Numeriske simuleringer sonderer mekanismer bag klitdannelse

Hvis du nogensinde har set nøje på en 3-D sand- eller sedimentklit inden for en flod eller kystområde, undrede du dig over, hvordan det er dannet?

Efter at have bemærket, hvordan konstruktionen af ​​dæmninger væsentligt ændrer hydrodynamikken i naturlige floder og den resulterende nedstrøms flodlejeudvikling, en gruppe forskere ved Tsinghua University i Kina besluttede at anvende numeriske simuleringer for at hjælpe med at bestemme, hvad der er på spil i forholdet mellem sedimentbevægelse og strømningsforhold. De rapporterer deres resultater i Fysik af væsker .

Gruppens arbejde var delvist inspireret af virkningen af ​​Three Gorges Dam, som er en hydroelektrisk gravitationsdæmning, der spænder over Yangtze-floden. Siden opførelsen i 2003, 11,7 kilometer (7,2 miles) flad flodleje nedstrøms inden for Yangtze-mundingen blev observeret, der forvandlede sig til klitbundformer - træk, der dannes som et resultat af flodlejets materiale, der flyttes af væskestrøm.

"Denne lejemorfologiske udvikling truede navigationssikkerheden og stabiliteten af ​​floddiger, fordi mekanismen for sediment klitdannelse var ukendt, " sagde Hongwei Fang, professor ved Tsinghua University.

Forskerne satte sig for præcist at simulere den fuldt turbulente strømning nær flodlejet og forbinde den med sedimentpartiklernes bevægelse.

"Vi brugte stor hvirvel-simuleringsteknologi til at opnå nøjagtigt øjeblikkeligt flow-felt nær sengen, beregne de forskydningsspændinger, der virker på sedimentpartikler og, endelig, simulere udviklingen af ​​flodlejet, " sagde Fang.

Ved at bruge visualisering og effektspektreanalyse, forskerne var i stand til at karakterisere dannelsen af ​​sedimentklitter i tre forskellige stadier og tydeligt vise den mekanisme, der er ansvarlig for hver.

"Samspillet mellem strømning nær sengen og sedimentpartikler er blevet grundigt undersøgt, men det var stadig ikke helt klart, hvad der foregik, " sagde Fang. "Opdelingen i tre faser hjalp os med at afklare denne proces."

"De indledende defekter, der opstår på lejet ved starten af ​​processen, er tæt knyttet til den øjeblikkelige strømningshastighed lige før lejet destabiliseres, " sagde han. "Vi opdagede også, at defekter med en høj øjeblikkelig strømningshastighed bliver vasket væk, mens defekter med lav øjeblikkelig hastighed modtager sedimentaflejringer og vokser i længde og højde. Og, yderligere, en konstant vågezone dannes nedstrøms for mikrosandbølger, hvor sediment ophobes."

For så vidt angår ansøgninger, dette arbejde vil "hjælpe med at forudsige flodlejets morfologiudvikling - hvordan den dannes og ændres - inden for naturlige floder, " sagde Fang. "Og det vil tillade forebyggelse af potentielle farer, såsom flodbredsvigt eller skibsstranding."

Næste, gruppen vil udforske flodslingring, som udgør en alvorlig trussel mod floder med dæmninger.

"Med vores succes med at simulere udviklingen af ​​flodsenge, vi er sikre på at afsløre mekanismen for flodslyngning, hvilket er meget vigtigt ved konstruktion af floddige, forvaltning af søfloder og beskyttelse af akvatiske levesteder, " sagde Fang.