[논문 리뷰] Particle dynamics in self-generated dunes over a range of hydraulic and sediment transport conditions using LES--DEM

Rui Sun, Heng Xiao외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 11.

Hydrology and Sediment Transport Processes참고 문헌 53인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 다양한 수력 및 이송 조건에서 자가 생성된 모래언덕에서 입자 운동 및 침전물 유량을 모의하기 위해 SediFoam 솔버에서 LES–DEM(Large Eddy Simulation–Discrete Element Method)를 사용한다. 연구 결과, 저도의 이송 단계에서는 밑바닥 이송이 지배적이며, 레이놀즈 수가 증가함에 따라 부영양 이송이 증가하여 모래언덕의 불안정성과 이송 회피 현상이 발생하며, 부영양 이송 비율이 높아질 경우 모래언덕 기반의 이송률 추정치는 총 유량을 과소평가함을 밝혔다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다양한 수력 및 이송 조건에서 자가 생성된 모래언덕의 개별 입자 운동과 침전물 유량을 연구하기 위해.
• 이송 단계에 따라 총 침전물 유량이 밑바닥 이송과 부영양 이송으로 어떻게 분할되는지 정량화하기 위해.
• 동적인 이동하는 모래언덕에서 진정한 이송률 대비 모래언덕 기반 이송률 추정치의 정확도를 평가하기 위해.
• 레이놀즈 수가 증가함에 따라 모래언덕의 안정성과 진화 과정을 평가하며, 세척 조건을 포함하여 분석하기 위해.
• 현장 또는 실험실 실험으로는 확보할 수 없는 고해상도 입자 체계의 유입, 점프 길이 및 부영양 운동 동역학 데이터를 제공하기 위해.

제안 방법

• LES–DEM 솔버인 SediFoam는 난류 흐름을 대규모 난류 모의(Large Eddy Simulation)로, 개별 침전물 입자 운동을 이산 요소 방법(Discrete Element Method)으로 해석하며 유체-입자 및 입자-입자 상호작용을 고려한다.
• 모의 실험은 모래언덕 형성에서 세척 조건에 이르기까지 다양한 이송 조건을 포함하며, 유량 조건은 벽면 마찰 속도 비율(θ/θcr = 4.6에서 10)과 입자 침강 속도 비율(ws/u*′ = 1.88에서 1.33)을 변화시켜 수행된다.
• 모래언덕 표면의 공간적·시간적 변화를 추적하며, 저레이놀즈 수에서는 안정적인 모래언덕 형성이 관찰되고, 고레이놀즈 수에서는 점차 불안정성이 증가함을 확인하였다.
• 침전물 유량은 모래언덕 이동 속도에 따라 움직이는 기준 프레임에서 분석하여 밑바닥 이송과 부영양 이송의 기여도를 분리한다.
• 수평 방향의 입자 유입률과 총 유량에서 밑바닥 이송 및 부영양 이송 비율을 이송 단계에 따라 계산한다.
• 연구는 총 침전물 이송률과 모래언덕의 높이, 이동 속도, 다공도를 사용한 이송률 추정치(식 14)를 비교하여 다양한 조건에서의 정확도를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기 생성된 모래언덕에서 다양한 이송 단계에 따라 개별 입자 운동과 유량은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 부영양 이송은 침전물 이송에 얼마나 기여하는가? 이는 모래언덕의 안정성과 이송 회피에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 동적인 이동 모래언덕에서 모래언덕 기반 이송률 추정치(높이, 이동 속도, 다공도 사용)는 진정한 이송률 대비 얼마나 정확한가?
• RQ4 이동하는 모래언덕의 비균일한 응력장에서 입자의 수직 유입률은 어떻게 변화하는가?
• RQ5 부영양 이송 비율이 높아질 경우, 모래언덕 기반 이송률과 진정한 이송률 간의 격차는 무엇이 원인인가?

주요 결과

• 저도의 이송 조건(θ/θcr = 4.6, ws/u*′ = 1.88)에서는 침전물이 거의 전적으로 밑바닥 이송으로 이동하였으며, 거의 100%의 물질이 후면 난류 영역에 갇혀 이송 회피 현상은 관찰되지 않았다.
• 저도 조건에서 밑바닥 이송이 지배적이므로, 모래언덕 기반 이송률 추정치는 총 이송률을 정확하게 근사하였다.
• 고도의 이송 단계(θ/θcr = 8.5, ws/u*′ = 1.33)에서는 일부 침전물이 모래언덕의 골저를 회피하여 골저를 통과하는 양의 이송률이 발생하였고, 이로 인해 모래언덕 기반 이송률과 진정한 이송률 간의 격차가 발생하였다.
• 총 유량과 모래언덕 기반 이송률 간 격차가 부영양 이송률과 동일하지 않음을 확인하여, 부영양 이송이 단순한 분할 외에도 모래언덕 이동과 질량 유량에 기여함을 시사하였다.
• 레이놀즈 수가 Re_b > 8,000을 초과하면서 모래언덕은 불안정해지고 부영양 이송 증가와 입자 이탈로 인해 점차 세척 상태에 도달하였으며, 도메인 크기 제약으로 인해 Re_b = 10,000 및 12,000에서는 완전한 안정화가 이루어지지 않았다.
• Re_b = 10,000 및 12,000에서는 부영양 이송의 상호연결된 파동이 관찰되어, 더 큰 도메인에서는 장파장의 모래언덕 형성이 가능할 수 있음을 시사하였다.