Numerical and experimental study of granular piles when subjected to wind erosion

Tese de doutoramento em Engenharia Mecânica, no ramo de Aerodinâmica Industrial e Engenharia do Vento, apresentada ao Departamento de Engenharia Mecânica da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de CoimbraThe transport of soil particles by wind is of enormous relevance in a wide range of events from those related to agriculture (e.g., seed transport) to the formation and modification of the landscape. A classic example is sand dunes, which can be formed, moved, or entirely eroded due to aeolian processes. Still, aeolian transport of particles may cause serious damage in transportation, communications and severe environmental problems, such as the degradation of air quality due to dispersion of pollutants from stockpiles. The wind exposure will lead to the particles movement through several mechanisms, such as, suspension, creeping, saltation, and saltation bombardment. Consequently, the free surface will change over time due to entrainment and deposition phenomena. The main objective of this study is assessing the airflow characteristics over and around granular material complex three-dimensional piles when subjected to the wind erosion and its influence in the behavior of the free surface, as well as, in the sand emission rate. A literature review was made over the main subjects of interest to the present work, from the basics, such as granular material and aeolian transport mechanisms, to the key magnitudes involved in the wind erosion phenomena. Studies performed to calculate the dust emission from stockpiles are presented and reviewed along with the widely applied methodology from United States Environmental Protection Agency (USEPA). This methodology estimates the emission of particles from stockpiles only during specific erosion events, such as bursts, when in reality emissions occur in many other occasions. The present work offers the possibility of conducting the determination of emissions from stockpiles along time; this approach makes viable to follow the time-dependent evolution of the free surface enhancing in this way the accuracy of the predictions. Therefore, studies that are related to free surface progress are also reviewed. The present work has a significant experimental component, and the thesis describes in considerable detail the experimental apparatus and procedures, including wind tunnel, granular material, tested pile configurations and performed tests – in particular, erosion and shear stress (with Irwin probes) measurements. In addition, the use of Computational Fluid Dynamics (CFD) plays an important role in the present study; therefore, for completeness, key concepts related to CFD are included in this thesis along with a brief survey of studies that employ CFD methodology to evaluate aeolian erosion. The present CFD studies were conducted by using an open source CFD code – OpenFOAM (OF). The motivation for the selection of OF, as the CFD tool, is related to its wide acceptance in the scientific community; moreover, its application to the prediction and study of wind erosion is an original contribution to this field of research. Full description of the numerical model and its implementation are given along with the methodology used in the model validation. Two different pile configurations were studied - a two-dimensional triangular pile and a three-dimensional oblong pile. The increasing geometrical complexity of the piles allowed gaining gradual experience with the procedures and methodologies involved. The experimental and numerical studies for these cases and their results are analyzed and discussed. In what concerns the oblong piles, the numerical results are correlated with the registered free surface deformation of the piles and compared against other study available in the literature, in which oil film visualization tests were conducted and a different CFD tool was used. Considering that the model validation is partly performed against experimental results, particular attention was given to their accuracy. For the triangular piles, the comparison is primarily against the wall shear stress results obtained using the Irwin probes, which were built and calibrated for this work. The study of these probes was extensive and it led to an innovative and significant contribution to this field of research, which justifies an integrated, but autonomous Part B of this thesis. Due to the versatility of experimental apparatus built to assist the calibration of the Irwin probes, a more in-depth study was also carried out on the flow through rectangular ducts with a constant and variable cross-section. Finally, the main findings resulting from the present work are summed up and some recommendations for future work are given.O transporte de partículas do solo pelo vento é de enorme relevância numa ampla gama de eventos, desde os relacionados