Физика подводного течения океана: создание более прочных и устойчивых пляжей

Сильные штормы вызывают сильные отливы, которые могут очистить пляжи от песка. Предсказывая, как отливы взаимодействуют с береговой линией, исследователи могут строить песчаные дюны и разрабатывать другие мягкие решения для создания более надежных и устойчивых пляжей.

«Формулировка отлива с использованием теории линейных волн», новая статья в журнале Physics of Fluids, проясняет некоторые противоречия в моделировании отлива, поэтому специалисты по планированию могут оценивать угрозы эрозии быстрее и точнее.Авторы статьи — прибрежный инженер Грег Гуаннель из проекта Natural Capital, который ищет более разумные способы интеграции природных ресурсов в процесс развития, и Туба Озкан-Халлер, доцент кафедры прибрежной инженерии в Университете штата Орегон.Исследователи изучали подводное течение более 40 лет и разработали очень точные модели его поведения.

Самые сложные из них основаны на уравнениях Навье-Стокса, которые описывают течение жидкости с мельчайшими подробностями.К сожалению, такая точность имеет свою цену. Математика сложна, и для ее быстрой работы требуются мощные суперкомпьютеры.«Вы не можете использовать их для решения повседневных проблем эрозии», — сказал Гуаннель.

Для реального использования исследователям нужны математические сокращения, инженерные эквиваленты округления чисел, чтобы с ними было легче работать. Исследователи обращаются к теории линейных волн, которая упрощает работу за счет использования идеализированных форм.

Пляжи, например, пристенные. Волнам придают идеальную S-образную форму на основе средних свойств. Вместо того, чтобы моделировать все, исследователи делают предположения о некоторых более слабых силах, действующих на волны.«Мы пытаемся придумать набор уравнений, которые описывают свойства потока за один шаг, а не за сотни шагов, чтобы мы могли решать проблемы быстрее», — сказал Гуаннель.

Несколько исследовательских групп, каждая со своим подходом, построили упрощенные модели, основанные на линейной теории. И каждый придумал свое решение.

Это обеспокоило Гуаннель, которая сказала: «Если вы начнете с одной теории, независимо от того, как вы подойдете к проблеме, вы должны придумать только одно решение, а не множество».Итак, Гуаннель и Озкан-Халлер проследили работу каждой команды. Они обнаружили, что их различия были связаны не с приближением, а с тем, как они справлялись со слабыми силами, создаваемыми волнами. Затем они разработали более последовательные способы описания этих сил.

Самым сильным из них была сила, оказываемая водой, движущейся от вершины волны к основанию.«Большим достижением в нашей статье было правильное описание этой силы», — сказал Гуаннель.

Еще одна слабая сила — это адвекция, которая возникает, когда подводный поток втягивается в больший поток, создаваемый волнами. «В более широком плане адвекция подводного течения слабая. Но здесь она может сыграть важную роль», — пояснил Гуаннель.«Мы обнаружили, что все различия между исследователями были вызваны ошибочной формулировкой или пренебрежением этими слабыми терминами.

Когда мы добавляем их обратно, каждый, кто правильно подсчитывал, приходит к одному и тому же решению», — сказал он.Вместо обсуждения методологии исследователи теперь могут сосредоточиться на повышении точности своих моделей.

По словам Гуаннеля, если они смогут это сделать, они смогут построить более совершенные модели, которые помогут сохранить береговую линию и позволят пляжам быстрее восстанавливаться после штормов.


Портал обо всем