Μελέτη ρευμάτων πυκνότητας σε εκροές ποταμών, λόγω αιωρούμενων φερτών υλών

Abstract

[…] The main aim of the present PhD Thesis is the simulation and study of the hydrodynamic characteristics of turbidity currents that are usually formed at river outflows both in basic research level conducting parametric analysis through various series of laboratory scale numerical experiments and in pilot application level studying the formation and the dispersal of turbidity currents that are formed at River Evros outflow during flood discharges using CFD methods that are offered by the commercial software FLUENT. More specifically a three dimensional numerical model is proposed which is based in a multiphase modification of the Reynolds Averaged Navier Stokes Equations (RANS). Turbulence closure is achieved through the application of the RNG (Renormalization Group) k-ε turbulence model. Most of the previous CFD investigations treat turbidity current flows using a quasi single phase approach in which a single set of continuity and momentum equations is solved for the ambient water while the suspended sediment transport is calculated indirectly through an advection diffusion equation for sediment concentration. On the contrary the uncommon multiphase numerical approach that is proposed and used in the applications of the present PhD Thesis assumes that the sediment laden flow of a turbidity current consists of separate solid (various suspended sediment classes) and fluid (ambient water of receiving basin and inflow/carrier water) phases that are treated as interpenetrating continua. The main advantage of the proposed multiphase approach is the fact that separate velocity fields are calculated for each phase (ambient water inflow/carrier water and various classes of suspended sediment) since the laws for the conservation of mass and momentum are accordingly modified in order to be satisfied by each phase individually. The validation of a proposed numerical model is usually conducted through numerical reproduction of laboratory experiments where the degree of convergence of the numerical results and the corresponding experimental data is checked. In the present PhD Thesis two different series of numerical simulations of laboratory scale turbidity currents are performed reproducing specific laboratory experiments that are available in the literature. The comparison of the numerical results with the corresponding experimental data indicates that the results of the proposed numerical model are realistic and reliable. […]

[…] Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η προσομοίωση και η μελέτη των δυναμικών χαρακτηριστικών ρευμάτων θολότητας που δημιουργούνται σε εκροές ποταμών τόσο σε επίπεδο βασικής έρευνας μέσω διαφόρων παραμετρικών αναλύσεων που προκύπτουν από μια σειρά αριθμητικών πειραμάτων εργαστηριακής κλίμακας όσο και σε πιλοτικό επίπεδο διερευνώντας το σχηματισμό την πορεία και την εξάπλωση ρευμάτων θολότητας τα οποία δημιουργούνται στις εκβολές του ποταμού Έβρου κατά τη διάρκεια πλημμυρικών παροχών με τη χρήση μεθόδων CFD οι οποίες προσφέρονται από το εμπορικό λογισμικό FLUENT. Συγκεκριμένα προτείνεται ένα τρισδιάστατο αριθμητικό μοντέλο το οποίο βασίζεται σε μια πολυφασική τροποποίηση των χρονικά ολοκληρωμένων εξισώσεων Reynolds (Reynolds Averaged Navier Stokes Equations RANS). Για το κλείσιμο των όρων τυρβώδους τάσεως (closure of turbulence stress terms) εφαρμόζεται η εκδοχή RNG (Renormalization Group) του μοντέλου τύρβης k-ε. Οι περισσότερες από τις μέχρι τώρα διερευνήσεις CFD αντιμετωπίζουν αριθμητικά τη ροή των ρευμάτων θολότητας μέσω μιας ημιμονοφασικής προσέγγισης (quasi single phase approach) με την οποία επιλύεται μόνο ένα ζεύγος εξισώσεων συνέχειας και ορμής για το περιβάλλον ρευστό ενώ η μεταφορά των αιωρουμένων φερτών υλών υπολογίζεται έμμεσα μέσω μιας εξίσωσης συναγωγής διάχυσης (advection diffusion) για τη συγκέντρωση των αιωρουμένων σωματιδίων. Αντίθετα η μη κοινή πολυφασική αριθμητική προσέγγιση που προτείνεται και χρησιμοποιείται στις εφαρμογές της παρούσας διδακτορικής διατριβής θεωρεί ότι η φορτωμένη με αιωρούμενες φερτές ύλες ροη ενός ρεύματος θολότητας αποτελείται από ξεχωριστές στέρεες (διάφορες κλάσεις αιωρουμένων φερτών υλών) και ρευστές φάσεις (περιβάλλον νερό υδάτινης λεκάνης υποδοχής και εισρέον νερό στο οποίο εμπεριέχονται τα αιωρούμενα σωματίδια) οι οποίες αντιμετωπίζονται ως αλληλο-διεισδύοντα μέσα (interpenetrating continua). Το βασικό πλεονέκτημα της προτεινομένης πολυφασικής προσέγγισης έγκειται στο γεγονός ότι υπολογίζονται ξεχωριστά πεδία ταχυτήτων για κάθε φάση (περιβάλλον και εισρέον νερό και διάφορες κλάσεις αιωρουμένων σωματιδίων) αφού οι νόμοι για τη διατήρηση της μάζας και της ορμής τροποποιούνται καταλλήλως έτσι ώστε να ικανοποιούνται από κάθε φάση της ροής ξεχωριστά. Ο έλεγχος αξιοπιστίας ενός προτεινομένου αριθμητικού μοντέλου γίνεται συνήθως μέσω της αριθμητικής αναπαραγωγής εργαστηριακών πειραμάτων όπου ελέγχεται ο βαθμός προσέγγισης των αποτελεσμάτων προσομοίωσης στα εργαστηριακά δεδομένα. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή διεξήχθησαν δυο διαφορετικές σειρές αριθμητικών προσομοιώσεων ρευμάτων θολότητας εργαστηριακής κλίμακας οι οποίες αναπαράγουν συγκεκριμένα εργαστηριακά πειράματα που διατίθενται στη βιβλιογραφία. Η σύγκριση των αριθμητικών αποτελεσμάτων με τα αντίστοιχα εργαστηριακά δεδομένα καταδεικνύει ότι τα αποτελέσματα του προτεινομένου αριθμητικού μοντέλου είναι ρεαλιστικά και αξιόπιστα. […]