com a agricultura (por exemplo, o transporte de sementes) até a formação e modificação da paisagem. Um exemplo clássico são as dunas de areia, que se podem formar, mover ou erodir totalmente devido a processos eólicos. Por outro lado, o transporte de partículas pode provocar sérios danos no sector dos transportes, comunicações e graves problemas ambientais, como a degradação da qualidade do ar devido à dispersão de poluentes provenientes de pilhas de armazenamento. A exposição ao vento pode levar ao movimento das partículas através de vários mecanismos, tais como, suspensão, arrastamento, saltação e bombardeamento das partículas em saltação. Consequentemente, a superfície livre irá mudar ao longo do tempo devido aos fenómenos de arrastamento e deposição. O objetivo principal deste estudo é investigar as características do fluxo de ar sobre e ao redor de pilhas tridimensionais (3D) complexas de material granular quando sujeitas à erosão do vento e avaliar a sua influência no comportamento da superfície livre, bem como na taxa de emissão. Uma revisão bibliográfica foi feita sobre os principais temas de interesse para o presente trabalho, desde o básico, como material granular e mecanismos de transporte eólicos, até às grandezas chave envolvidas nos fenómenos de erosão do vento. Estudos realizados para calcular a emissão de poeira de pilhas de armazenamento são apresentados e revistos juntamente com a metodologia, amplamente aplicada, da Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos (United States Environmental Protection Agency - USEPA). Esta metodologia estima as emissões de partículas a partir de pilhas de armazenamento apenas durante eventos de erosão específicos, tais como rajadas, quando as emissões na realidade ocorrem em muitas outras ocasiões. O presente trabalho oferece a possibilidade de realizar a determinação de emissões de pilhas de armazenamento ao longo do tempo; esta abordagem torna viável seguir a evolução dependente do tempo da superfície livre, aumentando assim a precisão das previsões. Portanto, estudos relacionados com a evolução da superfície livre são também revistos. O presente trabalho tem uma componente experimental significativa, e a tese descreve em considerável detalhe a montagem experimental e os procedimentos, incluindo o túnel de vento, material granular, as configurações de pilhas testadas e os testes executadas – em particular, testes de erosão e de medição da tensão de atrito (com sondas Irwin). Adicionalmente, o uso da Dinâmica de Fluidos Computacional (em inglês: Computational Fluid Dynamics — CFD) desempenha um papel importante no presente estudo, assim sendo, para completar, conceitos chave relacionados a CFD estão incluídos nesta tese, juntamente com uma breve pesquisa de estudos que empregam a metodologia CFD para avaliar a erosão eólica. Os presentes estudos CFD foram realizados usando um software CFD de código aberto - OpenFOAM (OF). A motivação para a seleção do OF, como ferramenta CFD, está relacionada com a sua ampla aceitação na comunidade científica; e além disso, a sua aplicação na previsão e estudo da erosão eólica é uma contribuição original para este campo de pesquisa. A descrição completa do modelo numérico e da sua implementação são dadas juntamente com a metodologia utilizada na validação do modelo. Foram estudadas duas configurações de pilha diferentes - uma pilha triangular bidimensional (2D) e uma pilha tridimensional (3D) oblonga. A crescente complexidade geométrica das pilhas permitiu ganhar experiência de forma gradual com os procedimentos e metodologias envolvidos no estudo. Os estudos experimentais e numéricos para estes casos, bem como os seus resultados, são analisados e discutidos No que diz respeito às pilhas oblongas, os resultados numéricos são correlacionados com a deformação de superfície livre das pilhas e comparados com outro estudo disponível na literatura, no qual foram realizados testes de visualização de filmes de óleo e utilizada uma ferramenta CFD diferente. Considerando que a validação do modelo é parcialmente realizada através da comparação dados experimentais; especial atenção foi dada à sua precisão. Para as pilhas triangulares, a comparação é feita, principalmente, com resultados da tensão de atrito da parede medidos através das sondas Irwin, as quais foram construídas e calibradas para este trabalho. O estudo efetuado com estas sondas foi extenso e contribuiu de forma inovadora e significativa para esta área de pesquisa, o que justifica uma Parte B integrada, mas autónoma desta tese. Devido à versatilidade da montagem experimental construída para auxiliar a calibração das sondas Irwin, um estudo mais aprofundado foi também realizado sobre escoamentos em condutas retangulares com seção transversal constante e variável. Finalmente, as principais conclusões que resultam do presente trabalho são resumidas e sugerem-se algumas recomendações para o trabalho futuro