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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.
Buch, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (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.

Typ des Eintrags: Buch
Erschienen: 2019
Autor(en): Heß, Julian
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: A consistent debris flow model with intergranular friction and dynamic pore-fluid pressure
Sprache: Englisch
Referenten: Wang, Prof. Yongqi ; Oberlack, Prof. Martin ; Sadiki, Prof. Amsini
Publikationsjahr: September 2019
Ort: Darmstadt
Verlag: Shaker Verlag
Datum der mündlichen Prüfung: 3 Juli 2019
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8955
Kurzbeschreibung (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.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
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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.

Deutsch
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-89550
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 16 Fachbereich Maschinenbau
16 Fachbereich Maschinenbau > Fachgebiet für Strömungsdynamik (fdy)
16 Fachbereich Maschinenbau > Fachgebiet für Strömungsdynamik (fdy) > Mehrphasenströmung
16 Fachbereich Maschinenbau > Fachgebiet für Strömungsdynamik (fdy) > Natürliche Strömungen
16 Fachbereich Maschinenbau > Fachgebiet für Strömungsdynamik (fdy) > Numerische Strömungssimulation
16 Fachbereich Maschinenbau > Fachgebiet für Strömungsdynamik (fdy) > Strömungsmechanische Modellentwicklung
Hinterlegungsdatum: 15 Okt 2019 09:45
Letzte Änderung: 24 Mai 2023 08:53
PPN:
Referenten: Wang, Prof. Yongqi ; Oberlack, Prof. Martin ; Sadiki, Prof. Amsini
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 3 Juli 2019
Export:
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