[논문 리뷰] The transport and deposition of heavy particles in complex terrain: insights from an Eulerian model for large eddy simulation

Scott T. Salesky, Marco G. Giometto외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 08.

Aeolian processes and effects참고 문헌 96인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 복잡한 지형 위에서 무거운 입자 이동 및 침착을 모델링하기 위해 유동 기반의 큰 에디에이티브 시뮬레이션(LES) 프레임워크와 침수 경계 방법, 유한체적 컷셀 이산화 기법을 결합한 새로운 방법을 제시한다. 입자 관성은 평균 유동 가속도에 의해 유도되며, 이는 풍향 기슭에서의 침착을 증가시키고 배풍 기슭에서의 침착을 억제한다. 평균 관성 효과는 난류 성분보다 6배 이상 크다.

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.

연구 동기 및 목표

• 복잡한 지형에서 난류 이동 및 무거운 입자 침착을 고정밀 수치 모델링하기 위해 개발한다.
• 급격한 입자 농도 기울기를 가진 복잡한 기하구조에서 질량 보존을 정확히 유지하는 문제를 해결한다.
• 지형적 특징이 난류 유동 상호작용를 통해 입자 침착 패턴에 미치는 영향을 조사한다.
• 침착 과정에서 평균 유동과 난류 성분이 입자 관성에 기여하는 비율을 정량화한다.
• 풍동 실험 결과와의 비교를 통해 모델을 검증하고, 이상화된积설 침착 사례에 적용한다.

제안 방법

• 침수 경계 방법을 사용하여 직각 격자 내에서 복잡한 지형을 표현함으로써 경계의 정확한 해상도를 확보한다.
• 고체 경계에 의해 교차되는 셀을 재구성하고, 입자 상의 질량 보존을 철저히 보장하는 유한체적 컷셀 방법을 적용한다.
• 입자 농도의 대류-확산 방정식을 2차 정확도 시간 적분 기법을 사용한 오일러 기반 프레임워크에서 해결한다.
• 컷셀의 면적 및 법선 벡터와 같은 기하학적 양은 드 데 고후의 정리와 발산 정리를 사용하여 계산한다.
• 작은 컷셀을 안정화하고 시간 간격을 줄이지 않아도 되는 수치적 안정성을 유지하기 위해 보존 혼합 모델을 적용한다.
• 혼합 비율은 법선 벡터 성분과 목표 셀 부피 비율에 기반하며, 수치적 안정성을 확보하기 위해 거듭제곱 가중치를 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 난류 유동 하에서 지형은 어떻게 복잡한 지형에서의 무거운 입자 침착의 공간 분포에 영향을 미치는가?
• RQ2 평균 유동 가속도와 입자 관성은 풍향 기슭과 배풍 기슭에서의 침착 패턴을 얼마나 지배하는가?
• RQ3 침착 증가 또는 억제에 있어 입자 관성의 평균 성분과 난류 성분 간의 기여 비율은 어떻게 되는가?
• RQ4 지형에 의해 유도된 침착 패턴은 평균 유동 양수만으로 정확하게 캡처할 수 있는가?
• RQ5 제안된 LES 모델은 풍동 실험에서 관측된 침착 패턴을 얼마나 잘 재현하는가?

주요 결과

• 모델은 풍동 실험 결과와 양호한 일치를 보이며, 복잡한 지형에서 관측된 침착 패턴을 정확히 재현한다.
• 입자 관성은 평균 유동 가속 영역에서 입자와 유체 간의 상대 속도를 유도하여 풍향 기슭에서의 침착을 증가시킨다.
• 배풍 기슭에서는 상대 속도 감소와 유동 둔화로 인해 침착이 억제된다.
• 입자 관성의 평균 성분은 난류 성분보다 최소 6배 이상 크며, 이는 침착 패턴을 평균 유동 양수만으로 모델링할 수 있음을 시사한다.
• 보존 혼합 모델은 부피 분율이 작은 컷셀에서도 수치적 안정성과 질량 보존을 성공적으로 유지한다.
• 이 프레임워크는 이상화된 지형에서积雪 침착의 고해상도 시뮬레이션을 가능하게 하며, 평균 유동이 침착 패턴을 형성하는 데 주요 역할을 한다는 것을 드러낸다.