Large-scale flow structures and stability in shallow flows

摘要

Les écoulements turbulents peu profonds survenant dans les larges rivières, les estuaires, les lacs ou les régions côtières, ainsi que dans l'atmosphère, sont facilement sujets à des perturbations transversales qui mènent à des structures bidimensionnelles cohérentes. Le jet de surface, le sillage peu profond et la couche de mélange peu profonde sont des exemples de tels modèles d'écoulement. Une analyse de stabilité linéaire incorporant les effets de la friction de fond et de la viscosité est appliquée à ces écoulements afin de déterminer les critères d'une instabilité absolue et convcctive ainsi que d'une stabilisation de l'écoulement. Tous les trois types d'écoulements montrent des instabilités dans la plage des écoulements naturels. Trois mécanismes de génération d'instabilité à grande échelle, c'est-à-dire le forçage topographique, le cisaillement dynamique transversal et les instabilités secondaires de l'écoulement de base, sont comparés aux calculs de stabilité. En se basant sur ces résultats, le forçage topographique et, dans une moindre mesure, le cisaillement transversal devraient chacun présenter des instabilités absolues et convectives, alors que les instabilités secondaires de l'écoulement de base devraient générer principalement des instabilités convectives. Les structures cohérentes à grande échelle en découlant influencent grandement le mélange et le transport des polluants ainsi que la quantité de mouvement qui sont introduits dans de tels écoulements.%Shallow turbulent flows occurring in wide rivers, estuaries, lakes or coastal regions, as well as the atmosphere, are readily susceptible to transverse disturbances that lead to two-dimensional coherent structures. The shallow jet. the shallow wake, and the shallow mixing layer are examples of such flow patterns. A linear stability analysis incorporating the effects of bottom friction and viscosity is applied to these flows to determine the criteria for absolute and convective instability and for stabilization of the flow. All three flow types exhibit instabilities within the range of natural flows. Three mechanisms for large-scale instability generation, namely topographic forcing, transverse velocity shear, and secondary instabilities of the base flow, are compared to the stability calculations. Based on the results, topographic forcing, and to a lesser extent, transverse shear are expected to have both absolute and convective instabilities; whereas, secondary instabilities of the base flow are expected to generate primarily convective instabilities. The resulting large-scale coherent structures greatly influence the mixing and transport of pollutants and momentum that are released into such flows.