Vertical distribution of Skewness and asymmetry in a boundary layer on a mobile bed. Experiment and k-ω model comparison

Distribution verticales d'asymétrie et de skewness dans une couche limite sur fond mobile. Une comparaison expériences - modèle k-ω

¹ Departamento de Ingeniería Hidráulica y Ambiental, Pontificia Universidad Católica de Chile, Vicuña Mackenna 4860, casilla 306, correo 221, Santiago de Chile, Chile.
e-mail: lsuarez2@uc.cl racienfu@ing.puc.cl
² Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels (UJF, GINP, CNRS), BP53, 38041 Grenoble Cedex 9, France.
e-mail: eric.barthelemy@legi.grenoble-inp.fr; julien.chauchat@legi.grenoble-inp.fr; herve.michallet@legi.grenoble-inp.fr
³ IRSTEA, UR HHLY, équipe hydraulique des rivières, Centre de Lyon, 5 rue de la Doua, CS 70077, 69626 Villeurbanne Cedex.
e-mail: celine.berni@irstea.fr
⁴ CIGIDEN, Centro Nacional de Investigación para la Gestión Integrada de Desastres Naturales, Vicuña Mackenna 4860, casilla 306, correo 221, Santiago de Chile, Chile

Abstract

As the waves approach the coast, non-linearities become increasingly stronger. The interactions between the waves and loose bottoms then generate complex features within the turbulent boundary layer, which are difficult to measure and model. Experiments involving non-linear wave propagation over a mobile bed with detailed boundary layer velocity measurements and bottom elevations are presented. These data suggest a transformation in velocity time series as they are measured closer to the bed within the boundary layer with an increase in velocity skewness and a reduction in asymmetry. Additionally the vertical diffusion of momentum within the boundary layer is shown to be one order of magnitude larger than that over fixed beds. A k-ω model accounting for the measured bed level variations is used to mimic the flow in the boundary layer. In this work we present a strategy to combine bottom level variations with a k-ω model and show that it is possible to reproduce the observed experimental results. The bed vertical mobility is shown to be largely responsible for additional vertical diffusion of momentum within the boundary layer.

Résumé

Lorsque les vagues se rapprochent de la côte, leurs non linéarités augmentent. Les interactions entre les vagues et un fond mobile produisent des effets complexes sur la couche limite turbulente pariétale qui sont difficiles à mesurer et à modéliser. Des mesures réalisées dans un modèle physique de propagation de vagues non-linéaires sur fond mobile sont présentées. L'analyse conjointe des profils de vitesse et d'évolution du fond suggère une transformation au sein de la couche limite, par laquelle l'asymétrie horizontale des vitesses (skewness) augmente au fur et à mesure que l'asymétrie (skewness de l'accélération) diminue en se rapprochant du fond. De plus on constate que la diffusion verticale dans cette couche limite est plus importante sur fond mobile que sur fond fixe. Dans ce travail nous présentons une stratégie pour combiner les variations verticales du fond avec un modèle et montrons que celle-ci permet de reproduire les mesures expérimentales. Nous montrons que la mobilité verticale du fond est responsable de l'augmentation de la diffusion verticale de quantité de movement dans la couche limite.