6.4.1: Визначення
- Page ID
- 1349
Транспортування осаду можна визначити як рух частинок осаду протягом певного періоду часу через чітко визначену площину. Вертикальна протяжність такої площини, як правило, від грядки до рівня води. У горизонтальному напрямку площина може проходити від краю зони прибою до водної лінії. У цьому випадку розглядається сумарний хвильовий прибрежний транспорт, інтегрований над зоною прибою. Однак часто транспортні тарифи виражаються на метр ширини.
Оскільки берегові інженери зацікавлені в обсягах нарощування та ерозії, звичайною практикою є вираження швидкості транспортування осаду\(S\) в\(m^3/s/m\) (обсяги піску в секунду на метр ширини). Ці обсяги осаду можуть виражатися в перерахунку на обсяги твердих зерен. Інші формули транспортування осадів безпосередньо дають відкладені обсяги піску (в секунду і метр ширини). Осаджені обсяги піску включають пори між зернами і є в рази\(1/(1 - p)\) більше, ніж обсяги твердих зерен (див. 6.2.2). У балансі маси Eq. 1.5.2.1 передбачалося, що об'ємні швидкості транспортування осаду включають пори. Якщо замість цього враховуються транспортні швидкості твердих зерен, баланс маси читає (з нульовими локальними прибутками або втратами):
\[(1 - p) \dfrac{\partial z_b}{\partial t} + \dfrac{\partial S_x}{\partial x} + \dfrac{\partial S_y}{\partial y} = 0\]
де:
| \(z_b (x, t)\) | рівень ліжка вище певної горизонтальної бази | \(m\) |
| \(S_x (x, y, t)\) | швидкість транспортування осаду в\(x\) -напрямку (обсяг твердих зерен в секунду і на м ширини) | \(m^3/m/s\) |
| \(S_y (x, y, t)\) | транспортна ставка в\(y\) -напрямку | \(m^3/m/s\) |
| \(p\) | пористість | - |
Замість об'ємних транспортних ставок іноді наводяться масові транспортні тарифи. Зазвичай це стосується не сухої маси осаду (з щільністю\(\rho_s\)), а зануреної (підводної) маси осаду. Співвідношення між об'ємною швидкістю транспортування\(S\) (включаючи пори) та зануреною масовою швидкістю транспортування\(I_m\) становить:
\[I_m = (\rho_s - \rho)(1 - p) S\]
де:
| \(I_m\) | занурена масова транспортна швидкість | \(kg/m/s\) |
| \(S\) | об'ємні транспортні швидкості відкладеного матеріалу | \(m^3/m/s\) |
Інші транспортні склади виражаються в перерахунку на занурену масу\(I = gI_m\).
Зазначені вище транспортні тарифи можуть бути миттєвими транспортними тарифами, а й транспортними тарифами, усередненими за більш гідродинамічними умовами (група хвиль, шторм, рік). Останній представляє найбільший інтерес для берегових інженерів.
Навантаження ліжка проти підвішеного навантаження
Можна виділити різні види транспорту:
Завантаження шару транспортує транспортування частинок осаду в тонкому шарі, близькому до шару. Частинки знаходяться в більш-менш безперервному контакті з ліжком. Транспортування навантаження на ліжко при малих напруженнях зсуву показаний на рис. 6.6а. При більш високих напруженнях зсуву весь шар осаду переміщається на плоскому шарі (рис.6.6б). Це називається потоком листа і часто розглядається як навантаження на шар, оскільки зерно-зернові взаємодії відіграють певну роль.
Зважений вантаж транспортує транспортування частинок, зважених у воді, без будь-якого контакту з ліжком. Частинки підтримуються турбулентними дифузійними силами. На малюнку 6.6c показаний даний вид транспорту.
Сума навантаження ліжка та підвішеного навантаження називається загальним навантаженням. Крім того, існує третя категорія, яка носить назву прання навантаження. Вантажівка для прання складається з дуже дрібних частинок, які осідуть лише у негазованій воді і яких немає в ліжку. Оскільки ці частинки не сприяють зміні рівня ліжка, навантаження на прання не враховується при загальному транспортуванні вантажу.
Транспортування ліжко-навантаження при низьких напруженнях зсуву
Як тільки напруга зсуву шару перевищує критичне значення (параметр Shields між 0,03 і 0,06, див. Розділ. 6.3) частинки осаду починають перекочуватися або ковзати по шару. Якщо напруга зсуву шару зростає далі, частинки осаду переміщаються по шару, роблячи невеликі стрибки, які називаються засолками. Поки довжини стрибка солянок обмежені, щоб сказати в кілька разів більше діаметра частинок, цей тип руху розглядається як частина транспорту навантаження ліжка. Близько до початку руху ліжко залишається рівним, але для дещо більших напружень зсуву ліжка навантаження на ліжко відбувається насамперед через міграцію дрібномасштабних форм ліжка. Коли стрибки стають більшими, частинки слабшають контакт з дном і стають підвішеними.
Транспортування листового потоку
При більш високих напруженнях зсуву (параметри щитів вище приблизно 0,8-1,0) частинки ближче до шару починають рухатися в декількох шарах, замість того, щоб перекочуватися і стрибати в один шар. У хвильовому тунелі з реверсивним потоком (див. Рис. 6.8) цей процес можна спостерігати дуже чітко; верхній шар русла рухається вперед-назад у вигляді листа піску над рівним нерухомим шаром. Якщо товщина шару листового потоку визначається як відстань між нерухомим шаром і рівнем, де усереднена за часом концентрація осаду стає нижчою за об'ємну концентрацію 8 об.% (див. Dohmen-Janssen et al., 2001), товщина шару листового потоку становить близько сантиметрів. Для 8 об.% відстань між частинками в середньому дорівнює діаметру зерен. Це означає, що важливі міжкристалічні сили та взаємодії зерно-вода. Баньольд (1956) визначив навантаження на ліжко як ту частину загального навантаження, яка підтримується міжкристалітними силами. Згідно з цим визначенням транспортування листового потоку можна розглядати як транспортування навантаження на ліжко при високих напруженнях зсуву.
