Моделирование и анализ динамики квази-2D-турбулентности в мелководных водоемах

Введение. Работа посвящена изучению генерации и развития турбулентных структур в мелководных потоках. Для оптимального управления водным ресурсом необходимо знать, какие будут последствия при изменении системы течения в результате вмешательства человека. В основном все потоки жидкости, которые относятся к практике гражданского строительства, имеют турбулентный характер. Это, например, речные и русловые потоки, приливные течения в океанах и прибрежных морях. Неглубокие течения в окружающей среде часто включают в себя широкий диапазон масштабов вихрей, начиная от микромасштабных вихрей и заканчивая крупномасштабными когерентными структурами с горизонтальными масштабами длины, которые намного превышают глубину воды (L >> H). Существование таких крупных структур — типичная характеристика турбулентности при мелком течении. Это указывает на необходимость проведения системного анализа проблемы, а также моделирования подобных сложно формализуемых систем. Целью данной работы является моделирование и анализ динамики структур квази-2D-турбулентности.

Материалы и методы. Исследуются крупномасштабные квази-2D когерентные структуры (2DCS) в зависимости от источника и локализации в столбе жидкости. Рассматриваются турбулентные течения в канале, удовлетворяющие несжимаемым уравнениям Навье-Стокса. Численный эксперимент выполнен на основе подхода «моделирование крупных вихрей» (LES).

Результаты исследования. Построен сценарий динамики структур квази-2D-турбулентности береговой зоны. Предсказано формирование вихревых структур.

Обсуждение и заключения. Развитие двумерной турбулентности в неглубоких потоках служит иллюстрацией процессов, которые управляют квази-двумерной турбулентностью, включая слияние отдельных вихрей. Основным механизмом, управляющим распадом 2DCS, являются потери энергии из-за трения о дно. При этом, чем больше размер вихря относительно глубины, тем быстрее происходит прямое рассеивание его кинетической энергии.

1. Jirka G.H. Large scale flow structures and mixing processes in shallow flows. Journal of Hydraulic Research. 2001;39(6):567–573.

2. G.J.F van Heijst. Zelf-organisatie van twee-dimensionale stromingen. Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde. 1993;59:321–325.

3. Avancha R. and Pletcher R.H. Large eddy simulation of the turbulent flow past a backward facing step. Proceedings of the 38th AIAA Areosciences Meeting and Exhibit. Reno, Nevada, USA; 2000;0542:1–7.

4. Bijlsma A.C., Uittenbogaard R.E. and Blokland T. Horizontal large eddy simulation applied to stratified tidal flows. Proceedings of the International Symposium on Shallow Flows. Delft, Netherlands; 2003;559–566.

5. Breugem W.P. The influence of wall permeability on laminar and turbulent flows. PhD thesis, Delft University of Technology. 2004.

6. Clercx H.J.H, Zoeteweij M.L. and G.J.F. van Heijst. Quasi two-dimensional turbulence in shallow fluid layers: the role of bottom friction and fluid layer depth. Proceedings of the International Symposium on Shallow Flows, Delft, Netherlands; 2003;87–94.

7. Frohlich J. and Rodi W. Indroduction to Large Eddy Simulation of turbulent flows. Closure Strategies for Turbulent and Transitional Flows (ed. B. E. Launder and N. D. Sandham), Cambridge University Press; 2000;8:267–298.

8. Kadota A., Suzuki K. and Uijttewaal W.S.J. The shallow flow around a single groyne under submerged and emerged conditions. Proceedings of the International Conference in Fluvial Hydraulics (River Flow), Lisboa, Portugal; 2006;673–682.

9. Labeur R.J. Finite element modelling of transport and non-hydrostatic flow in environmental fluid mechanics. PhD thesis, Delft University of Technology. 2009.

10. Mittal R. and Iaccarino G. Immersed Boundary Methods. Annual Review of Fluid Mechanics. 2005;37:239–61.

11. Schnauder I., Sukhodolov A., Uijttewaal W.S.J. and Labeur R.J. Field experiments and numerical modelling on shallow mixing layers at a confluence of two parallel streams. Proceedings of the International Conference in Fluvial Hydraulics (River Flow), Izmir, Turkey; 2008;883–892.

12. Talstra H., Uijttewaal W.S.J. and Stelling G.S. 3D LES computations of a shallow lateral expansion using an immersed boundary method. Proceedings of the International Conference on Hydroscience and Engineering (ICHE), Philadelphia, USA; 2006.

13. W. van Balen. Large-scale coherent structures in turbulent shallow flows. Master’s thesis, Delft University of Technology; 2005.

14. B.C. van Prooijen and Uijttewaal W.S.J. The relevance of a back-scatter model for depth-averaged flow simulation. Flow Turbulence Combust. 2009;82:73–91.