Se hai mai osservato da vicino una duna 3D di sabbia o sedimento all'interno di un fiume o di un'area costiera, ti sei chiesto come si è formato?

Dopo aver notato come la costruzione di dighe alteri significativamente l'idrodinamica dei fiumi naturali e la conseguente evoluzione dell'alveo a valle, un gruppo di ricercatori della Tsinghua University in Cina ha deciso di applicare simulazioni numeriche per aiutare a determinare cosa c'è in gioco nella relazione tra il movimento dei sedimenti e le condizioni di flusso. Riportano i loro risultati in Fisica dei fluidi .

Il lavoro del gruppo è stato ispirato in parte dall'impatto della Diga delle Tre Gole, che è una diga idroelettrica a gravità che attraversa il fiume Yangtze. Dalla sua costruzione nel 2003, 11,7 chilometri (7,2 miglia) di alveo piatto a valle all'interno dell'estuario dello Yangtze sono stati osservati trasformarsi in forme di dune, caratteristiche che si formano a causa del materiale del letto del fiume spostato dal flusso di fluidi.

"Questa evoluzione della morfologia del letto ha minacciato la sicurezza della navigazione e la stabilità delle dighe fluviali, perché il meccanismo di formazione delle dune di sedimenti era sconosciuto, " disse Hongwei Fang, professore all'Università Tsinghua.

I ricercatori si sono proposti di simulare accuratamente il flusso completamente turbolento vicino al letto del fiume e di collegarlo al movimento delle particelle di sedimento.

"Abbiamo utilizzato la tecnologia di simulazione di grandi vortici per ottenere un accurato campo di flusso istantaneo vicino al letto, calcolare le sollecitazioni di taglio agenti sulle particelle di sedimento e, finalmente, simulare l'evoluzione dell'alveo, " disse Fang.

Utilizzando la visualizzazione e l'analisi degli spettri di potenza, i ricercatori sono stati in grado di caratterizzare la formazione delle dune di sedimenti in tre fasi distinte e di mostrare chiaramente il meccanismo responsabile di ciascuna.

"L'interazione tra il flusso vicino al letto e le particelle di sedimento è stata rigorosamente studiata, ma ancora non era esattamente chiaro cosa stesse succedendo, " ha detto Fang. "La suddivisione in tre fasi ci ha aiutato a chiarire questo processo."

"I difetti iniziali che compaiono sul letto all'inizio del processo sono strettamente legati alla velocità istantanea del flusso appena prima che il letto sia destabilizzato, " ha detto. "Abbiamo anche scoperto che i difetti con un'elevata velocità di flusso istantanea vengono lavati via, mentre i difetti a bassa velocità istantanea ricevono depositi di sedimenti e crescono in lunghezza e altezza. E, ulteriore, una zona di scia costante si forma a valle di micro onde di sabbia, dove si accumulano i sedimenti."

Per quanto riguarda le applicazioni, questo lavoro "aiuterà a prevedere l'evoluzione della morfologia dell'alveo - come si forma e cambia - all'interno dei fiumi naturali, " disse Fang. "E consentirà la prevenzione di potenziali pericoli, come il cedimento della sponda del fiume o l'incaglio della nave".

Prossimo, il gruppo esplorerà i meandri del fiume, che rappresenta una seria minaccia per i fiumi con dighe.

"Con il nostro successo nel simulare l'evoluzione degli alvei, siamo fiduciosi di svelare il meccanismo dei meandri fluviali, che è molto importante nella costruzione di dighe fluviali, gestione dei fiumi lacustri e protezione dell'habitat acquatico, " ha detto Fang.