Transport and Mixing at River Confluences
Geotechnics, Hydraulic Engineering
Final Report Abstract
Zusammenflüsse von Flüssen - Orte, an denen Flüsse mit ihren Nebenflüssen verschmelzen - sind in Fluvialsystemen üblich und repräsentieren ihre komplexesten hydrodynamischen Umgebungen. Auf Grund der Unterschiede in der Geologie, dem hydrologischen Regime und der Landnutzung in den Wassereinzugsgebieten der zusammenlaufenden Flüsse, unterscheiden sich ihre Gewässer oft im Gehalt der transportierten Stoffe und der Temperatur. Der Prozess des Zusammenfließens von zwei Flüssen wird selten innerhalb eines Zusammenflusses durchgeführt, wesentlich häufiger teilen zwei Flüsse denselben Kanal und fließen für große Entfernungen ohne eine bemerkenswerte Vermischung zusammen. In diesem Projekt haben wir die Hypothese des gegenläufigen helikalen Sekundärflusses gründlich getestet. Im Gegensatz zu früheren Arbeiten, die auf der Musterklassifikationstechnik basieren, haben wir eine Methode zur direkten quantitativen Vorhersage skalierter Messprofile angewendet, die auf der analytischen Modellierung gekrümmter Strömungen beruht. Darüber hinaus, haben wir eine neue Hypothese entwickelt, die besagt, dass die Wechselwirkung von aufeinanderfolgenden helicalen Zellen die streamwise oriented vortical cells (SOV) (Hauptströmungsorientierte Wirbelzellen) generiert. Unsere Experimente demonstrieren, wie die Muster von SOV-Zellen in den allgemeinen Mustern des Sekundärflusses verschachtelt sind und wie das Wissen über diese Merkmale verwendet werden kann, um die Muster des Vermischens zu interpretieren. Insbesondere demonstrieren wir, wie die Skaleneffekte das verlängerte Vermischen erzeugen. Studien dieses Projekts deuten ebenfalls stark darauf hin, dass sich eine zweischichtige Struktur in diskordanten Konfluenzen von Tieflandflüssen entwickeln kann, wenn die Strömung im Nebenfluss unterkritisch ist. Wenn das Geschwindigkeitsverhältnis hoch ist (> 2), kann die Strömung bei diskordanten Zusammenflüssen jetähnliche Eigenschaften haben. Die Entwicklung des Strahls verkompliziert etwas die traditionelle Perspektive, dass die Hydrodynamik von Grenzflächen bei Konfluenzen analog zu flachen Mischschichten ist. Obwohl diese Perspektive einen fundierten theoretischen Rahmen für die Ausarbeitung des Verhaltens von Mischprozessen bei Konfluenzen von parallelen Strömen bietet - einschließlich der Auswirkungen von Impulsverhältnis und Oberflächenniveau auf die Mischgeschwindigkeiten - hat sie Beschränkungen, wenn sie auf gewinkelte Zusammenflüsse angewendet wird. Bei konkordanten Zusammenhängen reicht das Mischschichtenmodell nicht aus, um die Mischgrenzflächendynamik bei Impulsverhältnissen nahe 1 zu beschreiben, wenn diese Dynamik am besten durch das Wake-Modell dargestellt wird. Die Diskordanz von Flusskanälen verkompliziert die Dynamik der Zusammenführung von Strömungen weiter, indem Druckeffekte erzeugt werden, die die Mischschnittstelle verzerren. Die Ergebnisse zeigen, dass die Mischgrenzfläche bei einer diskordanten Konfluenz mit einem Strahl durch den Wasserfluss aus dem Hauptfluss unterhalb des Nebenflusses unterbrochen werden kann, was die Mischungsraten innerhalb der Konfluenz stark erhöht und zu einer nahezu vollständigen Vermischung von konfluenten Flüsse über kurze Distanzen führt. Die in diesem Projekt durchgeführten Forschungen liefern eine transformative Verbesserung des Wissens über Misch- und Transportprozesse an und unmittelbar stromab von Flusszusammenhängen durch die Erarbeitung eines fundamentalen theoriebasierten Einblicks in die kontrollierende Faktoren.
Publications
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