Overview of density flows and turbidity currents

مقدمه

اگر سیالی با یک چگالی به سیالی تقریبا راکد با چگالی اندکی متفاوتتر حرکت کند، ممکن این کار را به صورت یک زیرگردش، میان گردش یا روگردش انجام دهد، که وابسته به تفاوت چگالی است. بنابراین درباره جریان های چگالی یا جریان های جاذبه صحبت می کنیم. تفاوتهای چگالی ممکن است ناشی از دما، مواد حل شده و مواد معلق باشد.

جریان های کدر، جریان های جاذبه هستند، که فاز با چگالی بیشتر شامل مواد ذره ای آرام می باشد. جریان های جاذبه مشابه می توانند توسط اختلاف های شوری (میزان نمک) و دما (“انشعاب های مایل” یا “زیرگردش ها”) تولید شوند. در جریان های کدر، رسوب معلق، چگالی ترکیب را بیشتر از آب محیط می کند و نیروی هدایت تولید می کند. گردش مملو از رسوب باید حرکت کافی تولید کند که رسوب همچنان معلق بماند. جریان های کدر چگالی به ترتیب در اقیانوس، در دریاچه ها و مخزن ها رخ می دهند. آنها ممکن است توسط ریزش مستقیم آب کدر، توسط عمل موج، توسط ریزشهای زیرآبی، توسط تخلیه باقیمانده های معدن، یا توسط عملیات های لجن کشی به وجود بیایند.

بین “جریان جاذبه محافظ”  (تفاوت چگالی به دلیل دما یا وجود مواد حل شده می باشد) و “جریان جاذبه غیر محافظ” (برای مثال، جریان کدر در بستری متحرک با ته نشینی یا فرسایش) باید تمایز قائل شد، که سرعت استقرار ذرات معلق ، پارامتر جدیدی را به وجود می آورد. به طور کلی، دو نوع جریان کدر می تواند به این صورت تفکیک شود: (I) سرعت پایین، چگالی پایین، و (II) سرعت بالا ، چگالی بالا. ویژگی آنها به صورت نوک متمایز می باشد که به دنبال آن منطقه گردش شبه یکپارچه (“بدن”) می باشد. دینامیک جریان کدر می تواند تاثیر زیادی بر کیفیت آب و رسوب گذاری دریاچه ها و مخزن ها داشته باشد.

Introduction

If a fluid of a given density moves into an almost stagnant fluid of slightly different density, it might do this as underflow, interflow or overflow, depending on the density difference. One speaks thus of density currents or gravity currents. Density differences may be caused by temperature, dissolved substances and suspended matters.
Turbidity currents are gravity currents, where the denser phase contains settling granular material. Similar gravity currents can be produced by salinity or temperature differences (“inclined plumes” or “underflows”). In turbidity currents, suspended sediment makes the density of the mixture greater than the density of the ambient water and provides the driving force. The sediment laden flow must generate enough turbulence to hold the sediment in suspension. Density respectively turbidity currents occur in the ocean, in lakes and reservoirs. They may be caused by the direct inflow of turbid water, by wave’ action, by subaqueous slumps, by the discharge of mining tailings or by dredging operations.
Distinguish between a “conservative gravity current” (the density difference is due to the temperature or the presence of dissolved substances) and a “non-conservative gravity current” (e.g. turbidity current on a mobile bed with deposition or erosion), where the settling velocity of the suspended particles constitute a new parameter, (Aitinakar et a!. 1990). In general two types of turbidity currents can be distinguished: (I) low velocity, low density, and (II) high velocity, high density (Akiyama and Stefan 1984). They arc characterized by a distinctive raised head, followed by a quasi-uniform flow region (“body”). The dynamics of a turbidity current can have a major impact on the water quality and sedimentation of lakes and reservoirs (Bruk 1985).

ویژگی های عمومی

جریان های کدر می توانند فرساینده یا ته نشینی باشند. خود گردش الزاما 2 بُعدی در نظر گرفته می شود. برخی از نمونه ها برای جریان های کدر علاوه بر هیدرولیک، طوفان های گرد و خاک در بیابان ها، گردش های آذرآواری آتشفشان ها، بهمن های برف و جریان های کدر دریایی با مقیاس وسیع ناشی از حرکات زمین می باشند.

جریان های کدر متفاوت از زیرگردش های محافظ ساده هستند که د ر آن منبع اختلاف شناور (یعنی رسوب معلق) محافظت نمی شود. رسوب معلق آزاد هستند که با رسوب بستر تبادل شوند. این تبادل باید در خصوص فرسایش بستر و ته نشینی محاسبه شود. انرژی جنبشی هم در حفظ بار موجود در مواد معلق مصرف می شود، و هم در جذب رسوب جدید از بستر مصرف می شود.

جریان های چگالی در فاصله کوتاهی به وضعیت نرمال خواهند رسید. دررر وضعیت نرمال، نیروی جاذبه، برش پایین، نیروی فشار و تکانه (momentum) ناشی از جذب در تعادل هستند. عدد ریچاردسون یک مقدار نرمال را پس از فاصله کوتاه در نظر می گیرد. در جریان های کدر، شرایط اضافی در معادلات هدایت (فرسایش، ته نشینی) وجود دارد. عدد ریچاردسون نیاز به فاصله بسیار طولانی تری دارد که حداقل نرمال بشود.