Mean velocity and suspended sediment concentration profile model of turbulent shear flow with probability density function

Velocidad media y modelo de perfil de concentración de sedimentos suspendidos de flujo turbulentos de cizalla turbulento con funciones de densidad de probabilidad

Este trabajo propone un modelo de velocidad media general y un modelo de concentración de sedimentos suspendidos (CSS) para expresar la distribución en cada punto de la sección de cruce del flujo turbulento de cizalla mediante el uso de funciones de densidad de probabilidad (PDF).. El método de funciones de densidad de probabilidad se usó para describir los perfiles velocidad y concentración que interactuaron directamente con partículas fluidas en el flujo de desprendimiento turbulento para resolver el flujo turbulento y evitar diferentes mecánicas dinámicas. El modelo del perfil de velocidad se obtuvo resolviendo el perfil integral con el producto de la velocidad laminar y la densidad de probabilidad, mediante la adopción de una función de desidad exponencial para expresar la probabilidad de distribución de la velocidad de alteración de la partícula de un fluido en un flujo de desprendimiento turbulento. También se creó un modelo de perfil CSS siguiendo un método similar al anterior y basado en la ecuación de difusión Schmidt. Se crearon diferentes perfiles de velocidad y CSS durante el cambio de parámetros de los modelos. Los modelos se verificaron comparando los resultados calculados con los modelos tradicionales. Se demostró que el PDF era superior a la ley logarítmica en la predicción de los perfiles de velocidad en corrientes costeras, y que la probabilidad del modelo del perfil de función de densidad SSC fue superior a la ecuación Rouse para predecir perfiles SSC promedio en ríos y estuarios. Las perspectivas para la investigación de precisión se indican al final de este artículo.

INTRODUCCIÓN

​La turbulencia es mucho más compleja que el flujo laminar. Según la hipótesis de la viscosidad de remolino de Boussinesq (Boussinesq, 1877), la ley logarítmica para el perfil de velocidad se resolvió mediante el método de la longitud de mezcla (Prandtl, 1925; Khan et al., 2017; Zawar et al., 2017). Algunas leyes de distribución de la velocidad vertical, como la ley de potencia y la ley exponencial, se basan en consideraciones experimentales o en teorías semiempíricas (Lin et al., 1953; Deissler, 1954; Afzal et al., 2007). Otras leyes para el perfil de velocidad turbulenta o el perfil de concentración se basan en un modelo de turbulencia indirecta (Bucci et al., 2008; Nucci y Fiorucci, 2011).

La ley del logaritmo es la más utilizada para expresar la velocidad media en una sección transversal de flujo turbulento para modelos de flujo eólico, fluvial y lacustre. La ley del logaritmo se ajusta a la distribución de la velocidad y la concentración en la posición alejada de la interfaz en el flujo turbulento desarrollado (Wang y Yu, 2007). Algunos investigadores se han centrado en los perfiles de velocidad media de los flujos turbulentos limitados por la pared por separado (Poggi et al., 2002; Buschmann y Gad-el-Hak, 2007; Kempe et al., 2007; Buschmann et al., 2009).