[論文レビュー] Particle dynamics in self-generated dunes over a range of hydraulic and sediment transport conditions using LES--DEM

Rui Sun, Heng Xiao+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2016

Hydrology and Sediment Transport Processes参考文献 53被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、SediFoamソルバを用いてLES–DEM（大渦シミュレーション–離散要素法）を実施し、さまざまな水理的・輸送条件下における自己生成dunes内の粒子動態および堆積物フラックスをシミュレートした。低輸送状態ではベッドロードが支配的である一方、レイノルズ数が上昇すると懸濁状態の輸送が増加し、床形態の不安定化とバイパッサージングを引き起こすことが明らかになった。特に懸濁状態の寄与が顕著になると、床形態に基づく輸送率推定値は実際の総フラックスを低く見積もってしまう。

ABSTRACT

Direct measurement of vertical and longitudinal sediment fluxes on migrating sandy bedforms are extremely difficult to perform in both the field and laboratory. In this study we use the LES--DEM (large eddy simulation--discrete element method) solver SediFoam to examine the individual particle motions and resulting fluxes in a domain of self-generated dunes. In SediFoam, the motions of, and collisions among, the sediment grains as well as their interactions with surrounding turbulent flows are resolved. The numerical simulations are performed over a range of transport settings, spanning bedform inception through washout conditions, to examine the individual particle dynamics. The space-time evolution of dune surfaces is demonstrated. The self-generated dunes are stable at relatively low Reynolds numbers, but then become increasingly unstable at higher Reynolds numbers; eventually washing out as the number of bypass grains and particles in suspension increase. Data from the simulation are used to examine the vertical entrainment rate of particles and the fractionation of total sediment load into bed and suspended fractions as a function of transport conditions. The study also compares the sediment transport rate obtained using the bedform geometry and celerity to the true transport rate at different transport stages.

研究の動機と目的

• さまざまな水理的・輸送条件下における自己生成dunes内での個々の粒子運動および堆積物フラックスを調査すること。
• 輸送段階に応じた総堆積物負荷量のベッドロードと懸濁状態への分配割合を定量すること。
• 動的で移動するdunesにおいて、床形態に基づく輸送率推定値と真の輸送率との精度を比較すること。
• レイノルズ数の増加に伴うdunesの安定性および進化を評価すること、洗い出し状態を含む。
• 現場や実験では得られない高分解能の粒子スケールデータ（引きずり込み、ジャンプ長、懸濁状態のダイナミクスなど）を提供すること。

提案手法

• LES–DEMソルバSediFoamは、乱流流体の解析（大渦シミュレーションにより）、個々の堆積物粒子の運動（離散要素法により）を実施し、流体-粒子および粒子-粒子間の相互作用を扱う。
• シミュレーションは、床形態の生成から洗い出しに至るまでの多様な輸送条件をカバーし、剪断応力（θ/θcr = 4.6～10）および粒子沈降速度（ws/u*′ = 1.88～1.33）を変化させた。
• 床表面の時間的・空間的変化を追跡し、低レイノルズ数では安定した床形態が形成されるが、高値では不安定性が増すことが観察された。
• 床形態の伝播速度に追随する移動座標系を用いて、ベッドロードと懸濁状態の寄与を分離して堆積物フラックスを解析した。
• 輸送段階に応じた垂直方向の引きずり込み率および総負荷量のベッドロード・懸濁状態への分配割合を算出。
• 本研究では、総堆積物輸送率と、床形態の高さ、伝播速度、空隙率（式14）を用いて推定された輸送率を比較し、さまざまな条件下での精度を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自己生成dunes内における個々の粒子運動およびフラックスは、輸送段階に応じてどのように変化するか？
• RQ2 懸濁状態の輸送は堆積物輸送にどの程度寄与するか。また、これにより床形態の安定性やバイパッサージングにどのような影響を与えるか？
• RQ3 動的で移動するduneシステムにおいて、床形態の高さ・伝播速度・空隙率から推定される輸送率は、真の輸送率と比べてどの程度正確か？
• RQ4 移動するdunesの不均一な応力場において、粒子の垂直方向引きずり込み率はどのように変化するか？
• RQ5 懸濁状態の寄与が顕著になると、床形態に基づく輸送率と真の輸送率の差が生じる主な原因は何か？

主な発見

• 低輸送状態（θ/θcr = 4.6、ws/u*′ = 1.88）では、堆積物はほぼ100％がベッドロードとして移動し、ほぼすべての物質が lee側の渦巣に閉じ込められ、バイパッサージングは観察されなかった。
• 低輸送状態ではベッドロードが支配的であるため、床形態に基づく輸送率は真の輸送率を正確に再現した。
• 高輸送状態（θ/θcr = 8.5、ws/u*′ = 1.33）では、一部の堆積物がduneの谷間をバイパッサージングし、谷間を通過する正の輸送率が生じ、床形態に基づく推定値と真の輸送率との間に差が生じた。
• 総負荷量と床形態に基づく輸送率の差が、単に懸濁状態のフラックスに等しくないことは、懸濁状態が単なる分配を超えて、床形態の移動および質量フラックスに寄与していることを示唆している。
• レイノルズ数がRe_b > 8,000を超えると、懸濁状態の増加と粒子のバイパッサージングにより、床形態が不安定化し、最終的に洗い出された。ただし、ドメインサイズの制限により、Re_b = 10,000および12,000では完全な安定化は達成できなかった。
• Re_b = 10,000および12,000では、懸濁状態の波動が相関して観察された。これは、より大きなドメインでは長波長の床形態が形成される可能性を示唆している。