Combined visual and quantitative techniques in the study of natural turbulent flows

Roy, Alain; Biron, Pascale M.; Buffin‐Bélanger, Thomas; Levasseur, Mylène

doi:10.1029/1998wr900079

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“…La figure 8 montre quatre images tirées de la séquence vidéo de ROY ef al. Images from the flow visualisation of the recirculating flow région downstream from a pebble cluster in a gravel-bed river using a milky white tracer injected in the lee of the obstacle (ROY et al, 1999).…”

Section: Visualisation Et Mesures De Vitessementioning

confidence: 99%

“…Cette basse pression entraîne alors l'éjection dans l'écoulement ambiant d'une portion de fluide provenant de la zone de recirculation. ROY et al (1999) Dans cet article, nous présentons les résultats de deux analyses portant sur les interactions entre les structures à grande échelle et les structures d'échap-pement à l'aval d'un amas de galets. Nous nous concentrerons ainsi sur la mécanique des échanges plutôt que sur une caractérisation quantitative des événements turbulents.…”

Section: -Introductionunclassified

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Interactions entre les structures d'échappement et les structures à grande échelle dans l'écoulement turbulent des rivières à lit de graviers

Buffin‐Bélanger¹,

Roy²,

Levasseur³

2005

rseau

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Dans les rivières graveleuses, il est établi que les structures d'échappement formées dans la zone de recirculation à l'aval d'amas de galets génèrent d'intenses échanges turbulents. Le mécanisme responsable de l'échappement demeure par contre mal connu. Peu d'études sur la dynamique des structures d'échappement ont été réalisées dans des écoulements où le nombre de Reynolds est élevé comme c'est le cas en rivières. De plus, les connaissances actuelles ne tiennent pas compte des découvertes récentes sur la turbulence en rivière à lit de graviers où on a observé des structures de forte et de faible vitesse occupant toute la profondeur de l'écoulement et pouvant durer plusieurs secondes. Ces structures à grande échelle devraient jouer un rôle sur le mécanisme d'échappement étant donné l'influence de la vitesse ambiante sur la dynamique de la zone de recirculation. Nous rapportons les résultats de deux expériences originales sur les liens dynamiques entre les structures à grande échelle et le mécanisme d'échappement en aval d'un amas de galets. La première expérience repose sur l'analyse de corrélations croisées entre des séries de vitesses obtenues au sommet et à l'aval proximal d'un amas de galets. Les résultats montrent que les fortes fluctuations dans le sens de l'écoulement au sommet de l'obstacle sont liées, quelques instants plus tard, à de fortes fluctuations vers l'amont dans la zone de recirculation. La seconde expérience utilise la visualisation des structures d'échappement et la mesure simultanée des vitesses de l'écoulement. L'analyse combinée des images vidéo et de séries de vitesse suggère une relation entre le passage des structures à grande échelle et les manifestations de l'échappement. Ces résultats nous permettent de présenter un modèle où, lors du passage d'un front de haute vitesse, une structure d'échappement se développe et prend de l'expansion vers le lit et vers la surface en se propageant vers l'aval alors que, lors du passage d'un front de faible vitesse, elle s'élève vers la surface de manière plus cohérente. Cette étude propose un nouveau mécanisme d'échappement et révèle le rôle que joue la structure de l'écoulement ambiant sur le développement de structures dans les cours d'eau à lit graveleux.The flow structure in a gravel-bed river is closely related to the presence of protruding clasts and of pebble clusters. It is well known that shedding motions from the lee side of large clasts and clusters are a recurrent process that explains the strong exchanges of momentum in river flows. However, shedding has yet to be fully characterised for high Reynolds number flows such as those found in gravel-bed rivers. Moreover, our current understanding of shedding mechanisms does not include the recent discovery that large-scale flow structures in the form of high- and low-speed wedges occupy the entire flow depth over a gravel-bed river. From two original experiments, this paper investigates the influence of these wedges on the nature of shedding in the lee of a pebble cluster. The interactions b...

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Section: Visualisation Et Mesures De Vitessementioning

confidence: 99%

Section: -Introductionunclassified

Interactions entre les structures d'échappement et les structures à grande échelle dans l'écoulement turbulent des rivières à lit de graviers

Buffin‐Bélanger¹,

Roy²,

Levasseur³

2005

rseau

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“…Researchers report that vortex shedding from vertical shear layers is a common feature in forced pools that may create scour (Lisle, 1986;Clifford, 1993;MacVicar and Roy, 2007a;Thompson, 2007). Turbulence plays an important role in pool scour because it creates instantaneous forces greater than time-averaged values (Nelson et al, 1993;McLean et al, 1994;De Serres et al, 1999;Roy et al, 1999). As a result, sediment particles in pools can be detached and entrained by turbulent bursts and fluctuations even when mean shear stress is less than the time-average critical shear stress for that material because the instantaneous differences of pressure on the upper and lower surfaces of large bed material generate transient uplift forces (Liu et al, 1998;Jia et al, 2001;Hassan and Woodsmith, 2004).…”

Section: Hydraulics and Turbulent Patterns In Forced Poolsmentioning

confidence: 99%

A flume experiment on the effect of constriction shape on the formation of forced pools

Thompson

McCarrick²

2010

Hydrol. Earth Syst. Sci.

