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Deutsche Hydrografische Zeitschrift

, Volume 42, Issue 3–6, pp 249–270 | Cite as

Lagrangian modelling of dispersion, sedimentation and resuspension processes in marine environments

  • Lars Gidhagen
  • Lars Rahm
  • Leif Nyberg
Abhandlungen

Summary

A Lagrangian dispersion model for physical particles has been developed. It includes both sedimentation and resuspension processes. It is based on a modified Langevin's equation which simulates the turbulent crossflow velocity fluctuations in shear flows. The velocity and turbulence fields used are generated by a 2-dimensional hydrodynamical model including ak−ε turbulence scheme. Since the dispersion model is formulated for only low particle concentrations, it is decoupled from the hydrodynamical model calculations.

A great drawback in conventional dispersion modelling is the more or less unavoidable numerical diffusion. The use of a Lagrangian particle model will avoid this effect and the resulting too low concentrations for a given release. One consequence is a more realistic distribution of deposited particles. However, with regard to the overall deposition rates the simulated sedimentation process agrees well with well-established advection/diffusion model formulations. With a modified hydrodynamic model, the dispersion model can directly be applied to stratified 3D simulations.

Keywords

Dispersion Model Crossflow Velocity Turbulence Scheme Simulated Sedimentation Resuspension Process 
These keywords were added by machine and not by the authors. This process is experimental and the keywords may be updated as the learning algorithm improves.

Lagrangesches Modell für Ausbreitungs-, Sedimentations- und Resuspensions-prozesse in marine Umwelt

Zusammenfassung

Ein Lagrangesches Ausbreitungsmodell für Teilchen mit physikalischen Eigenschaften wurde entwickelt, das Sedimentations- und Resuspensionsprozesse berücksichtigt. Das Modell basiert auf einer modifizierten Langevin-Gleichung, die die laterale turbulente Geschwindigkeitsfluktuation in einer Scherströmung simuliert. Die benutzten Geschwindigkeits- und Turbulenzfelder werden mit einem zweidimensionalen hydrodynamischen Modell berechnet, das eink−ε Turbulenzschema enthält. Da das Ausbreitungsmodell nur für niedrige Teilchenkonzentrationen formuliert ist, wird es von den Berechnungen des hydrodynamischen Modells entkoppelt.

Ein großer Nachteil in herkömmlicher Ausbreitungsmodellierung ist die mehr oder weniger unvermeidbare numerische Diffusion. Die Benutzung eines Lagrangeschen Teilchenmodells vermeidet diesen Effekt und die daraus resultierenden zu niedrigen Konzentrationen bei einer vorgegebenen Freisetzung. Eine Folge ist eine erheblich realistischere Verteilung von abgelagerten Teilchen. Unter Berücksichtigung der Gesamtablagerungsraten liefern die simulierten Sedimentationsprozesse eine gute Übereinstimmung mit lange bestehenden Formulierungen der Advektions-und Diffusionsmodelle. Mit einem modifizierten hydrodynamischen Modell kann das Ausbreitungsmodell direkt für dreidimensionale Rechnungen im geschichteten Meer benutzt werden.

Modélisation Lagrangienne des processus de dispersion de sédimentation et de remise en suspension en milieu marin

Résumé

Un modèle Lagrangien de dispersion des particules physiques est développé. Il inclut à la fois les processus de sédimentation et de remise en suspersion. Il est basé sur une équation modifiée de Langevin qui simule des fluctuations des flux transversaux turbulents dans les écoulements cisaillés. Les champs de vitesse et de turbulence utilisés sont générés par un modèle hydrodynamique bidimensionnel comportant un schema turbulent enk−ε. Du fait que le modèle dispersif n'est conçu que pour des faibles concentrations de particules, il est découplé des calculs du modéle hydrodynamique.

Un inconvénient important dans la modélisation classique de la dispersion réside dans le problème plus ou moins inévitable de la diffusion numérique. L'emploi du modèle Lagrangien évitera cet effet et évitera d'obtenir de trop faibles concentrations pour un lâcher de particules donné. On obtient ainsi une distribution plus réaliste des particules déposées. Cependant au regard des taux globaux, le modèle de sédimentation est en bon accord avec les formules du modèle bien établi advection/diffusion. Avec un modèle hydrodynamique modifié, le modèle de dispersion peut être appliqué directement aux simulations 3 D.

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Copyright information

© Deutsches Hydrographisches Institut 1989

Authors and Affiliations

  • Lars Gidhagen
    • 1
  • Lars Rahm
    • 1
  • Leif Nyberg
    • 1
  1. 1.The Swedish Meteorological and Hydrological InstituteNorrköpingSchweden

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