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  • Committer: Simon Mouradian
  • Date: 2012-10-19 10:35:59 UTC
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Lines of Context:
380
380
 
381
381
\section{Sediments}
382
382
 
383
 
\fluidity\ is capable of simulating an unlimited number of sediment concentration classes.
384
 
Each class has a separate grain size, density and settling velocity. The sediment behaves
385
 
as any other tracer field, except it is subject to a settling velocity:
 
383
\fluidity\ is capable of simulating an unlimited number of sediment concentration fields.
 
384
Each sediment field, with concentration, $c_{i}$, behaves as any other tracer field,
 
385
except that it is subject to a settling velocity, $u_{si}$. The equation of conservation
 
386
of suspended sediment mass thus takes the form:
386
387
 
387
388
\begin{equation}\label{eq:sediment_conc}
388
 
\ppt{S_m} + \nabla\cdot(\bmu S_m) = \nabla\cdot(\kaptens\nabla S_m) - \sigma S_m
389
 
\end{equation}
390
 
 
391
 
The advection in the vertical direction is then modified with a downwards sinking 
392
 
velocity $u_{\mathrm{sink}}$. 
 
389
  \ppt{c_i} + \nabla \cdot c_i ({\bf u} - \delta_{j3}u_{si}) = \nabla \cdot (\kaptens \nabla c_i)
 
390
\end{equation}
 
391
 
 
392
Source and absorption terms have been removed from the above equation. These will only be
 
393
present on region boundaries.
 
394
 
 
395
Each sediment field represents a discrete sediment type with a specific diameter and
 
396
density. A distribution of sediment types can be achieved by using multiple sediment
 
397
fields.
 
398
 
 
399
{\bf Notes on model set up}
 
400
 
 
401
Each sediment field must have a sinking velocity. Note that this is not shown as a
 
402
required element in the options tree as it is inherited as a standard option for all
 
403
scalar fields.
 
404
 
 
405
A sediment density, and sediment bedload field must also be defined. The sediment bedload
 
406
field stores a record of sediment that has exited the modelled region due to settling of
 
407
sediment particles.
 
408
 
 
409
To use sediment, a linear equation of state must also be enabled
 
410
\option{\ldots/equation\_of\_state/fluids/linear}
 
411
 
 
412
\subsection{Hindered Sinking Velocity}
 
413
 
 
414
The effect of suspended sediment concentration on the fall velocity can be taken into
 
415
account by making the Sinking Velocity field diagnostic. The equation of Richardson and
 
416
Zaki [1954] is then used to calculate the hindered sinking velocity, $u_{si}$, based upon
 
417
the unhindered sinking velocity, $u_{s0}$, and the total concentration of sediment, $c$.
 
418
 
 
419
\begin{equation}\label{eq:hindered_sinking_velocity}
 
420
  u_{si} = u_{s0}(1-c)^{2.39}
 
421
\end{equation}
393
422
 
394
423
\subsection{Deposition and erosion}
395
424
 
396
 
A surface can be defined, the sea-bed, which is a sink for sediment. Once sediment
397
 
fluxes through this surface it is removed from the system and stored in a separate 
398
 
field: the SedimentFlux field. Each sediment class has an equivalent Flux field.
 
425
A surface can be defined, the sea-bed, which is a sink for sediment. Once sediment fluxes
 
426
through this surface it is removed from the system and stored in a separate field: the
 
427
Bedload field. Each sediment class has its on bedload field.
 
428
 
 
429
Erosion of this bed can be modelled by applying the sediment\_reentrainment boundary
 
430
condition. There are several options for the re-entrainment algorithm that is used to
 
431
calculate the amount of sediment eroded from the bed.
 
432
 
 
433
\noindent
 
434
1. Garcia's re-entrainment algorithm
 
435
 
 
436
Erosion occurs at a rate based upon the shear velocity of the flow at the bed, $u^*$, the
 
437
distribution of particle classes in the bed, and the particle Reynolds number,
 
438
$R_{p,i}$. The dimensionless entrainment rate for the i$^{th}$ sediment class, $E_i$, is
 
439
given by the following equation:
 
440
 
 
441
\begin{equation}
 
442
  E_i = F_i \frac{AZ_i^5}{1-AZ_i^5/0.3}
 
443
\end{equation}
 
444
 
 
445
\begin{equation}
 
446
  Z_i = \lambda_m \frac{u^*}{u_{si}} R_{p,i}^{0.6} \left (\frac{d_i}{d_{50}} \right)^{0.2}
 
447
\end{equation}
 
448
 
 
449
\noindent
 
450
Where $F_i$ is the volume fraction of the relevant sediment class in the bed, $d_i$ is the
 
451
diameter of the sediment in the i$^{th}$ sediment class and $d_{50}$ is the diameter for
 
