[論文レビュー] The transport and deposition of heavy particles in complex terrain: insights from an Eulerian model for large eddy simulation

Scott T. Salesky, Marco G. Giometto+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2019

Aeolian processes and effects参考文献 96被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、複雑な地形における重粒子の輸送および沈着をモデル化するため、浸漬境界法と有限体積カットセル離散化を組み合わせた新規なオイラー形式の大渦シミュレーション（LES）フレームワークを提示する。粒子の慣性は、平均流れの加速度によって駆動され、それが斜面の向風側での沈着を促進し、背風側での沈着を抑制することが示された。平均慣性効果は乱流成分よりも6倍以上大きいことが判明した。

ABSTRACT

The transport and deposition of heavy particles over complex surface topography by turbulent fluid flow is an important problem in a number of disciplines, including sediment and snow transport, ecology and plant pathology, aeolian processes, and geomorphology. This article presents a framework to simulate the transport and deposition of heavy particles over complex surfaces using the large eddy simulation (LES) technique. An immersed boundary LES code is coupled with an Eulerian particle code that solves the advection-diffusion equation for the resolved particle concentration field. The mass conservation equation for the particle phase is discretized in a finite volume framework using a Cartesian cut cell method that reshapes finite volume cells intersected by the immersed boundary surface and conserves mass accurately. The proposed numerical model is compared with data from wind tunnel experiments of heavy particle deposition over topography and is found to have good agreement with observed deposition patterns. An LES case study of snow deposition over idealized topography leads to several new insights. Particle inertia leads to relative velocities between the particles and fluid in regions of mean flow acceleration, thereby enhancing deposition on the windward side of obstacles and suppressing deposition on the leeward side. In addition, it is found that the mean components of particle inertia are a factor of 6 or more larger than the turbulent components, indicating that the enhancement/suppression of deposition by topography can be modeled in terms of mean flow quantities.

研究の動機と目的

• 複雑な地形における乱流による重粒子の輸送および沈着を高精度にシミュレートする数値モデルの開発を目的とする。
• 急激な粒子濃度勾配を示す複雑な幾何形状において、質量を正確に保存する課題に対処することを目的とする。
• 地形的特徴が乱流との相互作用を通じて粒子沈着パターンに与える影響を調査することを目的とする。
• 沈着過程における平均流れ成分と乱流成分の粒子慣性が果たす相対的寄与を定量化することを目的とする。
• 風洞実験との比較によるモデルの検証および、理想化された積雪沈着事例への応用を目的とする。

提案手法

• 複雑な地形を直交構造化グリッド内に表現するために、浸漬境界法が用いられ、境界の高精度な解像が可能となった。
• 固体境界と交差するセルを再形状する有限体積カットセル法が採用され、粒子相の厳密な質量保存が保証された。
• 粒子濃度の対流拡散方程式は、2次精度の時間積分スキームを用いたオイラー形式で解かれた。
• カットセルにおける面積および法線ベクトルなどの幾何的量は、ド・グーの定理および発散定理を用いて計算された。
• 小規模なカットセルにおける数値安定性を維持しつつ、時間ステップを短縮せずに保つために、保存則に基づく混合モデルが適用された。
• 混合係数は法線ベクトル成分とターゲットセル体積分率に基づき、数値的安定性を高めるためにべき乗則による重み付けが施された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 乱流の下で、地形は重粒子沈着の空間的分布にどのように影響を与えるか？
• RQ2 平均流れの加速度と粒子の慣性は、向風側と背風側の両方における沈着パターンを、どの程度支配するか？
• RQ3 沈着の増強または抑制に寄与する粒子慣性の平均成分と乱流成分の相対的寄与は何か？
• RQ4 地形に起因する沈着パターンは、平均流れの量のみを用いて正確に捉えることができるか？
• RQ5 提案されたLESモデルは、風洞実験で観測された実際の沈着パターンをどれほど正確に再現できるか？

主な発見

• モデルは風洞実験と良好な一致を示し、複雑な地形における観測された沈着パターンを正確に再現した。
• 粒子の慣性により、平均流れの加速度領域では、粒子と流体との相対速度が生じ、向風側での沈着が促進された。
• 背風側では、相対速度の低下と流れの減速により、沈着が抑制された。
• 粒子慣性の平均成分が、乱流成分よりも少なくとも6倍以上大きいことが判明し、沈着パターンは平均流れの量のみを用いてモデル化可能であることが示された。
• 保存則に基づく混合モデルは、体積分率が小さいカットセルにおいても、数値的安定性と質量保存を効果的に維持した。
• 本フレームワークは、理想化された地形における積雪沈着の高解像度シミュレーションを可能にし、平均流れが沈着パターンを支配する主要因であることが明らかになった。