos etapas: una utilizando partículas esféricas (trazadores de poliamida), con el objeto de determinar las características del flujo para los diferentes R_ƒ, y otra con partículas no esféricas (sedimentos naturales), a fin de determinar la velocidad de caída para los diferentes rangos.

Para caracterizar el flujo, se obtuvieron los campos de velocidad del fluido aplicando la técnica PIV para los diferentes números de Reynolds (ver cuadro 1). En la figura 2a se presenta un campo de velocidad del fluido para R_ƒ = 28 160. Es importante acotar que la diferencia de la media calculada con PIV en cuanto a la media teórica (u = Q/A) es de 0.97% para estas condiciones de flujo; por lo tanto, se considera que la técnica PIV es confiable. En el cuadro 2 se tiene la variación entre la velocidad teórica y la obtenida con PIV.

En la figura 2b se muestran los campos vectoriales de la componente de velocidad, correspondiente a la velocidad de caída (w_s) para R_ƒ = 28 160 y grupo de sedimentos S4. En esta figura se puede apreciar la nube de sedimentos y la variabilidad de w_s, obtenida aplicando la técnica PTV para los diferentes tamaños de partículas. Igualmente se observa que se obtiene un valor promedio de w_s para los diferentes tamaños dentro de un rango, de ahí la importancia de obtener las relaciones entre los diferentes diámetros de partículas y los parámetros del flujo para determinar w_s.

Una de las relaciones de suma importancia es la que existe entre la velocidad de caída (w_s), el diámetro de la partícula (D) y el Reynolds de la partícula (R_p). Diferentes investigaciones han desarrollado ecuaciones para partículas de sedimentos naturales (Rubey, 1933; Dietrich, 1982; Yalin, 1977; Hallermeier, 1981; Ahrens, 2000; She et al., 2005). Sin embargo, la mayoría son presentados utilizando tanques sin movimiento transversal a la velocidad de caída. De ahí la importancia de los resultados obtenidos en la presente investigación.

El número de Reynolds de la partícula (R_p) se expresa como:

Donde D es el diámetro de la partícula; w_s, la velocidad de caída de la partícula, y ν es la viscosidad cinemática del fluido. Para fines de cálculo, el diámetro de la partícula se expresa de forma adimensional como diámetro de Yalin D_gr:

Donde s es la densidad relativa ; ρ_ƒ, la densidad del fluido; ρ_s, la densidad de las partículas sedimentarias, y g es la aceleración de la gravedad.

Este trabajo permite conocer experimentalmente con PIV y PTV w_s y por ende el R_p, y plantea una relación basada en la fórmula de Stokes para determinar los parámetros mencionados, considerando el efecto del movimiento del fluido (R_ƒ) de la siguiente forma:

Donde a es un parámetro que depende sólo de R_ƒ (en los modelos para tanques sin movimiento, este parámetro es constante); c es un parámetro que depende de R_{ƒ a}y de D_gr. Para este parámetro se usa la expresión , donde b depende de D_gr.

Sustituyendo el valor de c en la ecuación (3), se tiene que R_p de la partícula es:

En el cuadro 3 se presentan los valores de los parámetros a y b de la ecuación obtenida con el mejor ajuste a los datos experimentales y sus rangos de aplicabilidad.

Se puede afirmar, a partir de estos resultados, que el número de Reynolds de las partículas no depende únicamente del diámetro y propiedades físicas del fluido y las partículas, sino también de las características de movimiento del fluido, condición fundamental para su aplicación en los estudios de transporte de sedimentos en fluidos con movimiento transversal a la velocidad de caída.

Para comprobar las ventajas del modelo propuesto en esta investigación, se compararon los resultados obtenidos con los valores derivados del uso de tres fórmulas clásicas: Rubey (1933), Hallermeier (1981) y She et al. (2005). Las fórmulas se presentan en el cuadro 4.

En la figura 5 se observa la comparación del modelo propuesto con los modelos antes mencionados para R_ƒ = 28 160. Los resultados obtenidos por los modelos de la literatura se ajustan adecuadamente a los datos experimentales para R_ƒ< 15 000 y para D_gr < 10.5. Esto se debe a que las velocidades del fluido son pequeñas y los sedimentos tienen diámetro menor a 0.3 mm.

Sin embargo, para R_ƒ> 15 000 y D_gr < 10.5, se puede comprobar que los resultados presentados por los diversos autores sobrestiman los valores experimentales. La variación es moderada del 20% con respecto a los datos experimentales (PTV) para R_ƒ pequeños; esta diferencia aumenta a medida que se incrementa el R_ƒ.

Para R_ƒ> 15 000 y D_gr > 10.5, se obtuvo que los resultados presentados por los diversos autores sobrestiman aún más los valores experimentales. Principalmente los presentados por Hallermeier (1981) presentan una variación entre 40 y 50%, y She et al. (2005), una variación del 22 al 50%. La variación en cuanto a la fórmula de Rubey (1933) fluctúa entre 16 y 28%, en relación con los datos experimentales. Lo anterior demuestra que es importante considerar las condiciones del flujo para el análisis de transporte de sedimentos en fluidos en movimiento.

Conclusiones

La presente investigación permitió comprobar el efecto del movimiento transversal del fluido en la velocidad de caída de sedimentos en suspensión. Las técnicas ópticas PIV y PTV utilizadas permitieron determinar la velocidad de caída de partículas individuales. A partir de los resultados, se encontró una relación entre el número de Reynolds de las partículas, el tamaño de las partículas, las características físicas de éstas y del fluido, y el número de Reynolds del fluido.

Al comparar los resultados experimentales y el ajuste del modelo propuesto con aquellos obtenidos por otras fórmulas, se pudieron dilucidar las ventajas del modelo propuesto, que considera las características de movimiento del fluido para su aplicación, principalmente en estudio del transporte de sedimentos.

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