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Título: Influence of non-erodible particles on aeolian erosion
Autor(es): Caliman, Maria Clara Schuwartz Ferreira
Orientador: Santos, Jane Méri
Valance, Alexandre
Coorientador: Moctar, Ahmed Ould El
Harion, Jean-Luc
Data do documento: 5-Jan-2017
Editor: Universidade Federal do Espírito Santo
Resumo: Wind erosion process can lead to several environmental consequences: desertification, land degradation, air pollution, etc. This last one is related to particulate matter emissions from granular materials commonly found on industrial sites, such as ore and coal. The particle size distribution of these granular materials usually consist of a mixture of a wide range of diameters, which include larger particles that are non-erodible even with strong gusts of wind. The non-erodible particles play a protective role for erodible particles, paving the surface and reducing emissions. The main objective of this thesis is to estimate more accurately emissions due to wind erosion considering the influence of the pavement caused by non-erodible particles. An analytical model was proposed to quantify emissions from particle beds and stockpiles with a wide size distribution. The effects of pavement process are incorporated in the model through the decrease of the mean friction velocity on the erodible surface as the non-erodible particles accumulate. Previous works have defined a mathematical relation between the evolution of the friction velocity over the erodible surface and the geometry of the roughness elements. Nonetheless, the formulation was only valid to limited cover rates of non-erodible particles (< 12%). Numerical simulations were carried out in this work to extend the formulation in order to include other cases encountered in real situations (with larger amounts of non-erodible particles). The proposed emission model describes the relationship between the minimum value of friction velocity (at which emissions cease), taking advantage of the numerical findings, and the final eroded depth of the bed, which in turn, provides the emitted mass. Wind tunnel experiments were carried out in order to better understand the pavement phenomenon and estimate emissions from a bed of particles containing a bimodal size distribution. The experimental results were also used to validate the modelling, including the global emitted mass and the final characteristics of the bed surface. A good agreement was found between experimental and modelled results for the global emissions and the bed eroded depth. The erosion model was extended for application in stockpiles. In this case, the erodibility of the particles is more complex as the friction velocity and the threshold conditions are not spatially homogeneous. The idea of the model was to subdivide the pile in isosurfaces in which the threshold conditions and the friction velocity are constant and then treat each one of these areas as a different source WHERE the emission model can be applied. Wind tunnel experiments were carried out in order to estimate emissions from a sand pile containing a bimodal size distribution. The modelled and the experimental results were compared for the configuration of an isolated stockpile (oriented 60 and 90° to the main flow direction) and a good agreement was found between the estimated and the measured emitted mass. The impact of the presence of a building and a successive parallel stockpiles on the overall particles emission was also evaluated. Wind tunnel experiments and numerical simulations were carried out for several configurations evaluating the effects of: (i) main wind flow orientation, (ii) wind flow velocity, (iii) gap between the obstacle and (iv) amount of non-erodible particles. It was found that the flow interferences between the obstacles increase emissions. Therefore, all wind perturbations have a significant impact and have to be accounted in dust emission estimation and modelling.
O processo de erosão eólica pode levar a várias consequências ambientais: desertificação, degradação da terra, poluição do ar, etc. Esta última está relacionada com as emissões de partículas provenientes de materiais granulares comumenteencontrados em indústrias, como minério e carvão. A distribuição granulométricadestes materiais normalmente consiste em uma mistura com uma ampla gama detamanhos, incluindo partículas maiores que não são erodíveis mesmo com fortesrajadas de vento. As partículas não erodíveis desempenham um papel protetorpara as partículas erodíveis, pavimentando a superfície e reduzindo as emissões. Oobjetivo principal desta tese é estimar com maior acurácia as emissões devidas àerosão eólica considerando a influência da pavimentação causada pelas partículasnão-erodíveis.Um modelo analítico foi proposto para quantificar as emissões de leitos departículas e pilhas com ampla distribuição granulométrica. Os efeitos do pro-cesso da pavimentação são incorporados no modelo por meio da diminuição davelocidade de fricção média na superfície erodível à medida