Turbulent bursting-based diffusion model for suspended sediment in open channel flows

摘要

La suspension de particules sédimentaires a été trouvée être en liaison étroite avec le phénomène de bouffées turbulentes ("burst") dans la couche d'écoulement proche de la paroi. Ce mécanisme constitue la base physique du présent modèle heuristique de diffusion turbulente applicable aux écoulements de suspension en écoulement à surface libre. Ce modèle est formulé avec l'intensité des bouffées et leur durée moyenne. L'intensité des bouffées représentée par une fraction de l'intensité de turbulence selon la verticale a été estimée à partir des résultats expérimentaux en se reportant à la valeur totale de l'intensité de turbulence calculée par une solution analytique extraite de la littérature. Un profil parabolique biais est obtenu pour le coefficient de diffusion turbulente du sédiment en suspension. Le seul paramètre en jeu dans le modèle est calé au moyen de mesures couvrant de larges éventails d'indices de suspension et de concentrations en sédiment. Il la été trouvé être une fonction croissante de l'indice de suspension, ce qui montre physiquement qu'un plus grand nombre de bouffées d'énergie turbulente de longueur durée sont nécessaires pour maintenir en suspension des particules plus grossières et plus lourdes. Le modèle développé donne une comparaison valable avec des données de laboratoire indépendantes. D'autres modèles ultérieurs plus fins peuvent être souhaités, donnant une meilleure connaissance du ph╚omène des bouffées turbulentes.%Suspension of sediment particles has been found to be in close association with the bursting process in a turbulent wall-layer flow. This mechanism forms the physical basis of the present heuristic turbulent diffusion model for suspended sediment in open channel flows. It is formulated using the bursting intensity and the mean duration of turbulent bursts. The bursting intensity as the fractional vertical turbulence intensity contributed by bursting is determined from its percentage, estimated using existing measured data, among the total vertical turbulence intensity calculated using an analytical solution in the literature. A skewed parabolic profile is obtained for the turbulent diffusion coefficient of suspended sediment. The unique parameter involved in the model is calibrated using measured data spanning wide ranges of suspension indices and sediment concentrations. It is found to increase with particle suspension index, indicating physically that more energetic turbulent bursts with longer durations are needed for the suspension of coarser and heavier particles. The developed model is shown to perform satisfactorily through comparison with independent laboratory data. Further refined models can be expected, given the enhanced understanding of the turbulent bursting phenomenon.