Análisis de flujos hiperconcentrados con el reómetro de bola rodante

Abstract

El presente trabajo de investigación se basa en el estudio del comportamiento reológico de flujos hiperconcentrados a través de un instrumento alternativo denominado reómetro de bola rodante. El equipo fue construido y probado con muestras de matrices granulares finas con distintas concentraciones en volumen (15%, 20% y 25%) preparadas con mezclas de agua y caolín. De esta manera, se probaron configuraciones con diferentes relaciones de diámetro de bola y de tubo. (0,46; 0,67; 0,84 y 0,89) en distintas inclinaciones (desde el ángulo correspondiente al esfuerzo de cedencia hasta un límite superior de 60°), obteniendo parámetros reológicos equivalentes que fueron aproximados al modelo de Herchell-Bulkley y calibrados por medio de los datos aportados por el investigador Phillipe Coussot. Lo anterior permitió la realización de reogramas del material ensayado, proporcionando valiosa información que sirve de apoyo a futuras investigaciones relacionadas a la elaboración de estrategias de mitigación y control del fenómeno de los aludes torrenciales. Las curvas obtenidas mostraron un comportamiento similar a las curvas de referencia. Se pudo constatar que la relación de diámetros que generó mejores resultados fue la correspondiente a d/D=0,83 en el rango de concentraciones entre 15% y 20%, mientras que relación d/D=0,67 proporciono resultados aceptables para la concentración de 25%. Al comparar los valores de esfuerzo de cedencia y esfuerzo de corte a bajas tasas de deformación se pudo evidenciar mínimas variaciones, lo cual permite verificar la utilidad de este equipo en la caracterización de flujos hiperconcentrados. Este trabajo proporciona, además, un protocolo de ensayo para la realización de las pruebas en el dispositivo y los resultados de una simulación numérica (realizada utilizando el software Ansys-CFX) que permiten validar los resultados obtenidos experimentalmente.

The present research is based on the study of the rheological behavior of hyperconcentrated flows through an instrument called rolling ball rheometer. The equipment was built and tested with samples of fine granular matrices with different volume concentrations (15%, 20% and 25%) which were prepared by mixing water and kaolin. Configurations with different ratio of ball diameter to tube diameter (0.46, 0.67, 0.84 y 0.89) were tested in different inclinations (from the angle corresponding to the yield stress to an upper limit of 60) to obtain equivalent rheological parameters. These configurations were approximated to Herschell-Bulkley model and calibrated using the data obtained by the researcher Phillipe Coussot. This allowed the construction of rheograms of the tested material, providing valuable information that could support future research related to the development of strategies to mitigate and control the hyperconcentrated flows phenomenon. The obtained curves describe a similar behavior to the reference curve. The diameter ratio that generated the best results was the corresponding to d/D=0.83 in the concentration range between 15% and 20%, while the ratio d/D = 0.67 provided acceptable results for the concentration of 25%. The values of yield stress and shear stress at low shear rates were very close, which verifies the usefulness of this equipment in the hyperconcentrated flow analysis. In addition, this work provides a protocol for testing hyperconcentrated flows in the equipment and the results of a numerical simulation (performed using the Ansys-CFX software) that allows to check the results obtained experimentally.