Transition Of Two-layer Stratified Flow From The Slope Of Bottom Topography To A Horizontal Channel

摘要

An experimental study was conducted to investigate the transition of two-layer stratified flow from the slope of bottom topography to a horizontal channel. Three experiments, with a reduced gravity of g' = 1.64, 6.47 and 18.0 cm s~(-2), were performed. Particle image velocimetry and planar laser-induced fluorescence were used to obtain the measurements of velocity and concentration fields. The flow rate, obtained from the measured velocity field, increases significantly toward the toe of the topography by almost 40% from that at the sill crest due to the interfacial wave activities. In the horizontal channel, however, the flow rate only increases marginally. Estimates of the composite Froude number indicate that the supercritical flow on the slope of the topography goes through the transition to the subcritical flow in the horizontal channel. The transition is mainly due to the increase in the lower-layer thickness because of increasing interfacial friction caused by the breaking of interfacial waves, and no internal hydraulic jumps are observed. The measured mean concentration field showed the formation of an intermediate layer of medium density, which increased its thickness with g' and helped to suppress turbulence. Spectral analysis of the density interfacial fluctuations indicated that the interfacial waves that developed on the slope of the topography broke up downstream of the toe into smaller amplitude waves at larger frequencies. The waves at several channel cross-sections were also examined.%Nous avons mené une étude expérimentale pour examiner la transition d'un écoulement stratifié en deux couches entre la pente de la topographie du fond et un canal horizontal. Nous avons fait trois expériences, avec une gravité réduite de g' = 1,64, 6,47 et 18,0 cm s~(-2). Nous nous sommes servis des techniques de vélocimétrie par images de particules et de fluorescence induite par laser planaire pour obtenir des mesures de champs de vitesse et de concentration. Le débit, déterminé à partir du champ de vitesse mesurée, augmente de façon importante vers le bas de la pente, par près de 40 % par rapport à celui observé à la crête du seuil, en raison des activités de vagues interfaciales. Dans le canal horizontal, cependant, le débit n 'augmente que légèrement. Les estimations du nombre de Fronde composite indiquent que le débit supercritique sur la pente de la topographie subit la transition pour devenir un débit sous-critique dans le canal horizontal. La transition est principalement causée par l'augmentation d'épaisseur de la couche inférieure sous l'effet d'une augmentation du frottement interne résultant du déferlement des vagues interfaciales, et aucun ressaut hydraulique interne n 'est observé. Le champ de concentration moyenne mesurée a montré la formation d'une couche intermédiaire de densité moyenne, dont l'épaisseur a augmenté avec g' et qui a aidé à supprimer la turbulence. L'analyse spectrale des fluctuations interfaciales de densité a révélé que les vagues interfaciales qui se sont formées le long de la pente de la topographie se sont brisées en aval du bas de la pente en vagues de plus petite amplitude et de plus grande fréquence. Nous avons aussi examiné les vagues en plusieurs sections transversales dans le canal.