Gravity currents from non-axisymmetric releases

par Nadim Zgheib

Thèse de doctorat en Dynamique des fluides

Sous la direction de Sivaramakrishnan Balachandar et de Thomas Bonometti.

  • Titre traduit

    Dynamique des courants de gravite non-axisymetriques


  • Résumé

    Les courants de gravité, écoulements issus de la présence d’un contraste de densité dans un fluide ou de la présence de fluides de densités différentes, sont rencontrés dans de nombreuses situations naturelles ou industrielles. Quelques exemples de courants de gravité sont les avalanches, les marées noires et les courants de turbidité. Certains courants de gravité peuvent représenter un danger pour l’homme ou l’environnement, il est donc nécessaire de comprendre et de prédire leur dynamique. Cette thèse a pour objectif d’étudier l’évolution de courants de gravité de masse fixée, et notamment l’influence d’une forme initiale non-axisymétrique sur la dynamique, effet jusque-là peu abordé dans la littérature. Pour cela, une large gamme de paramètres est couverte, incluant le rapport de masse volumique entre le fluide ambiant et le fluide dans le courant, le rapport de forme initiale, la forme de la section horizontale de la colonne de fluide (circulaire, rectangulaire ou en forme de croix), le nombre de Reynolds (couvrant jusqu’à 4 ordres de grandeur) et la nature du fluide lourd (salin ou chargé en particules). Deux campagnes d’expériences ont été menées et complétées par des simulations numériques hautement résolues. Le résultat majeur est que la propagation du courant et le dépôt de particules (lorsque particules il y a) sont fortement influencés par la forme initiale de la colonne de fluide. Dans le cas de la colonne initialement rectangulaire le courant se propage plus vite et dépose plus de particules dans la direction initialement de plus courte dimension. Ce comportement non-axisymétrique est observé dans une large gamme des paramètres étudiés ici. Pourtant les modèles analytiques existants et notamment le modèle dit de boîte (box model) qui prédit avec succès le comportement des courants de gravité/turbidité dans les cas plan et axisymétrique ne sont pas capables de reproduire ce phénomène. C’est pourquoi une extension du box model a été développée ici, et est en mesure de décrire la dynamique de courants de gravité de masse fixée dont la forme initiale est arbitraire. Le cas plus général d'un courant de gravité évoluant sur un plan incliné a été abordé et une dynamique intéressante a été observée.


  • Résumé

    Gravity currents are buoyancy driven flows that appear in a variety of situations in nature as well as industrial applications. Typical examples include avalanches, oil spills, and turbidity currents. Most naturally occurring gravity currents are catastrophic in nature, and therefore there is a need to understand how these currents advance, the speeds they can attain, and the range they might cover. This dissertation will focus on the short and long term evolution of gravity currents initiated from a finite release. In particular, we will focus attention to hitherto unaddressed effect of the initial shape on the dynamics of gravity currents. A range of parameters is considered, which include the density ratio between the current and the ambient (heavy, light, and Boussinesq currents), the initial height aspect ratio (height/radius), different initial cross-sectional geometries (circular, rectangular, plus-shaped), a wide range of Reynolds numbers covering 4 orders of magnitude, as well as conservative scalar and non-conservative (particle-driven) currents. A large number of experiments have been conducted with the abovementioned parameters, some of these experiments were complemented with highly-resolved direct numerical simulations. The major outcome is that the shape of the spreading current, the speed of propagation, and the final deposition profile (for particle-driven currents) are significantly influenced by the initial geometry, displaying substantial azimuthal variation. Especially for the rectangular cases, the current propagates farther and deposits more particles along the initial minor axis of the rectangular cross section. This behavior pertaining to non-axisymmetric release is robust, in the sense that it is observed for the aforementioned range of parameters, but nonetheless cannot be predicted by current theoretical models such as the box model, which has been proven to work in the context of planar and axisymmetric releases. To that end, we put forth a simple analytical model (an extension to the classical box model), well suited for accurately capturing the evolution of finite volume gravity current releases with arbitrary initial shapes. We further investigate the dynamics of a gravity current resulting from a finite volume release on a sloping boundary where we observe some surprising features.


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