Numerical modeling of Mass transport in Turbulent environmental flows
| dc.catalogador | grr | |
| dc.contributor.advisor | Escauriaza Mesa, Cristian Rodrigo | |
| dc.contributor.author | Barros Alcalde, María Magdalena | |
| dc.contributor.other | Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería | |
| dc.date.accessioned | 2025-11-05T18:57:58Z | |
| dc.date.available | 2025-11-05T18:57:58Z | |
| dc.date.issued | 2025 | |
| dc.description | Tesis (Doctor in Engineering Sciences)--Pontificia Universidad Católica de Chile, 2025 | |
| dc.description.abstract | Mass transport in turbulent environmental flows is strongly influenced by the unsteady dynamics of coherent structures. The accurate prediction of mass transport in these turbulent systems is essential for effective management of water resources, the preservation of ecosystems, and long-term environmental sustainability. In nature, environmental flows are typically non-uniform and characterized by complex turbulent phenomena such as Flow separation, recirculation zones, and shear layers. In many of these flows, the fundamental mechanisms governing turbulent mixing and transport remain poorly understood. To advance our understanding of these transport mechanisms, large-eddy simulations (LES) were performed coupled with scalar and particle transport models to capture the interaction between coherent structures and mass transport processes. These simulations use high spatial and temporal resolution to directly resolve the relevant scales for transport. Two complex flows were investigated: (1) The Eulerian and Lagrangian transport of apassive scalar in the flow past a lateral cavity, and (2) bedload transport through an array of boulders over a rough bed. In the first investigation, the results showed that columnar vortices and longitudinal structures periodically shed and advected along the shear layer govern mass transport and the exchange across the cavity interface. Additionally, the isolated low-speed vortex inside the cavity plays a significant role, as its core retains mass for long periods. This study elucidates the role of coherent structures in driving mass transport by linking their dynamics to the spatial distribution of Lagrangian residence times, particle trajectories, and finite-time Lyapunov exponents (FTLE). Furthermore, an upscaling of these small-scale processes was achieved by incorporating a fractional derivative into the evolution equation for the concentration inside the cavity, effectively capturing the large-scale memory effects observed in the simulations. These findings constitute a novel contribution that offers important insights into the underlying mechanisms of mass transport and provide a valuable framework to improve predictions of the transport and dispersion of contaminants.In the second investigation, the simulations revealed complex vorticity patterns resulting from the interaction between the boulder wakes and the rough bed, as well as the presence of arch vortices, longitudinal structures and three-dimensional shear layer vórtices downstream of the boulders. These features were found to significantly influence near-bed turbulence, bedload transport rates, and sediment deposits. Notably, the effect of the observed coherent patterns in bedload fluxes persisted after averaging at larger scales, highlighting the importance of the flow spatial variability induced by the macroroughness elements. This investigation provides valuable insight into bedload transport processes at the grain scale, offering a clearer understanding of the exact flow perceived by the sediments. The energy and momentum mechanisms were further examined using the double averaging methodology (DAM), which allowed the upscaling of the turbulence generated at the roughness level to a larger-scale framework. This analysis clarified the mechanisms through which stresses and energy are generated and redistributed in the flow. A key finding for bedload transport is that the total fluid stress acting on the bed was found to be approximately half of the value estimated using the classical depth-slope product. This result supports previous observations that conventional methods tend to overpredict bedload transport in flows with macroroughness elements. | |
| dc.description.abstract | El transporte de masa en flujos ambientales turbulentos está fuertemente influenciado por la dinámica de las estructuras coherentes. La predicción precisa del transporte de masa en estos sistemas turbulentos es esencial para una gestión eficaz de los recursos hídricos, la preservación de los ecosistemas y la sostenibilidad ambiental a largo plazo. En la naturaleza, los flujos ambientales suelen ser no uniformes y presentar fenómenos turbulentoscomplejos, como la separación del flujo, zonas de recirculación y el desarrollo de capas de corte. En muchos de estos flujos, los mecanismos fundamentales que gobiernan la mezcla turbulenta y el transporte de masa siguen siendo poco comprendidos. Con el objetivo de avanzar en la comprensión de estos mecanismos de transporte, se realizaron simulaciones de grandes remolinos (LES) acopladas