Spatial scales in alluvial channels: on 2d coherent turbulent structures and alternate bars formation

Abstract

It is important to understand the different scales that govern a problem in order to properly describe it with a physical or a numerical model. The scaling argument should not be underestimated. Once the scales are known, the engineer or scientist may restrict the analysis to few essential scales, avoiding the challenging problem of constructing a model that can be used in all scales. In a large lowland river coexist a huge variety of spacial scales describing different process. Ranging from a flood wave of many kilometer length - defined by a scale based in an hydrological event-, to the turbulence energy dissipation that appears due to the flow-bed interaction – scaled within the sediment size. In between, there are many others processes such as meanders and island formation defined by large bi-dimensional (2D) spatial scales. Also, depending on the sediment size and the flow parameters, the flow-bed interaction with non-cohesive material give rise to an extraordinary variety of forms. In many cases all the sediment transport scales appear at once. The shallow water equations (SWE) are known to capture quite accurately the relevant features –in an average sense– of open channel flows. This thesis is a compilation of laboratory experiments done to describe two different processes that can be solve with the shallow water approximation. i) The spectral segregation that occurs when a large quasi two-dimensional turbulent flow approach a relief bridge and ii) the formation and evolution of large free bars that appears in a regime flume under different bank roughness and flow conditions.

Cuando un flujo debe ser modelado física o numéricamente es importante entender cuales son las escalas que caracterizan el problema. En un gran río de llanura coexisten una extensa variedad de escalas espaciales que tipifican diferentes procesos; desde una onda de crecida –de cientos de kilómetros de extensión, definida por una escala basada en un evento hidrológico – hasta la disipación de energía turbulenta que tiene lugar en escalas del orden del tamaño del sedimento que forma parte del lecho. En el medio, hay multitud de procesos, como la generación de meandros o la formación de islas, que definen grandes escalas espaciales bidimensionales (2D). A su vez, la interacción entre un flujo turbulento a superficie libre y su lecho erosionable produce una gran variedad de formas de fondo diferentes en función de la escala que las tipifica. Es común encontrar situaciones prácticas donde todas las escalas del proceso de transporte actúan simultáneamente. En algunas de estas situaciones es necesario usar las ecuaciones de aguas poco profundas (SWE) para capturar las características más importantes del problema. Este trabajo de tesis es la compilación de experiencias de ensayos realizados en dos instalaciones experimentales, en las cuales se estudiaron dos fenómenos diferentes que pueden ser abordados a través de la aproximación de SWE: i) Primero se analiza el problema de la separación de escalas que tiene lugar en un flujo turbulento poco profundo y de gran desarrollo horizontal, ii) y luego se estudia la formación de barras alternadas en un canal de régimen, para diferentes condiciones hidráulicas y rugosidad de márgenes