Pore-resolved investigation of turbulent open channel flow over a randomly packed permeable sediment bed

湍流 机械 剪应力 雷诺数 雷诺应力 河床 边界层 泥沙输移 地质学 明渠流量 岩土工程 材料科学 沉积物 物理 地貌学
作者
Shashank K. Karra,Sourabh V. Apte,Xiaoliang He,Tim Scheibe
出处
期刊:Journal of Fluid Mechanics [Cambridge University Press]
卷期号:971 被引量:8
标识
DOI:10.1017/jfm.2023.636
摘要

Pore-resolved direct numerical simulations are performed to investigate the interactions between streamflow turbulence and groundwater flow through a randomly packed porous sediment bed for three permeability Reynolds numbers, $Re_K=2.56$ , 5.17 and 8.94, representative of natural stream or river systems. Time–space averaging is used to quantify the Reynolds stress, form-induced stress, mean flow and shear penetration depths, and mixing length at the sediment–water interface (SWI). The mean flow and shear penetration depths increase with $Re_K$ and are found to be nonlinear functions of non-dimensional permeability. The peaks and significant values of the Reynolds stresses, form-induced stresses, and pressure variations are shown to occur in the top layer of the bed, which is also confirmed by conducting simulations of just the top layer as roughness elements over an impermeable wall. The probability distribution functions (p.d.f.s) of normalized local bed stress are found to collapse for all Reynolds numbers, and their root-mean-square fluctuations are assumed to follow logarithmic correlations. The fluctuations in local bed stress and resultant drag and lift forces on sediment grains are mainly a result of the top layer; their p.d.f.s are symmetric with heavy tails, and can be well represented by a non-Gaussian model fit. The bed stress statistics and the pressure data at the SWI potentially can be used in providing better boundary conditions in modelling of incipient motion and reach-scale transport in the hyporheic zone.

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