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Dynamics of flow avalanches over curved and twisted channels

Pudasaini, Shiva Prasad :
Dynamics of flow avalanches over curved and twisted channels.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2004)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Dynamics of flow avalanches over curved and twisted channels
Language: English
Abstract:

This thesis presents a new theory and discussions about the motion of avalanches from initiation to run-out over a generally curved and twisted complicated mountain topography, its numerical simulation and comparison with well controlled, advanced laboratory experiments. It is hoped to be demonstrated that today's method of determination of the avalanche motion along its track promises to give to the avalanche practitioner a tool with the aid of which fairly reliable predictions of avalanche motion along its track can be made, from initiation to run-out. The model computations and experiments also allow inferences as to the distribution of the mass of different granulates, like gravel or snow, in the deposition zone as well as to the forces exerted on structures that are affected by the motion of the avalanche. To achieve this aim, a well known depth integrated avalanche model of Savage & Hutter is generalised to arbitrary channelised topographies, the intention being that the model would be able not only to describe the flow of snow, gravel, debris or mud, down a corrie of arbitrary curvature and twist and arbitrary cross sectional profile, but equally also the transportation of grains or pills in the agricultural and pharmaceutical industry, respectively. For the first time we were able to include the simultaneous effects of the curvature and torsion in the avalanche motion, which could not be achieved by previous models. The applicability of the present model equations is, therefore, much broader than in the previous cases. The flow down an inclined plane or within a channel with its axis in a vertical plane which may be curved can be described, as can the flow down complicated mountain valleys with arbitrarily curved and twisted talwegs and bed topographies. The new theory is ideally suited to realistic situations in connection with the use of Geographical Information and Visualisation Systems . Thus, the theory provides an entirely new direction in the field of avalanche and debris flow research. It also opens a large spectrum of applications in different industrial and geophysical problems. The emerging equations for the distribution of the avalanche thickness and the topography-parallel depth-averaged velocity components consist of non-linear hyperbolic partial differential equations with discontinuous coefficients. To avoid any spurious oscillations and include naturally induced shock phenomena we introduced shock-capturing numerical schemes. To this end, two-dimensional Non-Oscillatory Central schemes with higher order cell reconstructions and second order accurate Total Variation Diminishing limiters were implemented. One of the most interesting aspects of avalanche dynamics is the study of avalanching motion over different bed structures and the effect of topography on their motion and deposits. We performed several numerical tests for avalanching masses down curved and twisted bed topographies. Uniformly and non-uniformly curved and twisted channels as well as channels which incorporate confined and unconfined continuous transition zones with constant and variable cross-sectional topographies merging into the horizontal run-out zones are considered. They demonstrate the combined effects of curvature, torsion and the radial acceleration associated with the bed topography. Thus, we are able to quantify the intrinsic effects of the topography and, finally, disclose the unknown physics of flows of avalanches through generally curved and twisted channels. Such sophisticated studies have not been carried out before, and it was possible here only with the new model equations. In order to acquire confidence in new model equations it is vital to corroborate them by direct observation. In this spirit, we performed several laboratory experiments for different granular materials to check the validity of the theory. We used a modern measurement technique, the Particle Image Velocimetry, to measure the velocity field of the flowing particles at the free-surface and the bottom of the free-surface and unsteady motion of an unconfined avalanche over a chute that is curved in the main flow direction merging continuously into the horizontal run-out zone. We are able to demonstrate the fact that there are excellent agreements between the theoretical predictions of the model equations and the experimental measurements. This, ultimately, proves the applicability of the theory and efficiency of the numerical method and code and establishes a nice and strong correlation among the theory, numerics and the experiments.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Diese Dissertation befasst sich mit einer neuen Theorie und der Diskussion der Bewegung von Lawinen vom Bewegungsanfang bis zum Stillstand entlang einer allgemeinen, gekrümmten und tordierten, komplizierten Bahn eines Berghanges. Sie behandelt die allgemeine Theorie, die numerische Simulation und den Vergleich mit kontrollierten, recht umfangreichen Laborexperimenten. Es wird erläutert, dass die heutigen Methoden zur Bestimmung der Lawinenbewegung entlang der Lawinenbahn dem Lawinenpraktiker ein Instrument in die Hand gibt, mit dem ziemlich zuverlässige Vorhersagen der Lawinenbewegung und Lawinenbahn vom Abbruch bis zum Stillstand gemacht werden können. Die Modellrechnungen und Experimente gestatten auch Schlussfolgerungen hinsichtlich der Massenverteilung der verschiedenen Granulate, wie etwa Kies oder Sand oder Schnee in der Deponie, aber auch hinsichtlich der Kräfte, die auf Bauwerke ausgeübt werden