que as partículas não-erodíveis se acumulam. Trabalhos anteriores definiram uma relação matemáticaentre a evolução da velocidade de fricção na superfície erodível e a geometria doselementos rugosos. No entanto, a formulação é válida apenas para limitadas taxasde cobertura de partículas não-erodíveis (<12%). Simulações numéricas foramrealizadas neste trabalho para estender a formulação de modo a incluir outroscasos encontrados em situações reais (com maiores quantidades de partículas não-erodíveis). O modelo de emissão proposto descreve a relação entre o valor mínimoda velocidade de fricção (para qual as emissões cessam), utilizando os resultadosnuméricos, e a profundidade final erodida do leito, que, por sua vez, fornece amassa emitida.Experimentos em túnel de vento foram realizados para melhor compreender ofenômeno da pavimentação e estimar as emissões de um leito de partículas con-tendo uma distribuição granulométrica bimodal. Os resultados experimentais fo-ram também utilizados para validar a modelagem, incluindo a massa global emitidae as características finais da superfície do leito. Uma boa concordância foi encon-trada entre os resultados experimentais e modelados para as emissões globais e aprofundidade erodida do leito.O modelo de erosão foi estendido para aplicação em pilhas de estocagem. Nestecaso, a erodibilidade das partículas é mais complexa, uma vez que a velocidadexv de fricção e as condições de limiar não são espacialmente homogêneas. A ideia domodelo é subdividir a pilha em isosuperfícies em que as condições de limiar e avelocidade de fricção são constantes e, em seguida, tratar cada uma dessas áreascomo uma fonte diferente onde o modelo de emissão pode ser aplicado. Foramrealizados ensaios experimentais em túnel de vento para estimar as emissões deuma pilha de areia contendo uma distribuição de tamanho bimodal. Os resulta-dos experimentais e modelados foram comparados para a configuração de umapilha isolada (orientada60e90°em relação a direção do escoamento) e uma boaconcordância foi encontrada entre a massa estimada e a emitida.O impacto na emissão da presença de um edifício e de uma pilha de estocagemsucessiva também foi avaliado. Experimentos em túnel de vento e simulaçõesnuméricas foram realizados para várias configurações avaliando os efeitos de: (i)orientação do vento, (ii) velocidade do vento, (iii) espaçamento entre os obstáculose (iv) quantidade de partículas não erodíveis. Verificou-se que as interferências doescoamento entre os obstáculos aumentam as emissões. Portanto, todas as per-turbações no escoamento têm um impacto significativo e devem ser contabilizadasna estimativa e modelagem de emissões de partículas.
L’érosion éolienne est un processus naturel caractérisé par entraînement, transport et de dépôt de particules en raison de l’action du vent. Elle peut mener à plusieurs problèmes environnementaux tels que la désertification, la dégradation des terres, la pollution atmosphérique, entre autres. L’érosion éolienne promeut des émissions de particules provenant des tas de stockage de matériaux granulaires trouvés couramment dans les yards ouverts sur des sites industriels. Les caractéristiques géométriques des tas et son orientation vers le sens d’écoulement du vent principal ont une influence forte sur la quantité de particules émises. En outre, la présence d’autres obstacles tels que des bâtiments ou des tas supplémentaires dans les zones environnantes peut également influer sur la dynamique des écoulements et par conséquent influencer les émissions globales. L’Agence Américaine pour la Protection de l’Environnement (US EPA) a proposé un modèle d’émission, d’après les données de soufflerie des tas isolés avec deux formes différentes et trois orientations des tas à la direction du vent. Il a été le modèle plus largement utilisé pour la quantification d’émissions de poussière des sources diffuses. Toutefois, les différentes configurations des formes et des compositions des tas que l’on retrouve dans des sites industriels ne sont pas couvertes par ce modèle. La distribution de matériaux granulaires typiques disponibles en sites sidérurgiques, tels que le minerai et le charbon, sont généralement constitués d’un mélange d’une large gamme de diamètres, allant de quelques micromètres à un centimètre. Par conséquent, le mélange contient des particules plus grosses qui sont nonérodables même avec de fortes rafales de vent. Un lit ou un tas de matériaux granulaires avec un spectre granulométrique large contenant des particules érodables et non-érodables expérimente une accumulation de particules non-érodables à la surface, qui joue un rôle protecteur pour les particules érodables, en posant du pavage sur la surface et en réduisant des émissions. Les particules non-érodables créent les zones de sillage en aval qui protègent la fraction érodable de la surface. Certains modèles d’émission tiennent compte la largeur du spectre granulométrique de particules (Marticorena and Bergametti, 1995; Kok et al., 2014). Cependant, il est supposé généralement que la