Two-phase modeling of suspended sediment distribution in open channel flows

Abstract

The transport of suspended sediment in open channel flows is of key interest to the area of fluvial hydraulics. Traditionally, the phenomenon is analyzed as a one-phase composite system for simplification. In reality, two separate phases of liquid and solid are present. In this study, the two-phase approach of particle group model is adopted to quantify the behavior of suspended sediment transport in open channel flows. The analysis reveals a drift current due to the gradient of turbulence fluctuation, in additional to the Fickian-type dispersion due to the concentration gradient. In the vertical direction, the resulting equation from the analysis is similar to the classical convection-diffusion equation such as the Rouse model. However, the incoiporation of the additional dispersion terms predicts more accurately the sediment concentration distribution along the water depth. In the horizontal direction, the analysis shows that the mean fluid velocity is always larger than that of the sediments. The interaction between the sediment and fluid and the effects of sediment inertia are also addressed. Experiment data from the literature are used to verify the results.

Résumé

Le transport de sédiments en suspension dans les écoulements en canal à surface libre est d’un intérêt majeur dans le domaine de l’hydraulique fluviale. Traditionnellement, le phénomène est analysé, pour simplifier, comme un système composite monophasique. En réalité, deux phases séparées liquide et solide sont présentes. Dans cette étude, l’approche diphasique du modèle de Groupe de particules est adoptée pour évaluer le comportement du transport des sédiments en suspension dans un canal à surface libre. L’analyse indique un courant de dérive, dû au gradient de la fluctuation de turbulence, qui s’ajoute à la dispersion Fickienne due au gradient de concentration. Dans la direction verticale, l’équation résultant de l’analyse est semblable à l’équation classique de convection-diffusion du modèle de Rouse. Cependant, la prise en compte des termes additionnels de dispersion donne une distribution plus exacte de la concentration le long de la profondeur de l’eau. Dans la direction horizontale, l’analyse montre que la vitesse moyenne du fluide est toujours supérieure à celle des sédiments. L’interaction entre le sédiment et le fluide et les effets de l’inertie du sédiment sont également abordés. On utilise des données expérimentales et de la littérature pour vérifier les résultats.

Keywords:

• Two-phase analysis
• turbulence
• sediment transport
• open channel flow