Підвісний вантажний транспорт
Над шаром завантаження шару або шаром листового потоку осад може перебувати в суспензії. Частинки в суспензії не відразу повертаються в пласт під впливом швидкості їх осідання, а утримуються в суспензії турбулентністю рідини. Можна припустити, що зважені частинки, присутні в певній вертикальній площині, рухаються горизонтально по площині з частинками води і, таким чином, зі швидкістю частинок води. Частинки підвішені в потоці при відносно низьких концентраціях (менше 1 об.%), так що міжкристалітні сили не важливі.
Як вже говорилося вище, в режимі листового потоку (параметри щитів вище 0,8-1,0) весь шар осаду переміщається по плоскому шару. Оскільки ліжко плоске, як- sumption здається розумним, що підвішене навантаження над шаром листового потоку підтримується турбулентністю рідини (або іншими словами: вертикальний транспорт осаду регулюється турбулентними дифузійними процесами). Підвісний транспорт, підтримуваний турбулентністю рідини, додатково обробляється в секті. 6.6.
Однак при нижчих параметрах щитів (нижче 0,8-1,0) ліжко не залишиться площиною. Натомість менші і більші форми пласта виникають під впливом струмів і хвильового орбітального руху. Орбітальні брижі мають довжину в порядку амплітуди орбітальної швидкості вільного потоку\(\hat{u}_0\) (див. 5.4.3 і екв. 5.4.3.1), тоді як анорбітальні брижі набагато менше і масштабуються з розміром зерен. У випадку з рифленим шаром шорсткість шару пов'язана з геометрією пульсації, а не з діаметром зерна, як це було для плоского шару. Далі потік відділяється за гребенем пульсації і біля русла утворюється організована схема вихорів (див. Рис.
Ці вихори здатні приносити велику кількість осаду в суспензію. Час цих подій підвіски в межах хвильового циклу має вирішальне значення для величини (і напрямку, див. Розділ. 6.6.1 і Intermezzo 6.1) отриманого усереднених за хвилею транспортування осаду. У той час як у випадку з площинним ліжком зазвичай передбачається, що турбулентні дифузійні сили утримують відкладення у підвішеному стані, для рябного шару слід застосовувати інший підхід, оскільки висхідний транспорт осаду тепер є результатом організованого руху. Це ускладнює обчислення, а\(c(z, t)\) також\(v(z, t)\) значно і явно не враховується в цих конспектах лекцій.
Малюнок 6.8: Схематичне зображення Великого осцилюючого водного тунелю (LOWT) (LOWT), що використовується в Нідерландах для вивчення явищ внутрішньохвильового переносу осаду в умовах керованої імітації хвилі в повному масштабі. Система в основному складається з вертикальної U-труби з однією відкритою ніжкою. Інша ніжка забезпечена поршнем. На дні тестової секції може бути встановлений осадовий шар. Генеруваний коливальний потік є чисто горизонтальним; на відміну від випадку прогресивних хвиль, вертикальні швидкості та горизонтальні градієнти, і, таким чином, індуковані хвилями потоки, відсутні.
Малюнок 6.9: Концентрації осаду як функція часу (99 окремих записів) (Bosman, 1982). На\(x\) -осі: час\(t\) відносно хвильового періоду\(T\). На\(y\) -осі: концентрація осаду в\(kg/m^3 (= g/l)\). Синусоїдальний рух води\(\hat{u}_0 = 0.3\ m/s\) і\(T = 1\ s\), вимірюється в положенні гребеня пульсації.
У прибережному середовищі як швидкість, так і концентрація виявляють великі коливання протягом хвильового періоду. На жаль, розуміння щодо\(c(z, t)\) особливо дуже бідне. Навіть у відносно простому лабораторному випадку хвильового тунелю (рис. 6.8) співвідношення між кінематикою потоку і концентрацією осаду далеко не однозначне. Це видно з рис. 6.9, де показано майже сто різних записів, які\(c(t)\) вимірюються на постійній висоті біля дна та в однакових регулярних хвильових умовах. Розкид в результатах вимірювань дуже великий. Тим не менш, ми можемо спостерігати таку якісну поведінку:
- Пік концентрації осаду відразу після максимальної наземної та морської швидкості (\(t/T = 0.25\));
- Два вторинних піку концентрації осаду відразу після розвороту потоку (пов'язані з вихорами, що розвиваються над рифленим шаром).
Поведінка нерегулярних\(c(z, t)\) прогресивних і розривних хвиль ще менш добре зрозуміла і дуже важко моделювати з розумною точністю. Це має серйозні наслідки для точності розрахунків внутрішньохвильового потоку осаду\(c(z, t) \cdot u(z, t)\). Крім того, через коливальну поведінку\(u(z, t)\), його середнє значення близьке до нуля, що робить обчислення дуже чутливими до помилок.
Вимірювання в хвильових каналах (на відміну від тунелів) показують наявність зважених частинок осаду від шару до (миттєвої) поверхні води. Найбільші концентрації виявляються близько до ліжка, де дифузійність велика через вихрових пульсацій. Далі від ліжка концентрації осаду швидко зменшуються, оскільки вихрові речовини досить швидко розсмоктуються вгору.