Numerical simulations of scalar transport across the sediment-water interface using a two-phase model

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Aponte Cruz, Edwin Rafael
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Rodríguez Abudo, Sylvia B.
College of Engineering
Department of Mechanical Engineering
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This study provides insights into the instantaneous and time-averaged behavior of scalar plumes under oscillatory flows, an understudied aspect in coastal processes. A comprehensive analysis is conducted on the complex interactions among oscillating flows, sediment transport, and passive scalar transport over bedforms using an advection-diffusion model integrated with two Reynolds-Averaged Navier-Stokes models. Simulations on fixed non-permeable beds with scalar sources at crest and trough, validated with experiments, show favorable comparisons in scalar field magnitudes, albeit with some dye dispersion overestimation. Incorporating sediment mobility through the two-phase model SedFOAM reveals significant alterations in flow dynamics and scalar transport. Large spatial and temporal variations in scalar concentration and fluxes, along with doubled dye spread at the crest, are observed, underscoring the importance of sediment transport and permeability. However, for scalar processes originating at lower advection regions, such as troughs and flanks, approximating scalar transport with a fixed non-permeable bed yields acceptable results.

Este estudio proporciona información sobre el comportamiento instantáneo y promediado con respecto al tiempo de escalares bajo flujos oscilantes, un aspecto poco estudiado en procesos costeros. Se lleva a cabo un análisis exhaustivo sobre las interacciones complejas entre flujos oscilantes, transporte de sedimentos y escalares pasivos sobre formas de fondo, utilizando un modelo de advección-difusión acoplado con dos modelos Reynolds-Averaged Navier-Stokes. Simulaciones en lechos fijos no permeables con fuentes escalares en la cresta y valle, validadas con experimentos, muestran comparaciones favorables en magnitudes de campos escalares, aunque con una sobreestimación de dispersión de tinta. La incorporación de la movilidad de sedimentos a través del modelo de dos fases SedFOAM revela alteraciones significativas en la dinámica del flujo y el transporte de escalares. Se observan grandes variaciones espaciales y temporales en la concentración y flujos de escalares, junto con una propagación duplicada de tinta en la cresta, subrayando la importancia del transporte de sedimentos y permeabilidad. Sin embargo, para procesos escalares que se originan en regiones de advección más bajas, como valles y flancos, la aproximación del transporte de escalares con un lecho fijo no permeable produce resultados aceptables.
Scalar transport,
Wave-induced flows,
Two-phase model,
Sediment-water interface
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Aponte Cruz, E. R. (2024). Numerical simulations of scalar transport across the sediment-water interface using a two-phase model [Thesis]. Retrieved from