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De acordo com o que foi discutido no item anterior, várias conclusões a respeito do transporte de sedimentos não podem ser aplicadas universalmente, uma vez que não incorporam conhecimentos a respeito da turbulência. Assim, apesar da grande quantidade de pesquisas relacionadas ao estudo do transporte de sedimentos, o estado geral do conhecimento deste fenômeno é ainda relativamente incipiente.

Sutherland (1967) desenvolveu o que talvez tenha sido o estudo pioneiro que relacionou o efeito da turbulência no transporte de sedimentos. Observações dos movimentos das partículas levaram-no a considerar que o início e a suspensão das mesmas são causados por estruturas turbilhonares que desfazem a sub-camada viscosa e atuam diretamente sobre o leito do canal. Sua hipótese de transporte fundamenta-se na idéia de movimentos “explosivos”, descobertos simultaneamente por Kline et al. (1967). Este conceito é consistente com a terminologia atual dos movimentos de ejeções e varreduras. Embora sem resolver o problema da interação entre o fluido e a partícula, Sutherland enfatizou que os sedimentos não podem ser suspensos sem a presença de flutuações turbulentas adjacentes e dirigidas diretamente ao leito do cana l. Outras valiosas pesquisas de transporte de sedimentos, onde a turbulência assume papel fundamental, foram descritas por Grass (1983), Sumer (1986) e outros. Observações laboratoriais de estruturas turbulentas coerentes, nos escoamentos em canais, têm revelado a importância da turbulência na erosão e suspensão das partículas de sedimentos (GARCIA et al., 1995, 1996). Estas observações indicaram claramente que a suspensão incipiente das partículas está associada com estruturas turbulentas coerentes ao longo da parede de fundo do canal. Assim, o conhecimento de estruturas coerentes guarda fortes relações com o mecanismo de transporte de sedimentos. Estruturas coerentes de grande escala contêm a maior parte da energia turbulenta, causando um impacto significativo no transporte de partículas suspensas.

Nas regiões distantes das paredes, a turbulência também exerce influência na manutenção de sedimentos em suspensão. Assim, quando a velocidade de sedimentação é sobrepujada por velocidades instantâneas locais ascendentes, a partícula se mantém em suspensão no corpo do escoamento. Essas correntes ascendentes podem decorrer tanto de estruturas turbilhonares de grande, quanto de pequena escala, sendo o seu grau de influência dependente das dimensões e da densidade da partícula.

2.2.3.1– Turbilhões de grande escala

Notadamente, os turbilhões de grande escala surgem em camadas cisalhantes dos escoamentos, ou seja, em regiões onde o gradiente de velocidade é elevado. A figura 2.12 ilustra a presença desses turbilhões entre duas regiões de velocidades bastante distintas. A natureza dessas estruturas está ligada ao comportamento dos campos de base de velocidade que, nessas camadas, são inflexionais.

Figura 2.12 – Estruturas turbilhonares de origem cisalhante entre duas regiões de velocidades distintas

Os turbilhões de origem cisalhante representam um mecanismo fundamental para o transporte de sedimentos em canais aluviais. Estes domínios são geralmente caracterizados por fundos ondulados (ondulações, dunas ou anti-dunas). A presença das ondulações faz surgir duas regiões com velocidades de ordens de grandezas distintas, além de separar a camada limite nas suas cristas. Isto estabelece uma camada cisalhante livre, ao longo da qual há a formação de grandes turbilhões (ver figura 2.13). Chang e Scotti (2003), realizaram Simulações Numéricas Diretas (SND) em canais com fundos ondulados, comprovando a preponderância dessas estruturas turbilhonares no lançamento de partículas em direção ao corpo principal do escoamento.

Figura 2.13 – Surgimento de turbilhões de grande escala com origem cisalhante a jusante das cristas de uma duna

velocidades elevadas

É interessante notar que, em canais naturais, a origem de estruturas desta espécie requer a existência de uma superfície convexa, uma vez que o desprendimento dos vórtices ocorre a partir das cristas das ondulações.

2.2.3.2 – Estruturas explosivas

As estruturas turbulentas explosivas surgem nas adjacências das paredes (y+=100,

ν

* u y

y+ = ⋅ ). Ao contrário dos movimentos turbilhonares descritos no item anterior, a origem e evolução inicial destas estruturas ocorre na sub-camada viscosa, o que faz com que o efeito da viscosidade do fluido seja preponderante para esta evolução. O surgimento de instabilidades de origem viscosa, originadas a partir de filamentos de fluido de baixa velocidade, que culminam em turbulência tridimensional, representa um caso típico de transição à turbulência e que está intimamente ligado ao fenômeno de “explosão”. Para descrições mais detalhadas, ver Lesieur (1997) e Silveira Neto (2003).

