Numerical prediction of aeolian erosion on tandem sand piles using LES turbulence models

Abstract

São expostos resultados de simulações CFD acerca do desencadeamento de fenómenos de migração de partículas de uma superfície por ação do vento, a chamada erosão eólica, e identificados os correspondentes locais de iniciação, a partir de um par de dunas (ou pilhas de areia) transversais, numa configuração em tandem não intervalada, de perfil inicialmente sinusoidal e colocadas perpendicularmente em relação ao escoamento de ar não perturbado.As medições experimentais em túnel de vento (Ferreira and Fino, 2012) demonstram que, ao contrário das expectativas, a pilha a montante mantem-se praticamente inalterada, enquanto que a pilha a jusante é consideravelmente e sucessivamente erodida. Ainda, como a tensão de atrito parietal (WSS) governa a ocorrência de erosão eólica, a respetiva distribuição longitudinal foi avaliada experimentalmente no trabalho de Ferreira et al. (2013), também para servir de referência para os resultados numéricos análogos.Em suma, a iniciação do destacamento eólico de uma partícula a partir de uma superfície sólida ocorre quando a velocidade de atrito (u*) supera o limiar de velocidade de atrito local (u*t). Howard (1977) sugere uma expressão para u*t válida para superfícies arbitrariamente orientadas. Uma adaptação dessa fórmula é proposta de modo a conformar com a reversão do sentido do escoamento na imediação das paredes, sentida na região entre as dunas e induzida pela larga zona de recirculação formada. Essa curva é designada no presente documento como “limiar de velocidade de atrito aparente” (u*at).Por meio de uma simulação do tipo LES (Large Eddy Simulation), o fenómeno de rajada é detetado, que consiste fundamentalmente em flutuações localizadas e intermitentes de u*. Os resultados dessa simulação genericamente concordam com as observações e medições experimentais de Ferreira and Fino (2012) e de Ferreira et al. (2013). Por outro lado, os resultados da simulação RANS (Reynolds-averaged Navier-Stokes) mostram inaptidão para prever a manifestação de erosão eólica tal como observado em túnel de vento, embora a distribuição média de WSS se ajuste bem com os pontos experimentais.

Some CFD simulation results are presented on the triggering of wind-driven particle migration phenomena from a surface, so-called aeolian erosion, and the correspondent onset locations, from a pair of transverse sand piles in closely spaced tandem arrangement, of original sinusoidal outline and orthogonally placed in relation to the undisturbed incoming airflow.Wind-tunnel experimental measurements (Ferreira and Fino, 2012), revealed that, contrary to expectations, the upstream pile remained virtually unchanged, while the downstream pile was considerably eroded over time. As the wall shear stress (WSS) is of prime importance when describing the wind erosion phenomena, its longitudinal distribution is experimentally probed in Ferreira et al. (2013), also for benchmarking numerical results. In short, the onset of aeolian particle removal and transport from a solid surface occurs when the local threshold friction velocity (u*t) is exceeded. Howard (1977) suggests an u*t expression for arbitrarily oriented surfaces. An adaptation of such formula is proposed to comply with the near-surface flow reversion induced by the sizable recirculation bubble formed in the interdune region, termed here “apparent friction velocity threshold” (u*at). By means of a LES (Large Eddy Simulation) approach, bursts of activity are detected, i.e. localized and intermittent fluctuations of the u*. The results of the LES are in agreement with the experimental observations and measurements of Ferreira and Fino (2012) and Ferreira et al. (2013). On the other hand, the RANS (Reynolds-averaged Navier-Stokes) numerical results evidence an inadequacy to forecast the manifestation of wind erosion as observed in the wind-tunnel experiments, although reliably predicting the time-averaged WSS distribution.