Experimental characterization of unsteady gravity currents developing over smooth and rough beds

Abstract

Gravity currents are flows driven by density diff erences between two contacting fluids resulting from temperature gradients, dissolved substances or solid particles in suspension. The release of pollutants into rivers, oil spillage on the sea environment and desalination plant outflows are a few of man-made gravity currents that occur in water masses and frequently cause negative environmental impacts. Examples of gravity currents occurring spontaneously in nature are the sea-breeze and oceanic fronts, underwater debris flows and turbidity currents. Despite the comprehensive knowledge to date on such flows, their dynamics and impact are still topics for research. The aim of the present work is to experimentally investigate the influence of the initial density gradient and of the bed roughness on the kinematics and dynamics of unsteady gravity currents. The lock-exchange technique is herein used, in which two fixed volumes of fluids with diff erent densities, initially at rest in a tank, are put in contact when the gate separating them is rapidly removed, originating a dense current flowing near the tank bed while, simultaneously, a current formed by lighter fluid flows above the dense current, in the opposite direction. Focus is here given to the denser current and to its time-varying complex flow pattern. Two sets of lock-exchange experiments were performed using both image analysis and Particle Image Velocimetry (PIV) techniques. An image analysis technique was herein developed to assess the two-dimensional width-averaged instantaneous density field. This technique, based on dye concentration in the flow, permits the visualization and characterization of the gravity current allowing the understanding of its general dynamics and, more specifically, of the head dynamics. A PIV system was used in the second set of experiments to measure the two-dimensional instantaneous flow velocity field, in a vertical plane positioned along the tank centerline. This allowed the characterization of the inner flow pattern and of the shear instabilities present in the mixing layer between denser and lighter currents. The influence of the bed roughness and of the initial density gradient on the dynamics of the current and, more specifically, their influence on the propagation of the dense current and on the mixing with the ambient fluid is assessed and discussed.

As correntes de densidade são escoamentos gerados por diferenças de densidade entre dois fluidos em contacto, resultantes de gradientes de temperatura, substâncias dissolvidas ou particulas sólidas em suspensão. O lançamento de poluentes em rios, o derramamento de ´oleo no ambiente marinho e as correntes salinas resultantes de centrais de dessalinizacção são alguns exemplos de correntes de densidade que ocorrem em massas de água com impactos negativos no ambiente. A brisa do mar, as correntes oceânicas, os fluxos de detritos submersos e as correntes de turbidez constituem exemplos de correntes de densidade expontâneas na natureza. Apesar de extenso o conhecimento actual sobre estas correntes, a sua dinâmica, evoluçãao e impacto são ainda tópicos de investigação. Esta dissertação tem por objectivo investigar experimentalmente a influência do gradiente inicial de densidade e da rugosidade do leito na cinemática e dinâmica de correntes de densidade não permanentes. A técnica lock-exchange é aqui utilizada, na qual dois fluidos de diferentes densidades e volumes fixos, inicialmente em repouso num tanque, são colocados em contacto assim que a comporta que os separa é rapidamente removida, originando uma corrente densa junto ao fundo do tanque e, em simultâneo, uma corrente de fluido menos denso movendo-se sobre a corrente mais densa, na direcção oposta. O objecto da investigaçã aqui apresentada é a corrente mais densa e o seu escoamento complexo e variável no tempo. Foram realizadas duas séries de ensaios usando técnicas de análise de imagem e de Particle Image Velocimetry (PIV). O campo bidimensional e instantâneo da massa volúmica, por unidade de largura do escoamento, foi avaliado através de uma técnica de análise de imagem aqui desenvolvida. Esta técnica, baseada na concentração de corante no escoamento, permite a visualização e caracterização da corrente, clarificando a sua dinâmica geral e, em particular, da zona frontal. Um sistema de PIV foi utilizado na segunda série de ensaios para medir o campo bidimensional e instantâneo de velocidades do escoamento, num plano vertical posicionado no centro do tanque. A caracterização do padrão interno do escoamento foi assim possível, tal como das instabilidades presentes na interface entre a corrente e o fluido ambiente. A influência da rugosidade do leito e do gradiente inicial de densidade na dinâmica da corrente e, mais especificamente, na propagação da corrente densa e na mistura com o fluido ambiente é avaliada e discutida.