Département de génie civil (Laboratoire d'hydraulique environnementale LHE)

Experimental study of suspension flow in open channels

Cellino, Massimo ; Graf, Walter Hans (Dir.)

Thèse Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 1998 ; no 1824.

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    Summary
    The study of the sediment transport in open-channel as well as in river flow is of great importance for fluvial hydraulics. While the transport of sedimentary particles at the bed, as the bed-load, has been the subject of much research, less attention has been paid to the transport of sediments in suspension. This thesis is a contribution to our knowledge of the transport of sediments in suspension. The most important theory on the vertical distribution of the mean sediment concentration in suspension flows is the diffusion-convection theory, given by the Rouse equation. This equation is rather simple and contains few parameters. About one of these parameters, the β-value, there is little known, despite its importance and physical meaning. One of the main aims of this thesis is to experimentally measure the β-values for different suspension flow configurations. The major objective was to investigate suspension flows over moveable beds without bed forms and this in capacity condition. Since flows are at times not in capacity, i.e. the flows are not saturated with sediments, an additional study (see Appendix C) was also performed. Furthermore, two special runs were done (see Appendix D), where the bed was covered with artificial bed forms. In order to evaluate the β-values, the vertical profiles of the mean velocity and its fluctuations as well as the mean concentration and its fluctuations had to be measured. This could only be done by using the new ultrasonic instrument (Acoustic Particle Flux Profiler, APFP), developed and assembled at the Laboratoire de Recherches Hydrauliques (LRH). Suspension flows were investigated focusing on the possible modification of the clear-water turbulence by suspended sediments. The concentration was carefully measured and interpreted by the Rouse equation. In particular, the ratio of the sediment, εs(y) , and momentum, εm(y) , diffusion coefficients, being the β(y) -value, was for the first time, directly measured. The strongest effect of particles on the flow was noticed on the vertical component of the turbulence intensity, , which was considerably suppressed, when compared to clear-water flow. The longitudinal velocity, u(y) , its turbulence intensity component, , and the Reynolds stress, – ρu'v' , were only slightly affected. By using the APFP instrument, the instantaneous sediment concentrations, cs, were, for the first time, directly measured. The calibration of the APFP instrument was achieved by measuring the mean concentration profiles, cs, with the suction method. The largest measured fluctuating concentrations, , and sediment flux, profiles were observed close to the bed, where the mean concentration is also very large. The sediment, εs, and the momentum, εm, diffusion coefficients, which represent the "ability" of sediment and fluid particles to be diffused in the flow by turbulence, were computed from the APFP measurements. For suspension flows over plane-bed, the sediment diffusion-coefficient profiles are always smaller than the momentum ones, εs < εm. This indicates that sediment particles undergo less diffusion than fluid particles; consequently the β-values are less than unity, β < 1. Thus, the usual assumption of εs = εm, that leads to β = 1, is not justified for the present measurements. The Rouse equation gives a better agreement to the concentration distributions measured with the suction method, by using the experimental obtained β-values, , rather than by using β = 1. For practical use, the experimental values and the ones obtained by a best-fit (least-squares method) of the Rouse equation to some concentration distributions taken from the literature are summarized in a plot. It seems that the β-values increase with either scaling parameters, vss/u*, and (vss/u*) · (Cs/csa). The effects of suspended particles on the clear-water turbulence were also investigated in non-capacity suspension flows having increasing concentrations. The measurements show that, the suppression (damping) of the vertical component of the turbulence intensity – caused by suspended particles – increases with the depth-averaged concentration. The tendency of the - values to decrease approaching the capacity condition, i.e. increasing the concentration, was also found. Suspension flows over bed forms were also investigated; in this study special attention was paid to the evolution of the flow structure behind the bed-form crest as well as the effect of bed forms on the β-values. The bed-form crest seems to generate a high-turbulence region with consequent peaks in both the longitudinal and vertical turbulence-intensity profiles as well as in the Reynolds-stress profiles. This high-turbulence region enhances the sediment diffusion coefficient but suppresses the momentum one. As a consequence, we found that for suspension flows over beds with bed forms, εs > εm, leading to β > 1. The most important result of this thesis is a recommendation that the Rouse equation with an improved β-value – itself to be estimated from the experimental plots obtained in this study – can be used to establish the dimensionless concentration profile of suspension flows. For beds without bed forms the β-values are β < l, while for beds with bed forms the β-values are β > 1. The correlation between the velocity fluctuations, associated with coherent structures (burst cycle), and the concentration was also investigated. From this study it becomes evident that the ejection event, being the most important phase of a burst cycle, is responsible of the erosion of sediment on the bed, behaving as an "injector" of sediments into the main flow.
    Résumé
