title: Combining Turbulence and Mud Rheology in a Conceptual 1DV Model – An advanced continuous modeling concept for fluid mud dynamics
title: Die Küste, Heft 89
titleType: Subtitle
Creators: name: Chmiel, Oliver
name: Naulin, Marie
name: Malcherek, Andreas
Publisher: name: Die Küste 89, Kuratorium für Forschung im Küsteningenieurwesen (Ed.), via Bundesanstalt für Wasserbau
Year: 2020
Subjects: subject: FOS: Natural sciences
subject: Sea regions
subject: fluid mud
subject: mud rheology
subject: effective viscosity
subject: suspended solids concentration

description: Fluid mud influences the tidal dynamics of estuaries. Predictive engineering tools are re-quired for maintenance strategies of estuaries to minimize siltation and lower the eco-nomic and ecological costs. Therefore, the non-Newtonian flow behavior of fluid mud has to be considered in numerical models. In this paper, an advanced modeling method is presented in order to simulate the entire depth in an estuary (from clear water to immo-bile bed) with one model. Within this modeling concept the momentum and the concen-tration balance equations are solved together with a 𝑘𝑘-𝜔𝜔-turbulence model continuously over the entire water column including the fluid mud bottom. In order to achieve this objective, the effective viscosity in the momentum equation has to represent turbulence in the water column and the rheology of mud in the fluid mud bottom. The 𝑘𝑘-𝜔𝜔 turbu-lence model is interpreted in a new way, so that it could be applied for fluid mud layers where no turbulence is produced. The viscoplastic, shear thinning behavior of fluid mud is represented by the rheological model of Malcherek and Cha (2011). The rheological viscosity was parameterized for varying shear rate, grain size, and volume solid content. The rheological formulation accounts for a yield stress dependency on the volume solid content and for flocculation. Modeling results of a vertical 1D model are presented de-scribing turbulent and rheological flow equally for the fluid and the solid phase. The for-mation of a fluid mud layer is shown by vertical velocity and concentration profiles.
description: Flüssigschlick beeinflusst die Tidedynamik der Ästuare. Für die Entwicklung von Unterhaltungsstrategien an Ästuaren werden vorausschauende Methoden und Werkzeuge benötigt, um die Verschlickung zu minimieren und die ökonomischen und ökologischen Kosten zu reduzieren. Hierfür ist es erforderlich, dass das nicht-Newtonsche Fließverhalten von Flüssigschlick in den numerischen Modellen berücksichtigt wird. In dieser Veröffentlichung wird ein neuer Modellansatz präsentiert, der es ermöglicht die gesamte Tiefe in 
 einem Ästuar (vom klaren Wasser bis zum unbeweglichen Boden) mit einem Modell zu simulieren. In diesem Modellkonzept wird die Impulsgleichung und die Transportgleichung zusammen mit einem 𝑘𝑘-𝜔𝜔-Turbulenzmodell kontinuierlich über die gesamte Wassersäule bis hin zum Flüssigschlickboden gelöst. Um dieses Ziel zu erreichen, wird eine effektive Viskosität in der Impulsgleichung eingeführt, die sowohl die Wirkung von Turbulenz im freien Wasser als auch die Rheologie von Flüssigschlick am Boden wiedergibt. Das 𝑘𝑘-𝜔𝜔-Turbulenzmodell wird neu interpretiert, so dass es auch im Flüssigschlick, in dem keine Turbulenz produziert wird, angewandt werden kann. Das viskoplastische, scherverflüssigende Ver-halten von Flüssigschlick wird durch das rheologische Modell von Malcherek und Cha (2011) beschrieben. Die rheologische Viskosität wird dabei durch die Scherrate, den Korndurchmesser und den Feststoff-gehalt parametrisiert. Dieses rheologische Modell berücksichtigt eine Fließgrenze, die vom Feststoffgehalt abhängig ist, sowie Flockulation. Die Simulationsergebnisse eines vertikalen 1D-Modells beschreiben die turbulente und rheologische Strömung gleichermaßen für die flüssige wie für die feste Phase. Die Bildung einer Flüssigschlickschicht wird durch vertikale Geschwindigkeits- und Konzentrationsprofile nachgewiesen.

description: Flüssigschlick, Rheologie, Effektive Viskosität, Schwebstoffgehalt, Turbulenzdämpfung
description: Die Küste 87 (2019)