~fluidity-core/fluidity/sea-ice-coupling

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  • Committer: Simon Mouradian
  • Date: 2012-10-09 20:00:15 UTC
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380
380
 
381
381
\section{Sediments}
382
382
 
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:
 
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:
387
386
 
388
387
\begin{equation}\label{eq:sediment_conc}
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}
 
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 $u_{\mathrm{sink}}$. 
422
393
 
423
394
\subsection{Deposition and erosion}
424
395
 
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
 
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.
475
399
 
476
400
Erosion occurs when the bed-shear stress is greater than the critical shear stress. Each
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.
 
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.
480
404
 
481
405
\begin{equation}\label{eq:sediment_erosion_rate}
482
 
  E_m = E_{0m}\left(1-\varphi\right)\frac{\tau_{sf} - \tau_{cm}}{\tau_{cm}}
 
406
E_m = E_{0m}\left(1-\varphi\right)\frac{\tau_{sf} - \tau_{cm}}{\tau_{cm}}
483
407
\end{equation}
484
408
 
485
409
\noindent
486
410
where $E_{0m}$ is the bed erodibility constant (kgm$^{-1}$s${-1}$) for sediment class $m$,
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:
 
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:
490
415
 
491
416
\begin{equation}\label{eq:critical_shear_stress}
492
 
  \tau_{cm} = 0.041\left(s-1\right)\rho gD
 
417
\tau_{cm} = 0.041\left(s-1\right)\rho gD
493
418
\end{equation}
494
419
 
495
420
\noindent
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
 
 
 
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.
517
424