    L'étude du transport de sédiments dans les écoulements à surface libre et dans les rivières est primordiale pour l'hydraulique fluviale. Si le transport de sédiments au fond a largement été étudié, l'étude du transport de sédiments en suspension a suscité moins d'attention. Cette thèse a pour but d'améliorer les connaissances du transport de sédiments en suspension. La théorie de convection-diffusion est la plus importante sur la distribution verticale de la concentration moyenne de sédiments en suspension. Grâce à cette théorie l'équation de Rouse, largement utilisée en pratique, avait été obtenue. Cette équation est facile à utiliser tout en contenant peu de paramètres. Parmi ces derniers, le paramètre β est peu connu malgré son importance. Un des buts de ce travail consiste à mesurer expérimentalement la valeur de β ( β représente sa valeur moyennée sur la profondeur) pour différent types d'écoulement. L'objectif majeur était d'étudier les écoulements en suspension sur fond mobile sans formes de fond et en condition de capacité (saturation). Dans la mesure où les écoulements peuvent également exister en condition de non capacité, i.e. l'écoulement n'est pas saturé par les sédiments, une étude supplémentaire (Appendix C) a été prévue. De plus, d'autres expériences ont été effectuées (Appendix D) dans lesquelles le fond du canal était couvert de formes artificielles. Pour l'évaluation des valeurs de β, les profils verticaux de vitesse et ses fluctuations ainsi que la concentration et ses fluctuations doivent être mesurés. La vitesse bidimensionnelle instantanée, u(y,t) et v(y,t), et la concentration instantanée, cs(y,t), ont été mesurées à l'aide d'un nouvel instrument, 1'APFP (Acoustic Particle Flux Profiler), développé et construit au Laboratoire de Recherches Hydrauliques (LRH). La concentration a été mesurée soigneusement et a été interprétée à l'aide de l'équation de Rouse. En particulier, le rapport du coefficient de diffusion de sédiments, εs, et de quantité de mouvement, εm, qui définit la valeur de β, a été mesuré pour la première fois. Une attention particulière a également été consacrée à la modification de la turbulence en eau claire produite par les particules suspendues. Les écoulements en suspension montrent une forte diminution de la composante verticale de l'intensité de turbulence, , par rapport aux écoulements en eau claire. La vitesse longitudinale u(y) , la composante longitudinale de l'intensité de turbulence, , et la tension de Reynolds, -ρu'v', sont peu affectées. Le calibrage de I'APFP a été effectué en mesurant les profils de concentration moyenne, cs, avec la méthode de succion. La concentration fluctuante, , et les flux de sédiments, , maximaux, ont été observés au voisinage du fond où la concentration est également maximale. Les coefficients de diffusion de sédiments, εs, et de quantité de mouvement, εm, qui représentent les taux de diffusion des particules solides et fluides dus à la turbulence, ont été calculés à partir des mesures faites avec l'APFP. Pour les écoulements sur fond plat le coefficient de diffusion des particules est toujours inférieur à celui de quantité de mouvement, εs < εm. Cela signifie que les particules solides sont moins diffusées que les particules "fluides", donc β est inférieur à l'unité, i.e. β < 1. Par conséquent, l'hypothèse classique εs = εm, qui mène à β = 1, n'est pas justifiée par nos mesures. L'équation de Rouse comparée avec les profils de concentration mesurés par succion donne de meilleurs résultats si on utilise les valeurs expérimentales moyennées sur la profondeur, , plutôt que β = 1. Pour une utilisation pratique, les valeurs expérimentales de , et celles obtenues avec la méthode des moindre carrés appliquée à quelques distributions de concentration reportées dans la littérature, ont été résumées dans un graphique. Les valeurs de β sont proportionnelles aux paramètres vss/u*, et (vss/u*) · (Cs/csa). Les effets des particules sur la turbulence en eau claire ont également été examinés dans le cas des écoulements en suspension en condition de non-capacité pour des concentrations croissantes. Les résultats montrent que la diminution de l'intensité de turbulence, provoquée par les particules, augmente avec la concentration moyenne. De plus, les valeurs de , diminuent en se rapprochant de la condition de capacité, c'est à dire en augmentant la concentration. Dans cette thèse on a également étudié les écoulements en suspension sur des formes de fond. En particulier, nous avons examiné l'évolution de la structure turbulente derrière la crête d'une de ces formes de fond. L'effet des formes de fond sur les valeurs de β a également été déterminé. Les résultats montrent que la crête des formes génère une région de haute turbulence qui se traduit par des pics observés dans les composantes longitudinales et verticales de l'intensité de turbulence ainsi que dans les profils de tension de Reynolds. Cette région accroît également le coefficient de diffusion des sédiments et, au même temps, diminue le coefficient de diffusion de quantité de mouvement. Par conséquent, pour les écoulements en suspension sur des formes de fonds, on obtient: εs > εm, ce qui implique, β > 1. Le résultat majeur de cette thèse est représenté par la détermination des valeurs correctes de β, qui peuvent être obtenues aisément à l'aide de graphiques expérimentaux, pour l'établissement des profils de concentration moyenne. Pour des écoulements sur fond plat les valeurs de β sont petites, β < 1, mais pour des écoulements sur des formes de fond on obtient β > 1. Dans ce travail on a aussi étudié les corrélations existantes entre les fluctuations des vitesses reliées aux structures cohérentes (comme les bursts) et la concentration. On observe que la phase la plus importante d'un cycle de burst, appelée éjection, est responsable de l'érosion des sédiments au fond du canal. Cette phase représente une sorte d'injecteur de sédiments dans l'écoulement.