Om du någonsin har tittat noga på en 3D-sand- eller sedimentdyn inom en flod eller ett kustområde, undrade du hur det bildades?

Efter att ha märkt hur konstruktionen av dammar väsentligt förändrar hydrodynamiken i naturliga floder och den resulterande nedströms flodbädden utveckling, en grupp forskare vid Tsinghua University i Kina beslutade att tillämpa numeriska simuleringar för att avgöra vad som spelar in i förhållandet mellan sedimentrörelser och flödesförhållanden. De rapporterar sina fynd i Vätskans fysik .

Gruppens arbete inspirerades delvis av påverkan av Three Gorges Dam, som är en hydroelektrisk gravitationsdamm som sträcker sig över Yangtze -floden. Sedan byggandet 2003 har 11,7 kilometer (7,2 miles) platt flodbädd nedströms i Yangtse -mynningen observerades som förvandlas till sanddynbäddformer - funktioner som bildas som ett resultat av att flodbäddsmaterial flyttas av vätskeflöde.

"Denna bedmorfologiutveckling hotade navigationssäkerheten och stabiliteten hos älvar, eftersom mekanismen för bildandet av sedimentdyner var okänd, "sa Hongwei Fang, professor vid Tsinghua University.

Forskarna bestämde sig för att exakt simulera det helt turbulenta flödet nära flodbädden och koppla det till rörelsen av sedimentpartiklar.

"Vi använde stor virvel-simuleringsteknik för att erhålla exakt ögonblickligt flödesfält nära sängen, beräkna skjuvspänningarna som verkar på sedimentpartiklar och till sist, simulera utvecklingen av flodbädden, sa Fang.

Genom att använda visualisering och power spectra -analys, forskarna kunde karakterisera bildandet av sedimentdyner i tre olika stadier och tydligt visa mekanismen som är ansvarig för varje.

"Samspelet mellan flödet nära sängen och sedimentpartiklar har undersökts noggrant, men det var fortfarande inte helt klart vad som hände, "sa Fang." Att dela upp det i tre steg hjälpte oss att klargöra denna process. "

"De initiala defekterna som uppträder på sängen i början av processen är nära knutna till den momentana flödeshastigheten strax innan sängen destabiliseras, "sa han." Vi upptäckte också att defekter med hög momentan flödeshastighet tvättas bort, medan defekter med låg momentanhastighet tar emot sedimentavlagringar och växer i längd och höjd. Och, ytterligare, en konstant väckningszon bildas nedströms mikrosandvågor, där sediment ackumuleras. "

När det gäller ansökningar, detta arbete kommer att "hjälpa till att förutsäga flodbäddens morfologiska utveckling - hur det bildas och förändras - inom naturliga floder, "Fang sa." Och det kommer att tillåta förebyggande av potentiella faror, till exempel fel på flodbredden eller strandfartyg. "

Nästa, gruppen kommer att utforska flodslingor, vilket utgör ett allvarligt hot mot floder med dammar.

"Med vår framgång som simulerar utvecklingen av flodbäddar, vi är övertygade om att avslöja mekanismen för flodslingor, vilket är mycket viktigt vid konstruktion av vallar, sjöflodshantering och skydd för livsmiljöer i vatten, Sa Fang.