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Abstract.A series of 18 flume runs were conducted in a 6-m long, 0.5-m wide recirculating flume with a bed gradient of 0.8% to determine the influence of obstruction shape on the formation and characteristics of forced pools. Six differentshaped obstructions were added to the flume with the maximum width of the obstruction held constant at 20 cm, which equaled a 40% constriction of flow. The obstruction shapes used included a square, a rectangle, a right triangle with the hypotenuse-facing upstream, a right triangle with the hypotenuse-facing downstream, a combination of a square and triangle with the hypotenuse-facing upstream, and a rectangle and semi-circle shape. Three flume runs were conducted with each obstruction shape. A profile of the flume bed was taken after each experiment and a grid measurement of bed elevations for the last run were conducted to create topographic maps of the flume bed to compare pool-riffle morphologies. ANOVA results indicate pool depth, pool location, and the distance between the pool center and the riffle crest all vary with the obstruction shape. Obstructions with a more blunt upstream face created deeper pools, more total scour and longer pool-riffle sequence lengths than pools formed by obstructions with a more gradual narrowing of flow. The increased volume of scour associated with obstructions that rapidly narrow flow also creates larger volume riffles that cover a greater extent of the channel bed.

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“…Ensuite, les instruments de mesure et d'observation utilisés dans les écoulements ne permettent pas de caractériser les structures de façon aussi fine en milieux naturels qu'en laboratoire. Jusqu'à tout récemment, par exemple, on avait réa-lisé peu de visualisation détaillée de l'écoulement en rivière (Roy et al, 1999). La diversité des surfaces d'écoulement en milieu naturel rend également difficile l'application de modè-les développés en laboratoire.…”

Section: Contexteunclassified

“…Lors de ces campagnes, nous avons progressé dans notre compréhension de la dynamique des structures turbulentes en adaptant des techniques générale-ment réservées au laboratoire à des études en milieu naturel. Ainsi, nous avons (1) mesuré les vitesses de l'écou-lement à l'aide de courantomètres électromagnétiques à haute résolution spatiale et temporelle (Robert et al, 1996 ;Roy et al, 1996 ;Buffin-Bélanger et Roy, 1998), (2) utilisé en simultané plusieurs courantomètres électromagnétiques (Kirkbride et Ferguson, 1995 ;Ferguson et al, 1996 ;Buffin-Bélanger et al, 2000) et (3) mis en oeuvre une technique de visualisation de l'écoulement en simultané à la prise de mesure de vitesses (Roy et al, 1999). Les résultats de ces campagnes ont mis en évidence de nouveaux éléments concernant l'organisation des écoulements dans les cours d'eau à lit de graviers.…”

Section: Contexteunclassified

Vers l’intégration des structures turbulentes de l’écoulement dans la dynamique d’un cours d’eau à lit de graviers

Buffin‐Bélanger¹,

Roy²

2002

gpq

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Understanding the dynamics of a river involves knowledge on the interactions between flow, sediment transport and bedform development at a range of scales. This requires the characterisation of flow structures and of the flow organisation at the reach scale. Three types of flow structures have been commonly described in flows over gravel-bed rivers: the bursting motions in the near-bed region (ejections), the shedding motions from the larger protruding particles and the large-scale flow structures which develop in the outer region of the flow. We describe the processes that give birth to these flow structures along with the possible interactions between them. As an example, the passage of large-scale flow structures changes the dynamics of the separation of flow in the wake of an obstacle, thus affecting the manifestation of shedding motions. These processes and interactions are then combined into an illustration of the complex organisation of flow at the scale of a river reach. Although speculative, this illustration highlights that (1) the scales and locations in space of the structures are closely related to the scale and distribution of the roughness elements, (2) the flow is organized into clear zones of production and dissipation of flow structures, and (3) the organization of the flow presents a strong structural anisotropy with complex interactions between the flow structures. This essay outlines that the interactions between flow structures are as important as the presence of the structures themselves in the description of turbulent flows over gravelbed rivers.La compréhension de la dynamique des cours d'eau nécessite la connaissance des interactions qui lient l'écoulement, le transport des sédiments et le développement des formes sur le lit. Ceci implique la caractérisation des structures individuelles présentes dans l'écoulement mais aussi une prise en compte de leur organisation spatiotemporelle dans la section du cours d'eau. Trois structures turbulentes sont fréquemment utilisées pour décrire les écoulements sur lit de graviers : les structures d'éjection au lit, les structures d'échappement à l'aval d'obstacles protubérants et les structures à grande échelle se développant sur toute la tranche de l'écoulement. Il est possible de décrire les mécanismes de formation de ces structures de même que d'envisager leurs interactions dans un écoulement turbulent. Par exemple, les structures à grande échelle changent la dynamique des zones de recirculation à l'aval d'obstacle, ce qui donne naissance à différentes manifestations des structures d'échappement. Il est cependant plus difficile de regrouper ces structures à l'échelle d'une section de rivière. À partir des mécanismes de formation des structures et de leurs interactions, nous illustrons la complexité de l'organisation d'un écoulement à l'échelle d'une section de rivière. Bien que spéculative, cette illustration fait ressortir (1) l'étroite relation entre les échelles de rugosité du lit et les échelles des structures qui organisent l'écoulement ; (2) ...

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Combined visual and quantitative techniques in the study of natural turbulent flows

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Interactions entre les structures d'échappement et les structures à grande échelle dans l'écoulement turbulent des rivières à lit de graviers

Interactions entre les structures d'échappement et les structures à grande échelle dans l'écoulement turbulent des rivières à lit de graviers

A flume experiment on the effect of constriction shape on the formation of forced pools

Vers l’intégration des structures turbulentes de l’écoulement dans la dynamique d’un cours d’eau à lit de graviers

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