Segregação de partículas polidispersas em interações entre dunas

Resumo

O transporte de material granular através de um escoamento turbulento é muito comum na natureza e indústria. Alguns exemplos são o transporte de areia pelo vento nos desertos e pela água em rios e oceanos, o transporte de areia em canais e sistema de dragagem e o transporte pneumático de grãos na indústria de alimentos. Em escoamento horizontal, o transporte de partículas pode ocorrer como uma camada móvel de grãos. Sob certas condições, o leito granular pode ser deformado, levando à formação de rugas e dunas. Entre as dunas formadas por esse tipo de interação, a duna do tipo barcana tem sido objeto de estudo de cientistas em geral. Barcanas são formadas em áreas com escoamento predominantemente unidirecional e quantidade limitada de areia (Bagnold, 1941). Pode-se encontrar dunas do tipo barcana em alguns ambientes, como desertos, rios, fundo de oceanos, e também na superfície do planeta Marte. Além disso, as barcanas pertencem a campos de dunas, onde podem influenciar e serem influenciadas por outras dunas com diferentes tamanhos e velocidades (Bacik et al., 2020; Assis e Franklin, 2021). Até o presente momento, estudos experimentais fizeram uso de partículas monodispersas para entender a interação entre dunas. Entretanto, dunas presentes na natureza consistem de partículas polidispersas. Como a polidispersividade dentro da duna pode afetar a interação entre elas, e como se dá o movimento das partículas dentro do leito, são questões ainda a serem respondidas. Este projeto propõe um estudo experimental da interação de dunas de material polidisperso, o que inclui a segregação dos grãos durante o processo. Como o problema é complexo, nós propomos investigar estas interações em dunas bidimensionais, que se comportam aproximadamente como a parte central das dunas barcanas. Os experimentos serão realizados em um canal circular bidimensional onde 12 pás equidistantes direcionam o escoamento ao movimentar a superfície livre em velocidades pré-determinadas. Pilhas de misturas bidispersas de partículas serão colocadas no fundo do canal para serem deformadas em dunas pelo escoamento imposto. Para rastrear as dunas durante as interações, nós usaremos duas câmeras: a primeira irá girar junto com a parede inferior do canal e fornecerá informações sobre o transporte local de sedimentos; a segunda irá registrar a evolução da morfologia das dunas ao longo do tempo. A morfodinâmica será calculada através de processamento de imagem. Este trabalho ocorrerá em duas partes: a primeira, descrita nesta proposta, será conduzida na Universidade de Cambridge e levará 4 meses para ser executada. O objetivo principal da primeira parte do projeto será investigar a dinâmica de dunas quando há mais de um tipo de partícula presente no leito. A segunda parte do projeto, a ser submetida após a conclusão da primeira parte, será realizada na Universidade do Colorado - Boulder, e terá duração de 8 meses. As possibilidades de trabalho incluem, além da continuação de experimentos de interação de dunas realizadas na primeira parte, a modelagem numérica da interação de dunas e movimento de partículas, e trabalho de campo no Great Sand Dunes National Park. Em ambas as partes, o aluno será orientado pela Prof. Nathalie Vriend. A pesquisa da professora Vriend engloba a geomecânica de materiais granulares, a propagação de ondas em materiais particulados, a segregação de partículas em avalanches, e a interação de dunas. Além de mostrar alguns mecanismos de segregação e sua influência nas interações de dunas do tipo barcana, este trabalho irá nos ajudar a entender como diferentes estruturas são formadas em uma duna, gerando as camadas (strata) que são geralmente empregadas para deduzir a história dos campos de barcanas presentes na superfície do planeta Terra (Alvarez et al., Phys. Fluids, 2021). (AU)