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Scalar transport near the sediment water interface in coastal bottom boundary layers
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Abstract
This study represents an unprecedented experimental effort to resolve scalar transport over flat and rippled beds subjected to oscillating wave forcing. Concentration and velocity fields were simultaneously resolved using optical devices and an oscillating tray, which can simulate field conditions. The combined effects of unsteady hydrodynamic forcing, spatially varying mass sources, and bedform-induced turbulence were analyzed. Several study cases were configured, varying the bed morphology and permeability, as well as the across-ripple source location. Instantaneous concentration fields showed high persistence of dye blobs for the flat bed case and significant mixing in the rippled bed cases promoted by the bedform. The phase-averaged analysis of the rippled bed showed the dye plume is highly dominated by the periodic vortex formed by the ripple; the dye spread is favored by locating the source at the ripple’s flank, being up to six times higher than the trough case and more than twice the crest-case spread. Similar flux magnitudes were observed for crest and flank cases, decreasing about five times for a trough source, likely due to the higher dye penetration at the troughs. The turbulence in the flat bed case dominated the vertical flux and diffusion, while the larger coherent structures also influenced these quantities in rippled beds. For similar hydrodynamic conditions, the rippled morphology promoted a tenfold increase in the vertical diffusion, which presents a significant spatial variation in rippled beds while nearly constant over a flat bed.
Este estudio representa un esfuerzo experimental sin precedentes para resolver el transporte escalar sobre lechos planos y ondulados sujetos a la fuerza oscilante de las olas. Los campos de concentración y velocidad se resolvieron simultáneamente utilizando dispositivos ópticos y una bandeja oscilante, que puede simular las condiciones del campo. Se analizaron los efectos combinados de la fuerza hidrodinámica inestable, las fuentes de masa que varían espacialmente y la turbulencia inducida por la forma del lecho. Se configuraron varios casos de estudio, variando la morfología y la permeabilidad del lecho, así como la ubicación de la fuente a través de la ondulación. Los campos de concentración instantánea mostraron una alta persistencia de las manchas de colorante para el caso del lecho plano y una mezcla significativa en los casos del lecho ondulado promovida por la forma del lecho. El análisis promediado por fases del lecho ondulado mostró que la columna de colorante está altamente dominada por el vórtice periódico formado por la ondulación; la dispersión del colorante se favorece al ubicar la fuente en el flanco de la ondulación, siendo hasta seis veces mayor que en el caso del valle y más del doble de la dispersión en el caso de la cresta. Se observaron magnitudes de flujo similares para los casos de cresta y flanco, disminuyendo aproximadamente cinco veces para una fuente de valle, probablemente debido a la mayor penetración del colorante en los valles. La turbulencia en el caso de lecho plano dominó el flujo vertical y la difusión, mientras que las estructuras coherentes más grandes también influyeron en estas cantidades en lechos ondulados. Para condiciones hidrodinámicas similares, la morfología ondulada promovió un aumento de diez veces en la difusión vertical, que presenta una variación espacial significativa en lechos ondulados mientras que es casi constante sobre un lecho plano.
Este estudio representa un esfuerzo experimental sin precedentes para resolver el transporte escalar sobre lechos planos y ondulados sujetos a la fuerza oscilante de las olas. Los campos de concentración y velocidad se resolvieron simultáneamente utilizando dispositivos ópticos y una bandeja oscilante, que puede simular las condiciones del campo. Se analizaron los efectos combinados de la fuerza hidrodinámica inestable, las fuentes de masa que varían espacialmente y la turbulencia inducida por la forma del lecho. Se configuraron varios casos de estudio, variando la morfología y la permeabilidad del lecho, así como la ubicación de la fuente a través de la ondulación. Los campos de concentración instantánea mostraron una alta persistencia de las manchas de colorante para el caso del lecho plano y una mezcla significativa en los casos del lecho ondulado promovida por la forma del lecho. El análisis promediado por fases del lecho ondulado mostró que la columna de colorante está altamente dominada por el vórtice periódico formado por la ondulación; la dispersión del colorante se favorece al ubicar la fuente en el flanco de la ondulación, siendo hasta seis veces mayor que en el caso del valle y más del doble de la dispersión en el caso de la cresta. Se observaron magnitudes de flujo similares para los casos de cresta y flanco, disminuyendo aproximadamente cinco veces para una fuente de valle, probablemente debido a la mayor penetración del colorante en los valles. La turbulencia en el caso de lecho plano dominó el flujo vertical y la difusión, mientras que las estructuras coherentes más grandes también influyeron en estas cantidades en lechos ondulados. Para condiciones hidrodinámicas similares, la morfología ondulada promovió un aumento de diez veces en la difusión vertical, que presenta una variación espacial significativa en lechos ondulados mientras que es casi constante sobre un lecho plano.
Description
Date
2024-12-14