Estudo da dinâmica sedimentar e do depósito em correntes de turbidez por meio de simulação numérica

Abstract

Correntes de turbidez são fluxos gravitacionais devidos à diferença de massa específica pela presença de sedimentos e sua propagação e seu depósito são temática recorrente de estudos. O objetivo deste trabalho é avaliar o depósito de correntes de turbidez em configuração de lockrelease utilizando modelagem numérica. Foi utilizado o código SuLi, que resolve as equações 3D da Continuidade e de Navier-Stokes, com aproximação não-hidrostática da pressão, em malha regular, com esquema upwind de diferenças finitas de primeira ordem. O código resolve a equação de Advecção-Difusão com um esquema upwind e foram agregadas diferentes fórmulas para a velocidade de queda de sedimentos. O código foi verificado para os casos de difusão pura, advecção unidimensional com difusão e advecção unidimensional pura, mostrando que representa adequadamente os dois primeiros. O teste de convergência de malha confirmou a ordem para os termos convectivo e difusivo utilizados. A validação foi realizada com trabalho experimental, para diferentes fórmulas de velocidade de queda, sendo a formulação de Stokes a que apresentou os resultados mais próximos do trabalho experimental. Analisou-se a posição e a velocidade da frente, o depósito, a massa em suspensão e a taxa de sedimentação de correntes de turbidez deposicionais mono e bidispersas (com diferentes percentagens e diâmetros de sedimentos grossos e finos) e de uma corrente tridispersa. Quanto maior é a proporção de material grosso, maior é o valor do pico do depósito e menor é o alcance da corrente. A presença de material fino faz a corrente avançar por mais tempo, pois os sedimentos permanecem em suspensão, produzindo um depósito mais distribuído na direção da corrente. Os sedimentos finos são responsáveis pelo avanço da corrente, enquanto que o material em maior quantidade é predominante no depósito total da corrente. E por fim, o depósito do material grosso praticamente não é alterado pelo tamanho e pela quantidade de sedimentos finos, entretanto, o depósito de sedimentos finos é sensível tanto ao tamanho quanto à proporção do material grosso.

Turbidity currents are gravitational flows in which the density di erence is due to the presence of sediment and its propagation and deposit are a recurrent theme of studies. This work aims to evaluate the deposit of the turbidity current in the lock-release configuration using numerical modeling. Simulations were performed using the code SuLi, which solves the 3D Continuity and Navier-Stokes equations with a non-hydrostatic pressure approach in a regular mesh and a first order upwind finite di erence scheme. The code solves the Advection-Di usion equation with an upwind scheme and several falling velocity formulas for the sediment were added to the code. The code was verified for pure di usion, one-dimensional advection with di usion and pure one-dimensional advection cases, showing that it properly represents the first two. The mesh convergence test confirmed the order of the convective and di usive terms. The validation was performed with experimental paper, for di erent settling velocity formulas and the Stokes formulation presented results closer to the experiments. Front position and velocity, deposit, suspended mass and rate of sedimentation were analyzed for mono and bidisperse turbidity currents (with di erent fractions and diameters of coarse and fine sediments) and for a tridisperse turbidity current. The greater the proportion of coarse material, the greater the peak value of the deposit and the smaller the current reach. The fine material presence makes the current advance for a longer time, as the sediments remain in suspension, producing a more distributed deposit in the flow direction. The fine sediments are responsible for the current’s advance, whereas the material with the higher fraction dominates the total deposit. And lastly, the coarse material deposit is practically not a ected by the fine material size or quantity, while the fine sediment deposit is sensible to the size and proportion of the coarse material.