Three-dimensional modeling of density current. Ⅱ. Flow in sinuous confined and unconfined channels

摘要

The evolution of a density current in meandering subaqueous channel is studied using a three-dimensional numerical model. The objective of the study is to gain insight into the effect of curvature on the structure of a density-driven flow. The model is applied to three different cases: confined flow in a curved and in a sinuous channel, and unconfined flow in a sinuous channel. Similar to open channel flow, the primary flow structure is only nominally affected by channel curvature. At the apex of a channel bend, different layers of the density current display a varied but considerable degree of superelevation. In the confined flow cases, a strong circulation cell forms near the channel bottom and additional weaker cells develop near the top of the current. The strength of the bottom dominant cell is found to be similar to that of the single circulation cell observed in the subaerial environment. Significant flow stripping occurs towards the outside overbank area in the unconfined case. Due to the dominant effect of stripping, the secondary flow becomes muted and only one circulation cell develops near the channel bottom in this case. The size and strength of this cell is relatively small.%L'évolution d'un courant de densité dans un chenal de fond avec méandres est étudiée à l'aide d'un modèle numérique tridimensionnel. L'objectif de l'étude est d'obtenir un éclairage sur l'effet de la courbure sur la structure d'un courant de densité. Le modèle est appliqué à trois cas différents : écoulement confiné dans un canal courbe et dans un canal sinueux, et l'écoulement non confiné dans un canal sinueux. Comme dans l'écoulement en canal à surface libre, la structure primaire d'écoulement seule est apparemment affectée par la courbure du canal. Au sommet de la courbe du canal, différentes couches de courant de densité subissent des surélévations variées mais considérables. Dans les cas confinés d'écoulement, une grosse cellule de circulation se forme près du fond du chenal et des cellules additionnelles plus faibles se développent près du plafond du courant. La force de la cellule dominante inférieure ressemble à celle d'une cellule simple de circulation observée dans l'environnement subaerien. Des nappes d'écoulement caractéristiques se développent vers le secteur de débordement extérieur dans le cas non confiné. Dû à l'effet dominant de nappe, l'écoulement secondaire s'amortit et seule une cellule de circulation se développe près du fond du canal dans ce cas. La taille et la force de cette cellule sont relativement faibles.