Three-dimensional numerical simulation of solute transport in a meandering self-formed river channel

摘要

A three-dimensional (3-D) numerical model with standard k-ε turbulence closure has been applied to model the transport and mixing of solute in a large-scale laboratory channel. The channel is meandering with self-formed cross-sectional shape. Simulation accuracy was evaluated through comparison of computed and measured temporal concentration curves downstream of a pulse injection from a transverse line source. This study shows that the transport and mixing of solute in a meandering channel with a physically realistic bathymetry can be simulated accurately with a 3-D numerical model using k-ε turbulence closure. The prediction accuracy of the temporal concentration curves using different time steps, numerical schemes and Schmidt numbers are presented. The performance was evaluated in terms of a goodness of fit, computed peak concentration and gradients of the rising and falling limbs. The second order upwind scheme for the advective term in the solution of the advection-diffusion equation was found to give a considerably better prediction of the temporal concentration curve than the power law scheme. A value of unity for the turbulent Schmidt number results in a slightly early arrival time of the peak in tracer concentration, reducing the value of Schmidt number to 0.5 was found to result in a more accurate prediction.%Un modèle numérique tridimensionnel (3-D) avec la fermeture standard de turbulence k-ε a été appliqué pour modéliser le transport et le mélange de corps dissous dans un canal de laboratoire à grande échelle. Le canal est en méandres avec des sections transversales auto-formées. La validité de la simulation a été évaluée en comparant les courbes temporelles de concentration calculées et mesurées en aval d'une injection puisée à partir d'une ligne source transversale. Cette étude prouve que le transport et le mélange de corps dissous dans un canal en méandres, avec une bathymétrie physiquement réaliste, peuvent être correctement simulés avec un modèle numérique à trois dimensions en utilisant la fermeture de turbulence k-ε. On présente la précision obtenue pour la variation en temps de la concentration lorsqu'on utilise différents pas de temps, différents schémas numériques et différents nombres de Schmidt. La performance a été évaluée en termes de qualité d'ajustement, de concentration maximale calculée et de gradients des membres en montée et en chute. On constate que le schéma amont du second ordre pour le terme de convection dans l'équation de convection-diffusion donne une bien meilleure prévision que le schéma en loi de puissance. Une valeur unité pour le nombre de Schmidt turbulent donne un temps d'arrivée légèrement court pour le pic de concentration du traceur ; en réduisant la valeur du nombre de Schmidt à 0.5 on trouve une prévision plus précise.