Исследователи лаборатории Kelso Baker Hydraulics моделируют поведение потока

Восемьдесят миллиардов метрических тонн является непостижимым для человеческого мозга. Тем не менее это число представляет собой оценку глобального количества осадка, разрушаемого на ежегодной основе над континентальной поверхностью Земли. По оценкам, 20 миллиардов этих метрических тонн попадают в океанскую воду через реки.

Действие воды и ветра отвечает за это массовое перераспределение материалов, что приводит к значительному загрязнению воды и множеству экологических проблем.

«Это перераспределение материала по поверхности земли влияет на большинство его физических, химических и биологических процессов способами, которые недостаточно понятны и которые чрезвычайно трудно понять», Панос Дидрас, профессор гражданской и экологической инженерии в Virginia Tech , сказал.

Фермеры, знакомые с потоком небольшого ручья по своему имуществу, могут рассказать вам рассказы о том, когда это, казалось бы, невинное тело воды реагирует на тяжелые ливни и становится в два, три или даже в 10 раз обычным. Он может перемещать водопропускные трубы, менять курс и смывать низколежащие районы, прилегающие к ручью, включая гравийные дороги. Сельскохозяйственный сток – огромная проблема в сельском хозяйстве.

Исследователи лаборатории Kelso Baker Hydraulics моделируют поведение потока

Diplas провел часть своей карьеры, изучая речную механику, улучшая понимание процессов эрозии и переноса осадков. Его многочисленные результаты исследований за более чем два десятилетия заработали ему премию Ганса Альберта Эйнштейна в 2012 году, награду за достижения в течение всей жизни. Он также был членом команды, получившей в 2012 году Гильдию премий Карла Эмиля Хильгарда за лучшую работу, и обе премии были получены от Американского общества инженеров-строителей.

В Virginia Tech Дидрас руководит Лабораторией гидравлики Kelso Baker, которая считается лучшим таким объектом в Вирджинии и соседних штатах. Выпускник гражданского строительства Келсо Бейкер из Сеукли, штат Пенсильвания, класс 1951 года, оказал поддержку в создании этой лаборатории, которая позволяет исследователям изучать явления, связанные с движением воды, осадков и загрязняющих веществ через водно-болотные угодья и водные пути. Лаборатория также предоставляет средства для моделирования поведения потока во время наводнений, моделирования экологических аспектов потоков каналов и разработки мер по борьбе с мостовидными фондами и другими структурами.

Уникальность этой университетской лаборатории может предоставить Дидрасу и его коллегам сильное конкурентное преимущество при подаче заявки на финансирование исследовательских проектов. Например, в настоящее время он является следователем по нескольким проектам, в том числе: два гранта по программам национального совместного научно-исследовательского проекта (600 000 и 500 000 долл. США соответственно); две премии Национального научного фонда (380 000 долл. США и 74 000 долл. США соответственно); исследование программы исследовательского инструментария Университета обороны за 210 000 долларов; проект исследовательского бюро армии в 247 000 долларов; и исследование, проведенное компанией Virginia Uranium Inc. стоимостью 258 000 долларов США. Эти проекты поддерживают работу по прокладке мостового фундамента, проектированию внутритрубных сооружений, перемещению загрязняющих веществ через речную систему, роли турбулентного потока при движении частиц и снятию с эксплуатации.

Почему так много разных типов грантов? Как объяснил Диллас, воздействие потока в таких областях, как ручьи, реки, поймы и в окрестностях инфраструктуры, такие как пересечения мостов, имеет широкомасштабные последствия. Он может «воздействовать на гидросферу, почву (внешний слой земли, состоящий из почвы), биосферу и атмосферу глубокими путями», – сказал он.

Обзор опыта диплома, который получил его премию Эйнштейна, можно найти в главе книги, которую он написал с Клинтоном Данси, преподавателем и сотрудником отдела машиностроения. В книге «Структуры когерентного потока на поверхности Земли», которая будет опубликована в 2013 году, содержится их глава «Инициирование движения, транспорта осадков и морфологических отзывов в реках».

В ней они писали: «Определение минимальной или критической силы, необходимой для выведения частицы из кармана, возможно, является одной из самых фундаментальных и элементарных проблем в механике, независимо от типа движения. Когда дело доходит до сил, вызванных потоком, определение этого критического состояния несколько лет смешало ученых и инженеров.

«Главным виновником этой проблемы является флуктуирующая природа применяемых гидродинамических сил из-за турбулентности потока, в то время как сопротивление движению частиц остается неизменным».

Дидрас указал на «характеристики когерентной структуры потока, обычно встречающиеся в турбулентных потоках, которые доминируют в природных явлениях» и как они влияют на увлечение частиц в воде. Он считает, что отклонение частиц в водных путях связано не только с силой. Длительность применяемых гидродинамических сил «актуальна для прогнозирования удаления зерна с поверхности канала», – писал он в своей книге.

Кроме того, в статье, в которой он получил премию Хильгарда, Дидрас утверждал, что «поток и турбулентность больше зависят от плотности растительности», чем другими факторами.

Растительность в водных средах “”значительно изменяет турбулентный поток в потоках, реках и поймах. Дополнительное сопротивление, оказываемое растениями, в значительной степени влияет на … перенос осадков и растворенных веществ, сказал Дидрас. Это исследование уже было обосновано.

Новый вклад Дидрасса в этой области исследования является результатом его широкомасштабных симуляционных исследований турбулентного потока. Он смог показать через анализ, что поток и турбулентность больше зависят от плотности растительности, чем от числа Рейнольдса на основе цилиндра. В механике жидкости число Рейнольдса используется для характеристики различных режимов потока. Когда силы, устойчивые к изменениям, доминируют в турбулентном потоке, вероятно, создадут вихри, вихри и другие неустойчивости потока.

Работа Дидраса в этой области была поддержана Национальным научным фондом и в конечном итоге привела к публикации в выпуске «Наука в 2008 году» «Анализ импульсных событий, связанных с увлечением крупными частицами». Несколько публикаций опубликованы в статье «Наука» и еще несколько в настоящее время находятся в печати. В главе книги содержится краткий обзор этой работы. Менее техническая дискуссия появится в выпуске «Ежегодника науки и технологий» McGraw-Hill в 2014 году.

«Ваша недавняя работа, опубликованная в Science, является одним из самых важных вкладов в литературу по улавливанию осадков с момента новаторской работы A.J. Трава в начале 1970-х годов », – писали редакторы книги« Когерентные поточные структуры на поверхности Земли »в своем письме, в котором Диллас внес вклад в книгу. Эта книга является частью серии, опубликованной каждые 15 лет, в которой излагаются важнейшие события в речной механике и связанных с ней явлениях.”