[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究采用 SediFoam 求解器中的 LES–DEM（大涡模拟–离散元法）模拟不同水力与输移条件下自生成沙波的颗粒动力学与泥沙通量。结果表明，在低输移阶段，床沙输移占主导；随着雷诺数升高，悬沙输移增加，导致床面形态失稳与绕流，当悬沙显著时，基于床面形态的输移率估算值会低估总通量。

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.

研究动机与目标

• 研究在不同水力与输移条件下，自生成沙波中单个颗粒运动与泥沙通量的动力学行为。
• 量化在不同输移阶段中，总泥沙负荷在床沙输移与悬沙输移之间的分配比例。
• 评估基于床面形态的输移率估算值与真实输移率在动态、移动沙波中的准确性。
• 评估雷诺数增加时沙波的稳定性与演化过程，包括冲刷条件下的表现。
• 提供场域或实验室实验难以获取的高分辨率颗粒尺度数据，包括起动、跃移长度与悬沙动力学。

提出的方法

• LES–DEM 求解器 SediFoam 通过大涡模拟（LES）解析湍流运动，通过离散元法（DEM）追踪单个沉积颗粒的运动，同时考虑流体-颗粒与颗粒-颗粒相互作用。
• 模拟覆盖从床面形态形成到冲刷的多种输移条件，剪切应力范围为 θ/θcr = 4.6 至 10，颗粒沉降速度范围为 ws/u*′ = 1.88 至 1.33。
• 在空间与时间上追踪床面演变，低雷诺数下床面形态稳定形成，高雷诺数下逐渐变得不稳定。
• 通过与床面迁移速度同步的移动参考系分析泥沙通量，以分离床沙输移与悬沙输移的贡献。
• 计算垂直起动率及总负荷在床沙与悬沙组分中的分配比例，作为输移阶段的函数。
• 将总泥沙输移率与基于床面形态几何参数、迁移速度与孔隙率（公式 14）估算的输移率进行比较，评估其在不同条件下的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在自生成沙波中，不同输移阶段的单个颗粒运动与通量如何演化？
• RQ2 悬沙在泥沙输移中贡献多大程度？其对床面形态稳定性与绕流行为有何影响？
• RQ3 在动态沙波系统中，基于床面形态几何参数（高度、迁移速度、孔隙率）估算的输移率与真实输移率相比，其准确性如何？
• RQ4 在移动沙波的非均质应力场中，颗粒的垂直起动率如何变化？
• RQ5 当悬沙显著时，造成基于床面形态估算与真实输移率之间差异的根本原因是什么？

主要发现

• 在低输移条件（θ/θcr = 4.6，ws/u*′ = 1.88）下，泥沙几乎全部以床沙形式输移，近 100% 的物质被滞留在背风侧尾流区，未观察到绕流现象。
• 在低输移条件下，由于床沙占主导，基于床面形态的输移率能准确近似总输移率。
• 在较高输移阶段（θ/θcr = 8.5，ws/u*′ = 1.33），部分泥沙绕过沙波洼地，导致洼地处出现正向输移率，且基于床面形态的输移率与真实输移率之间出现差异。
• 总负荷与基于床面形态估算的输移率之间的差值并不等于悬沙输移率，表明悬沙不仅参与简单通量分配，还通过影响床面迁移与质量通量对形态演化产生额外贡献。
• 当雷诺数超过 Re_b > 8,000 后，床面形态变得不稳定，最终因悬沙增加与颗粒绕流而发生冲刷，尽管受计算域尺寸限制，Re_b = 10,000 与 12,000 时未能实现完全稳定。
• 在 Re_b = 10,000 与 12,000 时观察到悬沙的相干波状结构，提示在更大计算域中可能形成更长波长的床面形态。