452
which 50\% of the sediment in the bed is finer. $A$ is a constant of value $1.3 \times
 
453
10^7$
 
454
 
 
455
\noindent
 
456
$u^*$ and $R_{p,i}$ are defined by the following equations:
 
457
 
 
458
\begin{equation}
 
459
  u^* = \sqrt{\tau_b/\rho}
 
460
\end{equation}
 
461
 
 
462
\begin{equation}
 
463
  R_{p,i} = \sqrt{Rgd^{3}}/\nu
 
464
\end{equation}
 
465
 
 
466
This is given dimension by multiplying by the sinking velocity, $u_{si}$, such that the
 
467
total entrainment flux is:
 
468
 
 
469
\begin{equation}
 
470
  E_{m} = u_{si}E_i
 
471
\end{equation}
 
472
 
 
473
\noindent
 
474
2. Generic re-entrainment algorithm
399
475
 
400
476
Erosion occurs when the bed-shear stress is greater than the critical shear stress. Each
401
 
sediment class has a separate shear stress, which can be input or calculated depending
402
 
on the options chosen. Erosion flux, $E_m$ is implemented as a Neumann boundary condition
403
 
on the deposition/erosion surface.
 
477
sediment class has a separate shear stress, which can be input or calculated depending on
 
478
the options chosen. Erosion flux, $E_m$ is implemented as a Neumann boundary condition on
 
479
the bedload/erosion surface.
404
480
 
405
481
\begin{equation}\label{eq:sediment_erosion_rate}
406
 
E_m = E_{0m}\left(1-\varphi\right)\frac{\tau_{sf} - \tau_{cm}}{\tau_{cm}}
 
482
  E_m = E_{0m}\left(1-\varphi\right)\frac{\tau_{sf} - \tau_{cm}}{\tau_{cm}}
407
483
\end{equation}
408
484
 
409
485
\noindent
410
486
where $E_{0m}$ is the bed erodibility constant (kgm$^{-1}$s${-1}$) for sediment class $m$,
411
 
$\tau_{sf}$ is the bed-shear stress, $\varphi$ is the bed porosity (typically 0.3)
412
 
and $\tau_{cm}$ is the critical shear stress
413
 
for sediment class $m$. The critical shear stress can be input by the user or 
414
 
automatically calculated using:
 
487
$\tau_{sf}$ is the bed-shear stress, $\varphi$ is the bed porosity (typically 0.3) and
 
488
$\tau_{cm}$ is the critical shear stress for sediment class $m$. The critical shear stress
 
489
can be input by the user or automatically calculated using:
415
490
 
416
491
\begin{equation}\label{eq:critical_shear_stress}
417
 
\tau_{cm} = 0.041\left(s-1\right)\rho gD
 
492
  \tau_{cm} = 0.041\left(s-1\right)\rho gD
418
493
\end{equation}
419
494
 
420
495
\noindent
421
 
where s is the relative density of the sediment, i.e. $\frac{\rho_{S_{m}}}{\rho}$ and $D$ is the sediment
422
 
diameter (mm). The SedimentFlux field effectively mixes the deposited sediment, so order of deposition
423
 
is not preserved.
 
496
where s is the relative density of the sediment, i.e. $\frac{\rho_{S_{m}}}{\rho}$ and $D$
 
497
is the sediment diameter (mm). The SedimentDepositon field effectively mixes the deposited
 
498
sediment, so order of bedload is not preserved.
 
499
 
 
500
\subsection{Sediment concentration dependent viscosity}
 
501
 
 
502
The viscosity is also affected by the concentration of suspended sediment. This can be
 
503
taken account for by using the sediment\_concentration\_dependent\_viscosity algorithm on
 
504
a diagnostic viscosity field. If using a sub-grid scale parameterisation this must be
 
505
applied to the relevant background viscosity field.
 
506
 
 
507
The equation used is that suggested by Krieger and Dougherty, 1959, and more recently by
 
508
Sequeiros, 2009.  Viscosity, $\nu$, is a function of the zero sediment concentration
 
509
viscosity, $\nu_0$, and the total sediment concentration, $c$, as follows.
 
510
 
 
511
\begin{equation}\label{eq:sediment_concentration_dependent_viscosity}
 
512
  \nu = \nu_{0}(1-c/0.65)^{-1.625}
 
513
\end{equation}
 
514
 
 
515
Note: a ZeroSedimentConcentrationViscosity tensor field is required.
 
516
 
424
517