Large eddy simulations of gravity currents over an erodible bed with suspended sediment transport

Gravity currents are essentially horizontal flows driven by a density difference with respect to the ambient fluid. Such flows, can trigger the transport of large amounts of sediment resulting in rapid deformations on the bed of rivers and reservoirs, and causing important environmental issues. Despite the importance of such phenomena, the main mechanisms that lead to sediment entrainment in such flows are still poorly understood. In this thesis a coupled hydro-morphodynamic model is presented in order to simulate sediment transport processes induced by the propagation of gravity currents over erodible-beds. The hydrodynamics of the flow is resolved using the LES-COAST model, that employs the large eddy simulation method, and the topological changes due to erosion and deposition are tracked by the level-set method. The coupling between the two models is achieved through the immersed boundary methodology. The resulting hydro-moprhodynamic tool works in parallel environment that makes the simulation of real systems possible. This model is applied to the simulation of the ripple migration problem in order to test its capabilities. The obtained results are compared with data provided by a similar numerical study and indicate that the model is able to capture correctly the hydrodynamics of the sediment-laden flow and the related topological changes. The sediment pick-up induced by gravity currents is initially simulated assuming stationary flow boundaries and the numerical results are validated by experimental data. The numerical setting considered in this case allows to identify the region of the flow with higher erosive capacity and determine the flow features which play a dominant role on the sediment entrainment. Moreover, the effect of the suspended sediment on the stability condition of the gravity current is examined, along with the influence of the latest on the suspended sediment distribution. Finally, the developed hydro-morphodynamic model is used to simulate the bed forms generated by such flows. It is worth-noting that the propagation of highly erosive gravity currents over loose beds can lead to considerable bed deformation that significantly influence the flow dynamics. For the first time, 3D numerical simulations of gravity currents flowing over a deformable beds are performed. The instantaneous evolution of the generated scour and deposition patterns is presented providing a better insight on the flow-sediment and flow-bed interaction in buoyancy driven flows.

Le correnti di gravità sono flussi prevalentemente orizzontali causati da variazioni di densità rispetto al fluido circostante. Tali flussi, possono scatenare il trasporto di notevoli volumi di sedimenti provocando così rapide deformazioni del letto dei corsi d’acqua, dei bacini causando importanti problemi di natura ambientale. Nonostante la rilevanza di tale fenomeno, non è ancora ben compreso il meccanismo che causa la ri-sospensione dei sedimenti. Un nuovo modello idro-morfodinamico viene presentato nel presente lavoro di Tesi al fine di simulare i processi di trasporto dei sedimenti indotti dalla propagazione delle correnti di gravità su fondo mobile. L’idrodinamica del flusso è risolta mediante il modello LES-COAST, che utilizza il metodo Large-eddy mentre i cambiamenti morfologici causati dall’erosione e dalla deposizione sono simulati mediante il modello level-set. L’accoppiamento dei due strumenti modellistici è realizzato attraverso la strategia dei confini immersi. Il modello numerico accoppiato è stato sviluppato in ambiente parallelo, condizione che consente di simulare problemi a scala reale. Il modello è stato applicato alla simulazione della migrazione delle forme di fondo al fine di valutarne le capacità. I risultati ottenuti sono stati confrontati con i dati esito di un analogo studio numerico ed è emersa la capacità del modello di catturare correttamente l’idrodinamica dei flussi acqua-sedimento e i connessi mutamenti morfologici del fondo. La sospensione dei sedimenti indotta dalle correnti di gravità è inizialmente simulata assumendo condizioni al contorno stazionarie e i risultati numerici sono validati con dati sperimentali. Le impostazioni numeriche adottate in questo caso permettono di indentificare la regione del flusso con maggiore capacità erosiva e determinare le condizioni del flusso che dominano la dinamica della sospensione dei sedimenti. Inoltre, è stato approfondito l’effetto dei sedimenti sospesi sulla condizione di stabilità della corrente di gravità nonché l’influenza di tale condizione sulla distribuzione dei sedimenti sospesi. Infine, il modello accoppiato idro-morfodinamico è utilizzato per simulare le forme di fondo generate da tale tipologia di correnti. È importante notare che la propagazione di correnti di gravità con elevato potere erosivo su fondi mobili può causare notevoli deformazioni del letto che possono avere un effetto non trascurabile sulla dinamica del flusso. Per la prima volta sono state realizzate delle simulazioni numeriche 3D delle correnti di gravità che interessano letti deformabili. L’evoluzione istantanea dei pattern di erosione e deposizione sono quindi presentati, contribuendo così a una conoscenza più dettagliata dell’interazione flusso- sedimenti e flusso-fondo in correnti di gravità.