Modeling instantaneous discharge of unsorted particle cloud in ambient water by an Eulerian—Lagrangian method

Abstract

The mixing characteristics of waste particles (e.g. dredged sediments) of variable size discharged into ambient water is studied numerically by an Eulerian–Lagrangian method. A three-dimensional (3D) numerical model using the modified k–ϵ parameterization of turbulence for the fluid phase (water) and a Lagrangian method for the solid phase (particles) has been developed. In the model the wake turbulence induced by particles has been included as additional source and sink terms in the k–ϵ model; and the variable drift velocities of the particles are treated efficiently by the Lagrangian method in which the particles are tracked explicitly and the diffusion process is approximated by a random walk model. The hydrodynamic behavior of dumping a cloud of particles is governed by the total buoyancy of the cloud, and the drag force on each particle. The computed results show a roughly linear relationship between the displacement of the frontal position and the longitudinal width of the particle cloud. Radial vortices appear before the particles reach the bottom. The particle size distribution in the cloud affects the rate of increase of the cloud size, as well as the rate of change of frontal position. The largest particles in the cloud dominate the flow behavior. The computed results are compared with the results of laboratory experiments and satisfactory agreement is obtained.

Résumé

Les caractéristiques de mélange des particules de déchets (e.g. des sédiments dragués) de tailles variables rejetées dans l’eau ambiante sont étudiées numériquement par une méthode Eulerienne-Lagrangienne. (3D). Un modèle numérique tridimensionnel utilisant les paramètres k-e modifiés de la turbulence pour la phase liquide (l’eau) et une méthode lagrangienne pour la phase solide (particules) a été développé. Dans le modèle la turbulence de sillage induite par les particules a été incluse en tant que termes source et puits additionnels dans le modèle k- e; et les vitesses de dérive variables des particules sont traitées efficacement par la méthode lagrangienne dans laquelle les particules sont suivies explicitement, et la diffusion est approchée par un modèle de marche aléatoire. Le comportement hydrodynamique de décharge d’un nuage de particules est régi par la flottabilité totale du nuage, et la traînée de chaque particule. Les résultats calculés montrent une relation grossièrement linéaire entre le déplacement de la position frontale et la largeur longitudinale du nuage de particules. Des vortex radiaux apparaissent avant que les particules atteignent le fond. La distribution de la taille des particules dans le nuage affecte le taux d’augmentation de la taille du nuage, aussi bien que la vitesse frontale. Les plus grosses particules dans le nuage déterminent le comportement de l’écoulement. Les résultats de calcul sont comparés aux résultats des expériences de laboratoire avec un accord satisfaisant.

Keywords:

• Sediment discharge
• 3D numerical model
• hydrodynamic behavior