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Título: Influence of non-erodible and particles on aeolian erosion.
Autor(es): Caliman, Maria Clara Schuwartz Ferreira
Orientador: Santos, Jane Meri
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.
URI: http://repositorio.ufes.br/handle/10/9457
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