Erosion mechanisms in marine sediments

Abstract

Erosion of intertidal sediments may be influenced by several factors. In this study, the influence on sediment erosion of some physical mechanisms such as the sediment bed roughness, suspended particles and surface waves was investigated. Because of the complexity of the phenomena involved, careful experiments have been planed in order to make each mechanism dominant and to assess its contribution. Experiments were carried out in laboratory in a circular mini flume, 131 mm in diameter using the laser Doppler anemometry (LDA) technique. Simultaneous measurements of the tangential and axial velocity components and the Reynolds stresses were obtained by the use of two colours (blue and green) of a 6 W Argon ion laser operating on a backscatter mode. The fluid is driven on a tangential flow at controllable speeds by a circular flat lid on the top of the flume, which is linked to the shaft of a rheometer. A comprehensive physical and chemical analysis of the sediment enabled the accurate definition of the laboratory test conditions. Tests were made in natural sediments collected in two estuaries and in artificial (simulated) beds at various Reynolds numbers. For artificial beds, both rigid and deformable (either fluid or grain) surfaces were investigated. For the fixed bed option, three different alternatives were considered: a smooth surface was set as a basis for subsequent comparisons with more complex structures; an exact reproduction of the sediment morphology on a gypsum mould; a sand roughness bed, using a range of glass beads. The deformable bed consisted of a two-fluid layer or by the use of a set of glass and polymer beads, to investigate the influence of entrained particles upon the turbulence. From this analysis, the surface topology proved to be a key factor in the flow field. Therefore, the use of solid replica of marine sediments appears to be an appropriate method to generate a simulated bed. The influence of surface waves upon the flow patterns in the vicinity of the sediment surface, and its contribution to the turbulence, was investigated using special rings with a wavy shape, in which the wave amplitude and wavelength were controlled. The use of LDA in natural sediments enables the direct measurement of the shear stress at the sediment interface. By comparing the changes on the fluid velocity profiles, the sediment critical shear stress was determined. The occurrence of bed deformation in erosion was identified by discontinuities of the shear stress. It was concluded that the suspended particles concentration is the most important factor affecting the fluid turbulence close to the interface. Results also showed that the bed deformation plays an important role in controlling the wall shear stress. The flow inside the mini flume was characterised experimental and numerically, using the CFX code. It was observed the existence of secondary flows near the outer wall, which affect erosion in such mini flumes. It was also found that the numerical models employed cannot predict exactly the flow in channels with strong curvature, as the mini flume, in which the turbulent flow is non isotropic.

A erosão de sedimentos costeiros pode ser influenciada por diversos factores. No presente estudo, será avaliada a influência na erosão de alguns mecanismos físicos tais como, a rugosidade da superfície, a presença de partículas suspensas no fundo e de ondas superficiais. Devido à complexidade dos fenómenos envolvidos, foi planeado um conjunto de experiências por forma a estudar individualmente cada um dos referidos mecanismos. O programa experimental foi executado em laboratório sobre um canal toroidal de 131 mm de diâmetro externo, usando anemometria por efeito Doppler (LDA). Os dois canais (azul e verde) de um laser de 6W de potência operando em rectrodifusão, permitiu a medição simultânea das componentes tangencial e axial da velocidade, bem assim com as tensões de Reynolds. O fluido é movimentado tangencialmente por um disco no topo do canal, sendo accionado a velocidade controlada por um reómetro. Uma detalhada análise física e química dos sedimentos possibilitou a definição das condições laboratoriais. Foram conduzidos testes em sedimentos naturais e em leitos simulados a vários números de Reynolds. Nestes foram testados leitos rígidos e deformáveis. Quanto aos primeiros, foram consideradas três opções: fundo liso, reprodução exacta da superfície do sedimento, fundo de areia. O leito deformado consistiu num sistema de dois fluidos imiscíveis e no uso de partículas esféricas de vidro. Esta configuração permitiu ainda a avaliação da influência na turbulência de partículas arrastadas pelo fluido. Da análise dos resultados, concluiu-se que a reprodução da topografia de um sedimento parece ser uma metodologia apropriada para a simulação, em laboratório, de um sedimento. A influência das ondas superficiais no escoamento foi avaliada pela aplicação de anéis no disco de accionamento do escoamento. O uso do LDA em sedimentos naturais permitiu a medição directa da tensão de corte na interface. Comparando as alterações no perfil de velocidades, determinou-se a tensão crítica de corte do sedimento. A ocorrência de deformação do leito foi identificada pela presença de descontinuidades no valor da tensão de corte. Dos resultados, concluiu-se que a concentração de partículas suspensas no escoamento é o principal factor que afecta a turbulência junto da interface. Os resultados mostraram ainda que a deformação do leito desempenha um papel importante na tensão de corte na parede. O escoamento no interior do canal foi caracterizado experimental e numericamente, usando o código CFX. Observou-se a ocorrência de escoamentos secundários junto à parede exterior, o que afecta a erosão em canais com esta configuração. Concluiu-se que os modelos de turbulência demonstram alguma dificuldade em prever o escoamento em canais de forte curvatura nos quais o escoamento é extremamente anisotrópico.