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A consistent debris flow model with intergranular friction and dynamic pore-fluid pressure

Heß, Julian (2019):
A consistent debris flow model with intergranular friction and dynamic pore-fluid pressure.
Darmstadt, Shaker Verlag, ISBN 978-3-8440-6882-5,
[Online-Edition: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8955],
[Book]

Abstract

This work presents the thermodynamically consistent development of a scaled, depth-integrated model for granular-fluid flows. Considering a general topography, the model is used for the numerical simulation of debris flows in different scenarios. With regard to important physical mechanisms in such flows and the underlying dynamics, additional fields are included, an extra pore-fluid pressure and hypoplastic, intergranular friction. The combined recourse to these two fields takes place in the context of a derivation with the entropy principle, beginning with general laws of thermodynamics, and ends with the application to real, large-scale debris flow events.

As a starting point, within the framework of mixture theory and the entropy principle, a continuum model for a general granular-fluid mixture is derived. Amending the basic fields of mass, momentum and energy, as well as a balance equation for the volume fraction, an additional field for the intergranular contact forces is considered, together with, newly introduced in the context of thermodynamic consistent modeling, a dynamic partial pressure. Assuming a shallow, saturated flow, the derived model is then non-dimensionalized and depth-integrated. The resulting model is further transferred into general coordinates. This allows for the easy representation of debris flows on real mountainous topography.

Implemented with a shock-capturing NOC scheme, several numerical simulations are performed, ranging from parameter studies on a laboratory scale and the comparison with a dam break experiment to a large-scale event. The numerical parameter studies confirm the expected behavior of the additional physical fields. Since the extra pore-fluid pressure arises from the interaction of the granular skeleton and the pore-fluid, it interferes with the hydrostatic pressure and is able to push the granular particles apart, thus reducing their apparent friction and prolongating the movement of the bulk mass. It accelerates the whole mixture and prevents the mass from settling, while the intergranular friction helps the granular structure to maintain its form, hindering it from dissolving like a fluid and accounting for the non-linear, anelastic behavior of granular material.

It should be emphasized that the presented modeling establishes a transfer from investigations on granular materials in the context of the entropy principle to the more practically orientated class of depth-integrated models. With this, the additional fields can be seen as the incorporation of information on the granular skeleton, i.e. the microstructure, in its interdependency with the fluid phase - something that is usually not depicted similarly in the framework of mixture theory. A central aim here is therefore to provide a consistent debris flow model, developed with regard to these additional fields, which is applicable for numerical studies.

Item Type: Book
Erschienen: 2019
Creators: Heß, Julian
Title: A consistent debris flow model with intergranular friction and dynamic pore-fluid pressure
Language: English
Abstract:

This work presents the thermodynamically consistent development of a scaled, depth-integrated model for granular-fluid flows. Considering a general topography, the model is used for the numerical simulation of debris flows in different scenarios. With regard to important physical mechanisms in such flows and the underlying dynamics, additional fields are included, an extra pore-fluid pressure and hypoplastic, intergranular friction. The combined recourse to these two fields takes place in the context of a derivation with the entropy principle, beginning with general laws of thermodynamics, and ends with the application to real, large-scale debris flow events.

As a starting point, within the framework of mixture theory and the entropy principle, a continuum model for a general granular-fluid mixture is derived. Amending the basic fields of mass, momentum and energy, as well as a balance equation for the volume fraction, an additional field for the intergranular contact forces is considered, together with, newly introduced in the context of thermodynamic consistent modeling, a dynamic partial pressure. Assuming a shallow, saturated flow, the derived model is then non-dimensionalized and depth-integrated. The resulting model is further transferred into general coordinates. This allows for the easy representation of debris flows on real mountainous topography.

Implemented with a shock-capturing NOC scheme, several numerical simulations are performed, ranging from parameter studies on a laboratory scale and the comparison with a dam break experiment to a large-scale event. The numerical parameter studies confirm the expected behavior of the additional physical fields. Since the extra pore-fluid pressure arises from the interaction of the granular skeleton and the pore-fluid, it interferes with the hydrostatic pressure and is able to push the granular particles apart, thus reducing their apparent friction and prolongating the movement of the bulk mass. It accelerates the whole mixture and prevents the mass from settling, while the intergranular friction helps the granular structure to maintain its form, hindering it from dissolving like a fluid and accounting for the non-linear, anelastic behavior of granular material.

