A Numerical Modeling Framework for Flocculation and Cohesive Sediment Transport in the Wave Bottom Boundary Layer

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作者
Jorge A. Penaloza-Giraldo,Liangyi Yue,Tian-Jian Hsu,Bernhard Vowinckel,Andrew Manning,Eckart Meiburg
出处
期刊:Journal Of Geophysical Research: Oceans [Wiley]
卷期号:130 (11)
标识
DOI:10.1029/2025jc022373
摘要

Abstract Flocculation, a critical process in coastal and estuarine systems, plays a significant role in sediment transport, nutrient cycling, and ecological health. This study develops a cohesive sediment transport modeling framework tailored to the wave bottom boundary layer under dilute and equilibrium conditions, explicitly incorporating flocculation effects via a Population Balance Equation (PBE). Using Direct Numerical Simulation, six baseline cases, each with a distinct sediment concentration profile resulting from a constant settling velocity and critical erosion shear stress, are generated to drive the PBE flocculation model for given floc yield strength and stickiness. Results reveal that flocculation significantly influences sediment concentration profiles promoting three distinct stages, well‐mixed, transition to lutocline, and well‐developed lutocline. At low concentrations with well‐mixed profiles, cohesive floc properties are less significant, and turbulence is a main flocculation driver. In contrast, as concentration increases, cohesive floc properties become crucial, facilitating lutocline formation. The analysis also highlights limitations of depth‐averaged settling velocity as a parameterization. It is suitable for well‐mixed and transitional profiles but fails in well‐developed lutoclines, where empirical formulations that explicitly incorporate turbulent shear rate and sediment concentration better capture variability. This study underscores the necessity of incorporating flocculation effects into sediment transport models to enhance predictions of sediment dynamics in wave bottom boundary layers.
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