Numerical Study of Turbidity Currents with Sudden-Release and Sustained-Inflow Mechanisms

چکیده

یک مدل عددی بر اساس میانگین معادلات Navier-Stokes رینولدز با انسداد ناآرامی k-Ɛ که به خوبی مورد آزمایش قرار گرفته است در مقابل 3 گروه دیتای تجربی در گردش های جاذبه تبادل-قفل مورد تائید قرار می گیرد. سپس این مدل برای بررسی جریان های کدر با مقیاس وسیع تر با رهاسازی ناگهانی و/یا مکانیسم های گردش پایدار اِعمال می گردد. در مقیاس میدانی، جریان های کدر با رهاسازی ناگهانی ، الزاما با متغیرهای گردش میانگین که با زمان و فاصله از مرز جریان مخالف تغییر می کنند ناپایدار یافت می شوند. جریان های کدر با گردش های پایدار به حالت شبه تعادل در بدنه جریان می رسند. شبیه سازی جریان کدر توسط رهاسازی ناگهانی آغاز می شود و سپس توسط گردش پایدار تغذیه می شود که نشان می دهد که نخست، دو سَرِ منفذ در جریان با سر منفذ دوم ظاهر می شود که ناشی از گردش پایدار می باشد و در نهایت با سر اول گرفته می شود. نتایج مدل نشان می دهند که بسته به شیب و مکانیسم ، اگر نرخ فرسایش رسوب از نرخ ته نشینی بیشتر شود، جریان های کدر در مقیاس میانی می توانند خود-شتاب را تجربه کنند، که پروسه ای است که پیشتر توسط تئوری پیش بینی شد اما در آزمایش های آزمایشگاهی نشان داده نشد.

Abstract

A well-tested numerical model based on the Reynolds averaged Navier–Stokes equations with k-
turbulence closure is further validated against three groups of experimental data on lock-exchange gravity flows. The model is then applied to study larger-scale turbidity currents with sudden-release and/or sustained inflow mechanisms. At the field-scale, sudden-release turbidity currents are found to be essentially unsteady with depth-averaged flow variables varying with time and distance from the upstream boundary. Turbidity currents with sustained inflows reach a quasi-equilibrium state in the body of the current. The simulation of a turbidity current initiated by sudden-release and then fed by sustained inflow reveals that, initially, two bore heads appear in the current with the second bore head resulting from sustained inflow and eventually catches up with the first one. Model results show that, depending on onset mechanism and slope, if the erosion rate of sediment exceeds the deposition rate, turbidity currents at the field scale can experience self-acceleration, a process predicted earlier by theory but not demonstrated in laboratory experiments.

مقدمه

جریان های کدر، گردش های جاذبه مملو از رسوب هستند. آنها ممکن است ناشی از انواع زیادی منابع باشند مانند اسلاید زمین در زیر دریا، وقوع طوفان، ضایعات معدن، یا گردش hyperpycnal از نزول رودخانه. Middelton یک بررسی جامع از تحقیقاتی ارائه کرد که شامل جریان های کدر بود. بسته به مکانیسم آغاز، جریان های کدر ممکن است تقریبا به دو دسته تقسیم شوند: گردش توسعه یافته نیمه پایدار با گردش پایدار و گردش نوع خیزشی با رهاسازی ناگهانی حجم ثابتی از سیال با چگالی بالاتر. در مورد ناکامی شیب بازگشت پذیر، جریان نوع خیزش ممکن به دنبال خود گردش طولانی پیوسته ای داشته باشد. علی رغم اینکه هر دو نوع گردش به طور گسترده مورد پژوهش قرار گرفته اند، مقایسه ای سیستماتیک از این دو نوع دیده نشده است.

در دسته گردش های جاذبه با گردش های پایدار، Ellison و Turner اولین افرادی بودند که ویژگی های گردش میانگین عمق و جذب آب را از طریق اندازه گیری توزیع سرعت اولیه و غلظت جریان جاذبه نمک دار تحلیل کردند. Britter  و  Linden رابطه بین سرعت جلوی جریان و شیب بستر کانال را بررسی کردند. Parker سه و چهار مدل با میانگین عمق معادله را پیشنهاد کرد، و Garcia  پروژه ای تحقیقاتی را برای بررسی جریان ها کدر در انتقال canyon-fan انجام داد. Choi  و Garcia  معادلات لایه مرزی را با انسداد ناآرامی k-Ɛ برای بررسی گردش جاذبه نمک دار پایدار روی شیب بررسی کردند. Huang یک مدل عددی سه بعدی (3D) را بر اساس معادلات Navier-Stokes میانگین رینولدز با انسداد ناآرامی k-Ɛ (مدل RANS k-Ɛ) توسعه داد. این مدل در مقابل دیتاهای تجربی Garcia تائید شد و میدان گردش میانگین رینولدز 3D گردش جاذبه نمکی در منحنی کانالی را با موفقیت پیش بینی کرد.