It should be emphasized that the presented modeling establishes a transfer from investigations on granular materials in the context of the entropy principle to the more practically orientated class of depth-integrated models. With this, the additional fields can be seen as the incorporation of information on the granular skeleton, i.e. the microstructure, in its interdependency with the fluid phase - something that is usually not depicted similarly in the framework of mixture theory. A central aim here is therefore to provide a consistent debris flow model, developed with regard to these additional fields, which is applicable for numerical studies.

Place of Publication: Darmstadt
Publisher: Shaker Verlag
ISBN: 978-3-8440-6882-5
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Dynamics (fdy)
16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Dynamics (fdy) > Mehrphasenströmung
16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Dynamics (fdy) > Natürliche Strömungen
16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Dynamics (fdy) > Numerische Strömungssimulation
16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Dynamics (fdy) > Strömungsmechanische Modellentwicklung
Date Deposited: 20 Oct 2019 19:55
Official URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8955
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-89550
Referees: Wang, Prof. Yongqi and Oberlack, Prof. Martin and Sadiki, Prof. Amsini
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 3 July 2019
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
In dieser Arbeit wird die thermodynamisch konsistente Entwicklung eines skalierten, tiefen integrierten Modells für Granulat-Flüssigkeits-Strömungen vorgestellt. Unter Verwendung einer allgemeinen Topographie wird das Modell zur numerischen Simulation von Schuttströmungen in verschiedenen Kontexten eingesetzt. Im Hinblick auf die für solche Strömungen wichtigen physikalischen Mechanismen und die zugrunde liegenden Dynamiken werden zusätzliche Felder berücksichtigt, einmal ein Extra-Porendruck und weiterhin ein Feld zur Beschreibung von hypoplastischer, intergranularer Reibung. Die Verknüpfung dieser zwei Felder erfolgt im Rahmen einer Herleitung nach dem Entropieprinzip, ausgehend von den allgemeinen Gesetzen der Thermodynamik, und endet mit der Anwendung auf reale, großskalige Szenarien von Schuttströmungen. Als Ausgangspunkt wird im Rahmen der Mischungstheorie und des Entropieprinzips ein Kontinuumsmodell für ein allgemeines Granulat-Flüssigkeits-Gemisch hergeleitet. Die Grundgrößen Masse, Impuls und Energie, sowie die Bilanzgleichung für den Volumenanteil, werden hierbei um zwei zusätzliche Felder ergänzt, von denen eines die intergranularen Kontaktkräfte berücksichtigt, und, neu eingeführt im Rahmen der thermodynamisch konsistenten Modellierung, ein dynamischer Partialdruck. Weiterhin wird ausgehend von einer flachen, gesättigten Strömung das so hergeleitete Modell entdimensioniert und tiefen integriert. Das Modell wird außerdem in allgemeine Koordinaten übertragen, welche die einfache Darstellung von Schuttströmungen auf echter Gebirgstopographie ermöglichen. Implementiert mit einem auch Schocks erfassenden NOC-Schema werden mehrere numerische Simulationen durchgeführt, die von Parameterstudien im Labormaßstab und dem Vergleich mit einem Dammbruch-Experiment bis hin zu einem großskaligen Ereignis reichen. Die numerischen Parameterstudien bestätigen das erwartete Verhalten der zusätzlichen physikalischen Felder. Da der Extra-Porendruck durch das Zusammenwirken von granularem Skelett und Porenflüssigkeit entsteht, überlagert er sich mit dem hydrostatischen Druck und kann die Granulatspartikel auseinander drücken, wodurch ihre Reibung reduziert und die Bewegung der Schüttgutmasse verlängert wird. Er beschleunigt somit die gesamte Mischung und verhindert das Absetzen der Masse, während die intergranulare Reibung dazu beiträgt, dass die Struktur der Körner ihre Form behält, also nicht einfach wie eine Flüssigkeit zerfließt und weiterhin auch das nichtlineare, anelastische Verhalten des körnigen Materials berücksichtigt. Hervorzuheben ist, dass die vorgestellte Modellierung einen Transfer von Untersuchungen an granularen Materialien im Kontext des Entropieprinzips und der stärker an der Praxis orientierten Klasse von tiefen integrierten Modelle herstellt. Damit können die zusätzlichen Felder verstanden werden als die Berücksichtigung von Informationen über das granulare Skelett, d.h. die Mikrostruktur, in ihrer Wechselwirkung mit der flüssigen Phase - etwas, das normalerweise nicht im Rahmen der Mischungstheorie derartig berücksichtigt wird. Ein zentrales Ziel ist es daher, ein konsistentes Modell für Schuttströmungen bereitzustellen, das unter Berücksichtigung dieser zusätzlichen Felder entwickelt wurde und für numerische Studien geeignet ist.German
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