As figuras 2.14 e 2.15 ilustram o mecanismo que redunda nas estruturas explosivas. Visualizações do escoamento, feitas com injeção de bolhas de hidrogênio, têm revelado a presença de regiões de baixa velocidade na sub-camada viscosa. Tais visualizações acusam a presença de filamentos de fluido de comportamento laminar, os quais, devido à ação da viscosidade, sofrem pequenas oscilações características das instabilidades de Tollmien- Schlichting (TS). Essas perturbações são amplificadas, gerando oscilações de maior amplitude e perpendiculares à parede, as quais originam instabilidades “grampo de cabelo” ou “ferradura”. Tais instabilidades são determinadas por filamentos de fluido que giram em sentido contrário ao do escoamento (dito contra-rotativos). A referida rotação determina uma tendência de erguer a crista do filamento em direção ao corpo do escoamento e de manter os vales próximos ao fundo (ver figura 2.14 (c)). Esses mecanismos geram estiramento e posterior ruptura do filamento, ocasionando as explosões que lançam parcelas consideráveis de fluido (e, neste caso, também de sedimentos) em direção ao corpo principal do escoamento (ejeção). A última ejeção é seguida imediatamente por um efeito de varredura, causada por porções de fluido com elevada quantidade de movimento que tomam a direção da parede do canal. Localmente, uma súbita variação nas flutuações das velocidades longitudinal e transversal é observada. Este cenário é típico de escoamentos sobre placas planas ou convexas.

Figura 2.14 – Origem das estruturas explosivas que ocorrem sobre o fundo de canais (retirado de SILVEIRA NETO, 2003): (a) vista frontal; (b) esquema de vista longitudinal; (c) vista ampliada

Figura 2.15 – Desenvolvimento longitudinal de estruturas explosivas sobre um fundo plano (retirado de PIOMELLI, 1999)

Assim, a transferência de partículas próximas às paredes é também condicionada por estruturas coerentes explosivas que controlam o ciclo de regeneração da turbulência. Uma série de experimentos (KAFTORI et al., 1995 a,b; GYR e SCHMID, 1997; SECHET e LE GUENNEC, 1999) demonstram que tanto o processo de ressuspensão quanto o processo de deposição de sedimentos podem ser controlados pelas “explosões turbulentas”. Dessa forma,

(a) (b)

o comportamento das partículas apresenta correlação com o movimento destas estruturas que causam, basicamente, três tipos de efeitos:

• surgimento de depósitos em regiões de baixa velocidade próximas às paredes;

• disponibilidade de condições para ressuspensão de partículas do leito para o corpo principal do escoamento, através das ejeções;

• favorecimento ao processo de deposição, pelo arrasto de partículas suspensas no escoamento em direção ao fundo do canal, através das varreduras.

A figura 2.16 ilustra este mecanismo de transporte de sedimentos obtido através de uma série de observações experimentais.

2.2.3.3 – Vórtices de Görtler

Adicionalmente, podem aqui ser mencionados os vórtices de Görtler, que são estruturas secundárias (transversais ao escoamento principal e originadas por flutuações de velocidade), os quais ocorrem em escoamentos sobre superfícies côncavas (ver figura 2.17). Sua origem está relacionada à força centrífuga atuante nas parcelas de fluido que escoam próximas a essas regiões.

A importância dos vórtices de Görtler para o transporte de partículas, segundo destacam as Simulações de Grandes Escalas (SGE) de Zedler e Street (2001), está no fato dessas estruturas estarem associadas a regiões do escoamento com elevadas velocidades verticais, sejam elas positivas ou negativas. Recorrendo ao caso dos escoamentos aluviais, onde as formas de fundo em geral são onduladas, Chang e Scotti (2003), através de

Simulações Numéricas Diretas (SND), verificaram que os vórtices de Görtler são formados preferencialmente nos aclives das dunas. A estrutura das correntes secundárias de Görtler pode ser ilustrada pela figura 2.18.

Figura 2.17 – Esquema dos vórtices de Görtler sobre uma superfície côncava (retirado de SILVEIRA NETO, 2003)

Figura 2.18 – Vórtices de Görtler que aparecem em seções transversais ao sentido preferencial do escoamento