Dreidimensionale turbulente Strukturen an einer mittelgroßen Durchflussstelle mit und ohne einer Eisschicht

Zusammenfassung Flusszuflüsse sind durch eine komplexe Mischzone mit dreidimensionalen (3D) turbulenten Strukturen gekennzeichnet, die sowohl als strömungsorientierte Strukturen als auch als Kelvin-Helmholtz (KH) vertikal orientierte Strukturen beschrieben wurden. Letztere sind sichtbar, wo es einen Trübungunterschied zwischen den beiden Nebenflüssen gibt, während erstere normalerweise aus Mittelgeschwindigkeitsmessungen oder numerischen Simulationen abgeleitet werden. Wenige Feldstudien erfassten turbulente Geschwindigkeitsfluktuationen in hoher Frequenz, um diese Strukturen zu untersuchen, insbesondere an mittelgroßen Zuflüssen, wo logistische Einschränkungen die Verwendung von Geräten wie akustischen Doppler-Geschwindigkeitsmessern (ADV) erschweren. Diese Studie nutzt die Eisschicht, die an der Zusammenführung der Flüsse Mitis und Neigette in Quebec (Kanada) vorhanden ist, um langfristige, feste Messungen entlang der Mischzone zu erhalten. Der Zufluss ist außerdem durch einen ausgeprägten Trübungunterschied gekennzeichnet, der es ermöglicht, die Dynamik der Mischzone anhand von Drohnenbildern unter eisfreien Bedingungen zu untersuchen. Ziel der Studie ist es, die Fließstruktur in der Mischzone an einer mittelgroßen (~40 m) Flusszuflussstelle mit und ohne Eisschicht zu charakterisieren und zu vergleichen. Detaillierte 3D turbulente Geschwindigkeitsmessungen wurden unter dem Eis entlang der Mischfläche mit einem ADV durch acht Löcher an rund 20 Positionen in der Vertikalen durchgeführt. Für eisfreie Bedingungen deuten die Ergebnisse der Drohnenbilder darauf hin, dass große (KH) kohärente Strukturen vorhanden sind, die bis zu 50 % der Breite des Hauptkanals einnehmen. Im Winter beeinflusst die Eisschicht die Geschwindigkeitsprofile, indem sie die höchsten Geschwindigkeiten in die Mitte der Profile verschiebt. Große turbulente Strukturen sind sowohl in den strömungsweisen als auch in den seitlichen Geschwindigkeitskomponenten sichtbar. Die starke Korrelation zwischen diesen Geschwindigkeitskomponenten zeigt an, dass KH-Wirbel die dominierenden kohärenten Strukturen in der Mischzone sind. Ein räumlich-zeitliches konzeptionelles Modell wird präsentiert, um die Hauptunterschiede in der 3D-Fließstruktur an der Flussmündung mit und ohne Eisschicht zu veranschaulichen. © 2019 John Wiley & Sons, Ltd.