Transporte de Material bajo un Tren de Olas en Interacción con Viento Constante: Un Enfoque RANS Euleriano Combinado con un Modelo de Dispersión de Partículas Lagrangiano
Autores: Sinha, Nityanand; Golshan, Roozbeh
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2018
Acceso abierto
Artículo científico
2018
Transporte de Material bajo un Tren de Olas en Interacción con Viento Constante: Un Enfoque RANS Euleriano Combinado con un Modelo de Dispersión de Partículas Lagrangiano
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Mecánica
Palabras clave
Interacción
Viento
Olas
Simulación
Turbulencia
Mezcla
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
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Se investiga la interacción de un tren de olas de gravedad desarrolladas en aguas profundas con vientos aplicados de forma repentina en este manuscrito. La dirección del viento es la misma que la del tren de olas (es decir, siguiendo) y su tensión de corte superficial impuesta es constante y estable. El enfoque de este estudio se centra en un campo de olas de agua a microescala donde la escala de tiempo es del orden de diez períodos de ola y la escala de longitud es del orden de diez longitudes de ola. Se realizan simulaciones precisas en 2D promediadas por Reynolds (RANS) de las ecuaciones de Navier-Stokes en un marco euleriano para capturar las características del flujo, inducidas por el campo de olas y el viento superficial. El dominio espacial suficientemente grande en la dirección horizontal, combinado con el tiempo de simulación suficientemente largo, permite el desarrollo de corrientes superficiales y la consiguiente formación de una capa de corte cerca de la superficie. La interacción de las corrientes superficiales con el campo de velocidad orbital de las olas resulta en la generación de olas rompientes. Aguas abajo del dominio, se observan estructuras turbulentas verticales como resultado de tales olas rompientes. Se realiza un seguimiento de partículas lagrangianas, utilizando los datos de velocidad y difusividad de remolino de la simulación RANS. Se aplica un método de seguimiento de partículas de aceleración aleatoria de segundo orden con los gradientes espaciales vitalmente importantes de la difusividad de remolino también incluidos en los cálculos. Se demostró que los gradientes espaciales de la difusividad de remolino son un factor clave en las simulaciones de transporte de material. Nuestros resultados de seguimiento de partículas exhiben una fuerte mezcla vertical aguas abajo del dominio y mediante la visualización de la trayectoria en espiral de partículas neutras en flotabilidad. Tal mezcla vertical mejorada (causada por vientos horizontales) es el resultado de la fuerte advección cerca de la superficie (inducida por corrientes) y la turbulencia (inducida por olas rompientes). Los objetivos de este artículo son dobles. En primer lugar, se propone un enfoque numérico para simular olas rompientes por el viento basado en: utilizar el modelo K-RANS para capturar características de turbulencia, emplear el Método del Volumen de Fluido (VOF) para modelar el flujo de superficie libre y aplicar una fuerza corporal de tensión de corte constante en las celdas interfaciales para simular la fuerza del viento. Tal tratamiento de los vientos elimina la necesidad de resolver completamente la fase de aire. Los perfiles de viscosidad de remolino calculados están en buen acuerdo con los perfiles experimentales reportados en la literatura (t=-u*z, Journal of Physical Oceanography, 1977, 7, pp. 248-255; Journal of Physical Oceanography, 1984, 14, pp. 855-863). En segundo lugar, se estudian los efectos del viento aplicado horizontalmente sobre la mezcla vertical y los perfiles de viscosidad de remolino en la columna de agua. Se observa que, lejos de la superficie y fuera de la capa de corte, el gradiente horizontal negativo de la difusividad de remolino (inducido por el efecto de amortiguamiento de las olas rompientes en la superficie), combinado con las velocidades de advección hacia abajo (inducidas por las olas rompientes), resulta en una mezcla vertical mejorada y una reducción del desplazamiento horizontal del material transportado.
Descripción
Se investiga la interacción de un tren de olas de gravedad desarrolladas en aguas profundas con vientos aplicados de forma repentina en este manuscrito. La dirección del viento es la misma que la del tren de olas (es decir, siguiendo) y su tensión de corte superficial impuesta es constante y estable. El enfoque de este estudio se centra en un campo de olas de agua a microescala donde la escala de tiempo es del orden de diez períodos de ola y la escala de longitud es del orden de diez longitudes de ola. Se realizan simulaciones precisas en 2D promediadas por Reynolds (RANS) de las ecuaciones de Navier-Stokes en un marco euleriano para capturar las características del flujo, inducidas por el campo de olas y el viento superficial. El dominio espacial suficientemente grande en la dirección horizontal, combinado con el tiempo de simulación suficientemente largo, permite el desarrollo de corrientes superficiales y la consiguiente formación de una capa de corte cerca de la superficie. La interacción de las corrientes superficiales con el campo de velocidad orbital de las olas resulta en la generación de olas rompientes. Aguas abajo del dominio, se observan estructuras turbulentas verticales como resultado de tales olas rompientes. Se realiza un seguimiento de partículas lagrangianas, utilizando los datos de velocidad y difusividad de remolino de la simulación RANS. Se aplica un método de seguimiento de partículas de aceleración aleatoria de segundo orden con los gradientes espaciales vitalmente importantes de la difusividad de remolino también incluidos en los cálculos. Se demostró que los gradientes espaciales de la difusividad de remolino son un factor clave en las simulaciones de transporte de material. Nuestros resultados de seguimiento de partículas exhiben una fuerte mezcla vertical aguas abajo del dominio y mediante la visualización de la trayectoria en espiral de partículas neutras en flotabilidad. Tal mezcla vertical mejorada (causada por vientos horizontales) es el resultado de la fuerte advección cerca de la superficie (inducida por corrientes) y la turbulencia (inducida por olas rompientes). Los objetivos de este artículo son dobles. En primer lugar, se propone un enfoque numérico para simular olas rompientes por el viento basado en: utilizar el modelo K-RANS para capturar características de turbulencia, emplear el Método del Volumen de Fluido (VOF) para modelar el flujo de superficie libre y aplicar una fuerza corporal de tensión de corte constante en las celdas interfaciales para simular la fuerza del viento. Tal tratamiento de los vientos elimina la necesidad de resolver completamente la fase de aire. Los perfiles de viscosidad de remolino calculados están en buen acuerdo con los perfiles experimentales reportados en la literatura (t=-u*z, Journal of Physical Oceanography, 1977, 7, pp. 248-255; Journal of Physical Oceanography, 1984, 14, pp. 855-863). En segundo lugar, se estudian los efectos del viento aplicado horizontalmente sobre la mezcla vertical y los perfiles de viscosidad de remolino en la columna de agua. Se observa que, lejos de la superficie y fuera de la capa de corte, el gradiente horizontal negativo de la difusividad de remolino (inducido por el efecto de amortiguamiento de las olas rompientes en la superficie), combinado con las velocidades de advección hacia abajo (inducidas por las olas rompientes), resulta en una mezcla vertical mejorada y una reducción del desplazamiento horizontal del material transportado.