Гравитационные течения, обусловленные частицами

Теоретически и экспериментально исследуются гравитационные течения, возникающие при выпуске фиксированного объёма суспензии в более лёгкую окружающую жидкость. Повышенная плотность течения и обусловливающая его движение сила плавучести возникают главным образом благодаря плотным частицам, взвешенным в интерстициальной жидкости течения. Предполагается, что динамика течения определяется балансом инерционных сил и сил плавучести, тогда как вязкими силами можно пренебречь. Рассматриваемые течения являются двумерными и распространяются по жёсткой горизонтальной поверхности. Течение моделируется либо однослойными, либо двухслойными уравнениями мелкой воды; двухслойные уравнения необходимы для учёта влияния вышележащей жидкости, которое существенно, когда глубина течения сопоставима с глубиной вышележащей жидкости. Поскольку локальная плотность гравитационного течения зависит от концентрации частиц, вклад плавучести в баланс импульса зависит от изменения концентрации частиц. Уравнение переноса концентрации частиц выводится в предположении, что частицы равномерно перемешаны по вертикали турбулентностью в потоке, переносятся средним течением и оседают через вязкий подслой у дна течения. Граничное условие на движущемся фронте течения связывает скорость и напор в этой точке. Полученные уравнения решаются численно; результаты показывают, что в течении могут возникать два типа ударных волн. На поздних стадиях всех гравитационных течений, обусловленных частицами, развивается внутренний бор, отделяющий свободную от частиц струеподобную область в тыловой части от плотного гравитационного течения вблизи фронта. Второй тип бора возникает, если начальная высота течения сопоставима с глубиной окружающей жидкости. Этот бор развивается на ранней стадии течения при обмене слоями между двумя жидкостями и существенно изменяет структуру течения и перенос им частиц по сравнению с течением...