oder der Bewegungsumlagerung durch die Einbauten, welche in der Lawinenbahn vorhanden sein mögen. Um dies zu erreichen, wird ein bekanntes dickenintegriertes Lawinenmodell von Savage & Hutter verallgemeinert auf beliebige kanalisierte Topographien, mit der Absicht, sowohl die Bewegung von Schnee, Erde, Kies oder Schlamm entlang eines Bergtales mit beliebig gekrümmtem und tordiertem Talweg und beliebigem Querschnittsprofil als auch den Transport von Getreide oder Pillen in der landwirtschaftlichen bzw. pharmazeutischen Industrie zu beschreiben. Zum ersten Mal werden hier Krümmung und Torsien der Bahn zur Berechnung der Lawinenbewegung berücksichtigt, was in früheren Modellen nicht möglich war. Der Anwendungsbereich der gegenwärtigen Modellgleichungen ist daher wesentlich breiter als in früheren Fällen. Das Modell lässt die Berechnung des Lawinenfließens sowohl entlang einer geneigten Ebene oder entlang eines Kanals mit einer in einer Vertikalebene gelegenen gegebenenfalls gekrümmten Achse beschreiben, als auch die Bewegung entlang eines komplizierten Bergtales mit beliebig gekrümmtem und tordierten Talweg und beliebiger Betttopographie. Die neue Theorie ist ideal für realistische Situationen geeignet, wenn sie zusammen mit Geographischen Informations-und Visualisierungssystemen verwendet wird. Die Theorie geht damit einen komplett neuen Weg, der bis dato auf dem Gebiet der Lawinen und Schüttgutforschung noch nicht begangen wurde. Sie erüffnet damit ein großes Spektrum von Anwendungen für die unterschiedlichsten Probleme aus Industrie, Umwelt und den Geowissenschaften. Die beschreibenden Gleichungen für die Verteilungen der Lawinendicke und die der Topographie parallelen tiefengemittelten Geschwindigkeitskomponenten bestehen aus einem System von nichtlinearen hyperbolischen, partiellen Diferentialgleichungen mit Koeffizienten, die unstetige Funktionen der Position und Zeit sein können. Um irgendwelche unechte Schwingungen zu vermeiden, und um natürlich auftretende Stoßphänomene einzuschließen, werden von uns stoßerfassende numerische Schematas verwendet. Zu diesem zwecke werden zweidimensionale Nicht-Oszillierende-Centrale Schematas mit Zell-Rekonstruktionen der höheren Ordnung sowie ``Total-Variation-Dimishing Limiters" der zweiten Ordnung verwendet. Einer der interessantesten Aspekte der Lawinendynamik ist das Studium der Lawinenbewegung über unterschiedliche Strukturen und die Auswirkung der topographischen Variabilität auf deren Bewegung und die Geometrie der Deponie. Es sind verschiedene numerische Tests für bewegte Massen entlang gekrümmter und tordierter Bodentopographien durchgeführt worden. Es sind untersucht worden: Uniform und nicht-uniform gekrümmte und tordierte Kanäle, wie auch Kanäle, welche offene, bzw. begrenzte, kontinuierliche Übergangszonen mit konstanter bzw. variabler Quertopographie aufweisen und in eine horizontale Auslaufzone münden. Die Resultate demonstrieren die kombinierten Effekte der Krümmung, Torsion, Radialbeschleunigung sowie variabler Topographie. Wir sind also in der Lage, die intrinsische Wirkung der Topographie zu quantifizieren und können so die unbekannten physikalischen Eigenschaften der Lawinenbewegung durch gekrümmte und tordierte Kanäle ergründen. Solch komplexe Studien sind bis dato noch nicht durchgeführt worden; es war hier nur aufgrund des neuen Modelles und seiner Gleichungen möglich. Um Vertrauen in die neuen Modellgleichungen zu gewinnen ist es wichtig, diese an direkten Beobachtungen zu verifizieren. Mit dieser Absicht sind verschiedene Laborexperimente mit unterschiedlichen Granulaten durchgeführt worden, und es ist damit die Zuverlässigkeit der Theorie validiert worden. Wir haben eine moderne Messtechnik verwendet - die Particle Image Velocimetry - um das Geschwindigkeitsfeld der bewegten Partikel auf der freien Oberfläche und am Boden für die nichtstationäre Bewegung einer seitlich unbegrenzten Lawine entlang einer in Fließrichtung gekrümmten Bahn, die kontinuierlich in einen horizontalen Auslauf mündet, zu messen. Wir sind im Stande die Tatsache zu demonstrieren, dass zwischen den theoretisch-numerischen Vorhersagen der Modellgleichungen und den experimentellen Messungen hervorragende Übereinstimmung besteht. Diese Tatsache beweist schlussendlich, dass die Theorie anwendbar und die numerische Methode sowie der Code wirtschaftlich sind. In Kürze: Zwischen Theorie, Numerik und den Experimenten besteht eine starke Kohärenz.German
Uncontrolled Keywords: Lawinendynamik, Murgänge, Granulatströmungen, Bewegungen mit freier Obelfläche, Gekrümmte und tordierte Kanalgeometrien, Rutschströmungen, Hyperbolische Erhaltungssätze, theoretische Vorhersagen, Hoch Auflösende finite Differenzen, experimentelle Validierung, Particle Image Velocimetry
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Lawinendynamik, Murgänge, Granulatströmungen, Bewegungen mit freier Obelfläche, Gekrümmte und tordierte Kanalgeometrien, Rutschströmungen, Hyperbolische Erhaltungssätze, theoretische Vorhersagen, Hoch Auflösende finite Differenzen, experimentelle Validierung, Particle Image VelocimetryGerman
Avalanche Dynamics, Debris Flows, Granular Flows, Free-surface Motions, Curved and Twisted Channels, Chute Flows, Hyperbolic Conservation Laws, Theoretical Predictions, Heigh Resolution Schemes, Experimental Validation, Particle Image VelocimetryEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
Divisions: FB 06 (Mechanik, 2006 eingegliedert in FB Maschinenbau/Strukturdynamik)
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Last Modified: 07 Dec 2012 11:49
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000393
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-3937
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Noelle, Prof.Dr. Sebastian
Advisors: Hutter, Prof.Ph.D. Kolumban
Refereed: 12 December 2003
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/393
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