quantité de particules érodables est illimitée et la variation temporelle de la distribution de particules du matériau granulaire n’est pas considérée. Par conséquent, l’objectif principal de ce travail est de proposer un modèle pour estimer les émissions dues à l’érosion éolienne, en tenant compte l’influence du pavage causée par les particules non-érodables et d’évaluer l’impact de la présence de bâtiments et/ou plusieurs tas en yards de stockage sur l’ensemble d’émissions de particules. Par conséquent, les tâches suivantes ont été réalisées : • Évaluation de l’influence des particules non-érodables sur la distribution des contraintes de cisaillement (vitesse de frottement) sur la surface par moyen de simulation numérique de l’écoulement sur des lits de matériaux granulaires ; • Analyse de l’influence de pavage et des phénomènes de l’impact sur les émissions causées par l’érosion éolienne ; • Analyse de l’influence d’une surface inclinée (tas de stockage) sur les émissions ; • Recherche sur l’impact de la présence de bâtiments et/ou plusieurs tas sur l’érosion éolienne. Le modèle analytique proposé a été initialement développé pour quantifier les émissions des lits de particules. Il prend en compte deux phénomènes importants au cours de l’érosion éolienne : pavages et saltations. Les effets de saltation ont été inclus en utilisant le seuil dynamique au lieu du seuil statique. Les effets du processus de pavage sont incorporés dans le modèle par la diminution de la vitesse de frottement moyenne sur la surface d’érosion que s’accumulent les particules non-érodables. La distribution de la vitesse de frottement sur la surface d’érosion d’un lit de particules a été évaluée par moyen de simulations numériques sur un domaine partiellement couvert par des éléments de rugosité. Des travaux précédents ont défini une relation mathématique entre l’évolution de la vitesse de frottement sur la surface d’érosion et la géométrie des éléments de rugosité (Turpin et al., 2010; Furieri et al., 2013a). Néanmoins, la formulation n’était valide que à des taux de couverture limitée de particules non-érodables (< 12%). Des simulations numériques supplémentaires ont été effectuées dans ce travail pour étendre la formulation afin d’y inclure d’autres cas rencontrés dans des situations réelles (avec plus grandes quantités de particules non-érodables). Il a été révélé que la forme mathématique de la relation proposée précédemment pour la vitesse de frottement en fonction des paramètres géométriques des éléments de rugosité (diamètre, hauteur émergente et taux de couverture) est toujours valable, mais les constantes numériques devaient être modifiées afin de couvrir le large éventail de cas rencontrés dans la nature. Les résultats numériques ont permis la modélisation du processus de pavage puisque les particules non-érodables accumulent sur la surface du lit de particules. Le modèle d’émission proposé décrit la relation entre la valeur minimale de la vitesse de frottement (au cours de laquelle les émissions cessent), prenant avantage des résultats numériques, et la profondeur finale érodée du lit, qui à son tour, fournit la masse émise. Un des avantages du modèle est qu’il est une expression algébrique simple qui exige l’effort de calcul faible. Le modèle prédit avec succès la diminution des émissions avec la proportion de l’augmentation de particules non-érodables. En outre, le taux de couverture des particules non-érodables après le phénomène du pavage a été quantifié. Des expériences en soufflerie ont été menées afin de mieux comprendre le phénomène du pavage et d’estimer les émissions d’un lit de particules. Les résultats expérimentaux ont aussi servi à valider la modélisation, y compris la masse globale émise et les caractéristiques finales de la surface du lit. Une granulométrie bimodale de sable avec des particules érodables et non-érodables pour les vitesses testées a été utilisée. Trois types de mesures ont été effectuées : (i) pesée successive de la masse émise, (ii) profondeur d’érosion du lit (iii) taux de couverture finale des particules non-érodables en utilisant l’analyse numérique des photos du lit de sable après expériences. Un bon accord a été trouvé entre les résultats expérimentaux et modélisées pour les émissions et la profondeur du lit érodé. Le modèle d’émission a été étendu pour décrire l’érosion des tas de stockage. Dans ce cas, l’érodabilité des particules est plus complexe car la vitesse de frottement et les conditions de seuil ne sont pas spatialement homogènes. La vitesse de frottement n’est pas constante sur la surface du tas une fois que le tas se comporte comme un obstacle et modifie l’écoulement de vent. Les conditions de seuil d’émission ne sont pas uniformes sur toute la surface du tas une fois que la pente crée des contributions distinctes des forces qui agissent sur les particules. La vitesse de frottement du seuil locale sur la pile dépend de la pente et de la direction de la contrainte de cisaillement basale locale. Par conséquent, la distribution de cisaillement