con modelos de transporte escalar y de partículas, con la finalidad de capturar la interacción entre las estructuras coherentes y los procesos de transporte. Se utilizó alta resolución espacial y temporal pararesolver directamente las escalas relevantes para el transporte. Se investigaron dos flujos complejos: (1) el transporte Euleriano y Lagrangiano de un escalar pasivo en un flujo con una cavidad lateral, y (2) el transporte de fondo sobre un arreglo de bolones y un lecho rugoso.En la primera investigación, los resultados mostraron que los vórtices columnares y las estructuras longitudinales que se desprenden y se propagan periódicamente a lo largo de la capa de corte gobiernan el transporte de masa y el intercambio a través de la interfaz de la cavidad. Además, el vórtice de baja velocidad que se forma dentro de la cavidad también desempeña un rol relevante, ya que su núcleo retiene masa durante largos tiempos. Este estudio permitió comprender el rol de las estructuras coherentes en el transportede masa relacionando su dinámica con la distribución espacial de los tiempos de residencia Lagrangianos, la trayectoria de las partículas y los exponentes de Lyapunov (FTLE). Adicionalmente, se logró un escalamiento de estos procesos de pequeña escala mediante la incorporación de una derivada fraccionaria en la ecuación de evolución de la concentración, lo que permitió capturar de manera efectiva los efectos de memoria a gran escala observados en las simulaciones. Estos hallazgos constituyen una contribución novedosa que ofrece información relevante sobre los mecanismos fundamentales del transporte de masa y proporcionan un marco valioso para mejorar las predicciones del transporte y dispersión de contaminantes. En la segunda investigación, las simulaciones revelaron patrones complejos de vorticidad que resultan de la interacción entre las estelas de los bolones y el lecho rugoso, además de la aparición de vórtices de arco, estructuras longitudinales y vórtices característicos de una capa de corte, aguas abajo de los bolones. Se observó que estas estructuras influyen de manera significativa en la turbulencia cercana al lecho, el transporte de fondo y los depósitos de sedimentos. Además, los efectos de la coherencia observada en el transporte de fondo persisten al promediar, lo que resalta la importancia de la variabilidad espacial del flujo inducida por las macro-rugosidades. Esta investigación aporta información valiosa sobre los procesos de transporte de fondo a escala de los sedimentos, ofreciendo una comprensión más clara del flujo exacto que perciben las partículas. Los mecanismos de energía y momento se examinaron además mediante la metodología de doble promedio (DAM), lo que permitió escalar la turbulencia generada a la escala de las rugosidades a una escala más grande. Este análisis contribuyó a aclarar los procesos que generan y redistribuyen el esfuerzo de corte y la energía en el flujo. Un descubrimiento clave para el transporte de fondo es que el esfuerzo de corte del fluido que actúa sobre el lecho es aproximadamente la mitad del valor estimado con el método clásico basado en la profundidad y la pendiente. Este resultado respalda observaciones previas que indican que los métodos convencionales tienden a sobreestimar el transporte de fondo en flujos con macro-rugosidades. | |
| dc.fechaingreso.objetodigital | 2025-10-22 | |
| dc.format.extent | xxiii, 192 páginas | |
| dc.fuente.origen | SRIA | |
| dc.identifier.doi | 10.7764/tesisUC/ING/106535 | |
| dc.identifier.uri | https://repositorio.uc.cl/handle/11534/106535 | |
| dc.identifier.uri | https://doi.org/10.7764/tesisUC/ING/106535 | |
| dc.information.autoruc | Escuela de Ingeniería; Escauriaza Mesa, Cristian Rodrigo; 0000-0001-5275-8364; 3857 | |
| dc.information.autoruc | Escuela de Ingeniería; Barros Alcalde, María Magdalena; 0009-0008-1991-5282; 232571 | |
| dc.language.iso | en | |
| dc.nota.acceso | contenido completo | |
| dc.rights | acceso abierto | |
| dc.rights.license | CC BY 4.0 Attribution 4.0 International | |
| dc.rights.uri | https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.es | |
| dc.subject | Large eddy simulations (LES) | |
| dc.subject | Turbulence | |
| dc.subject | Mass transport | |
| dc.subject | Lagrangian | |
| dc.subject | Eulerian | |
| dc.subject | Simulaciones de alta resolución | |
| dc.subject | Turbulencia | |
| dc.subject | Transporte de masa | |
| dc.subject | Lagrangiano | |
| dc.subject | Euleriano | |
| dc.subject | Transporte de sedimentos de fondo | |
| dc.subject.ddc | 620 | |
| dc.subject.dewey | Ingeniería | es_ES |
| dc.subject.ods | 06 Clean water and sanitation | |
| dc.subject.ods | 11 Sustainable cities and communities | |
| dc.subject.odspa | 11 Ciudades y comunidades sostenibles | |
| dc.subject.odspa | 06 Agua limpia y saneamiento | |
| dc.tipo.dtd | Desarrollo experimental o investigación aplicada, para la obtención de un producto nuevo o mejorado | |
| dc.title | Numerical modeling of Mass transport in Turbulent environmental flows | |
| dc.type | tesis doctoral | |
| sipa.codpersvinculados | 3857 | |
| sipa.codpersvinculados | 232571 |