Moving beds represented by immersed boundaries: numerical experiments using large eddy simulation

Los movimientos de fondo representados por fronteras inmersas: experimentos numéricos usando las simulaciones de gran escalas

Se utilizó el método de fronteras inmersas para evaluar el transporte de sedimentos en lechos deformables. Los procedimientos de la simulación de gran escala fueron utilizados para el tratamiento matemático de la turbulencia, y se utilizó la ecuación de advección-difusión para calcular la concentración de sedimentos. Se aplicó el método de diferencias finitas con malla desplazada para la solución numérica de las ecuaciones básicas (Navier-Stokes filtrado, continuidad y las ecuaciones de advección-difusión). Las derivadas espaciales fueron discretizadas mediante diferencias de segundo orden centrado. Se utilizó un esquema explícito de Adams-Bashforth de segundo orden para la evolución del tiempo en la ecuación de advección-difusión, mientras que un esquema Adams-Bashforth de cuarto orden fue utilizado para las ecuaciones de Navier-Stokes filtrado. La simulación numérica reproduce estructuras de flujo, como los remolinos grandes después de las crestas de las dunas y los vórtices contrarrotativos, que son importantes en el transporte de sedimentos. Los flujos de resuspensión y sedimentación (dependientes de la concentración de partículas) se calcularon utilizando las ecuaciones propuestas en este estudio. Las deformaciones del lecho por la erosión y la deposición pueden ser bien seguidas a través de los procedimientos aquí presentados, que muestran que esta metodología es adecuada para evaluar las modificaciones del lecho y el transporte de sedimentos en los flujos aluviales.

INTRODUCCIÓN

A pesar de que el transporte de sedimentos ha sido estudiado durante décadas, su descripción física y matemática, en una forma más completa y útil, sigue siendo un objetivo enfocado por muchos investigadores. A lo largo de estas décadas, diferentes resultados se fusionaron para proporcionar la mejor descripción del transporte de sedimentos, involucrando conclusiones para la velocidad de sedimentación, flujos turbulentos generales, formación y movimiento de remolinos cerca de las fronteras sólidas, entre otros ([7-9]; [18]).

Los flujos naturales que implican la sedimentación de partículas y el transporte de sedimentos son todavía demasiado complejos para ser descritos completamente por las herramientas teóricas disponibles. La erosión y la deposición implican en los límites deformables, cuya cuantificación aún no se entiende completamente. Por lo tanto, las aproximaciones numéricas parecen ser la mejor manera de predecir la evolución de las formas del lecho, pero también existen limitaciones para dichas aproximaciones, por ejemplo relacionadas con el esfuerzo computacional. Lo ideal sería que la simulación numérica directa (DNS) utilizando las ecuaciones de flujo y de transporte de sedimentos resolviera el problema, pero la DNS sigue siendo impracticable para las escalas y números de Reynolds habituales.