sur le tas est requise comme données d’entrée pour le modèle d’émissions pour les tas de stockage. L’idée du modèle d’émission de tas est de diviser la surface du tas. Tout d’abord, il se subdivise en des isosurfaces où les critères de seuil sont constants. Une fois que le seuil est défini pour chaque partie du tas, les domaines avec le même dégrée d’exposition au vent sont regroupés. Ainsi, chacun de ces domaines est séparé dans des isosurfaces avec vitesse de frottement constante. Après les deux subdivisions, chaque isosurface dans lequel les conditions de seuil et la vitesse de frottement sont constantes est considérée comme une source différente, où le modèle d’émission peut être appliqué. Des expérimentations en soufflerie ont été également effectué afin d’estimer les émissions d’un tas de sable contenant une distribution granulométrique bimodale. La modélisation et les résultats expérimentaux ont été comparés pour la configuration d’un tas de stockage isolé (oriented 60 and 90° à la direction de l’écoulement principal) et un bon accord a été trouvé entre l’estimation et la masse émise mesuré. L’impact de la présence d’un obstacle sur l’émission de particules a également été évalué une fois que les sites industriels comprennent habituellement plusieurs tas de matériaux granulaires et bâtiments à proximité. Des expérimentations de soufflerie et des simulations numériques ont été réalisées pour plusieurs configurations, en évaluant les effets de : (i) orientation du flux de vent principal, (ii) vitesse d’écoulement de vent, (iii) l’écart entre les obstacles et (iv) la quantité de particules non-érodables. Dans l’étude expérimentale, les particules dans les tas avaient une granulométrie bimodale, composé de sable qui a été érodable (blanc) et non-érodable (noir) dans la gamme de vitesse étudié. Les couleurs contrastantes ont permis la visualisation de l’accumulation de sable non-érodable. La distribution du cisaillement et des lignes de flux prévues par les simulations numériques a été associé aux visualisations pariétales de l’érosion. En plus, la masse émise a été quantifiée expérimentalement comme la différence entre les poids des tas initiaux et finaux. Il a été constaté que les interférences de l’écoulement entre les deux tas augmentent les émissions et le montant global peut être plus de deux fois les émissions d’un tas isolé. Le tas en aval est beaucoup plus affecté que le tas en amont. Les particules du tas en amont incident sur le tas en aval, ce qui promeut des éjections en plus. En outre, il a été constaté que les changements de l’écoulement en raison de la présence du bâtiment augmentent les émissions, en particulier de la partie en amont du tas. Par conséquent, toutes les perturbations du vent ont un impact significatif et doivent être reprises dans l’estimation des émissions de poussière et modélisation. Cette étude est une étape importante vers une évaluation plus précise des émissions de l’érosion éolienne des lits et tas de stockage de matériaux granulaires. Cependant, des recherches sont encore nécessaires pour étudier le processus de pavage dans des situations plus générales pour des applications pour des conditions réelles telles que celles trouvées sur les sites industriels. Il est recommandé d’effectuer des analyses de similarité entre le modèle de soufflerie et un tas réel afin de représenter fidèlement le comportement du champ. En outre, il y a des limites dans le modèle proposé et de plus amples recherches sont également nécessaires. Du travail en plus pour améliorer la modélisation en incluant un critère de suspension de particules afin d’enquêter sur le comportement des particules après l’entraînement et déterminer s’ils restent en suspension ou sont éliminés par les dépôts. L’influence des autres paramètres, tels que les conditions de stabilité atmosphérique, la température et l’humidité peut aussi être importante. La thèse est organisée en 5 chapitres. Chapitre 1 présente les informations de fond sur l’écoulement atmosphérique et l’érosion éolienne et une revue de la littérature scientifique pertinente. Chapitre 2 présente les résultats obtenus par l’étude expérimentale de l’érosion éolienne des lits, décrivant le développement théorique du modèle d’émissions pour les surfaces horizontales qui utilise les résultats numériques de la partition de la contrainte de cisaillement sur un lit contenant des particules non-érodables, et présente la validation du modèle. Chapitre 3 présente le modèle étendu d’émission pour les tas de stockage et discute l’impact sur les émissions des obstacles supplémentaires en sites ouverts, comme un autre tas ou d’un bâtiment, à l’aide de simulations numériques pour obtenir le champ de contraintes de cisaillement et des données expérimentales obtenues en soufflerie pour valider le modèle d’émission. Enfin, les chapitres 4 et 5 présentent les conclusions de cette thèse et les recommandations pour les travaux futurs.
URI: http://repositorio.ufes.br/handle/10/9457
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