Modelling and simulation of powder-snow avalanches

Jocelyn Étienne; Marie Rastello; Emil J. Hopfinger

doi:10.1016/j.crme.2006.07.010

Modelling and simulation of powder-snow avalanches
[Modélisation et simulation d'avalanches de neige poudreuse]

Présenté par : Presented by

Jocelyn Étienne ¹ ; Marie Rastello ² ; Emil J. Hopfinger ³

¹ LMC IMAG, BP 53, 38041 Grenoble cedex 9, France
² LMFA-ECL, 36, avenue Guy de Collongue, 69134 Ecully cedex, France
³ LEGI/CNRS, B.P. 53, 38041 Grenoble cedex 9, France

Comptes Rendus. Mécanique, Volume 334 (2006) no. 8-9, pp. 545-554.

Résumé
Abstract

Des courants gravitaires formés par le déversement d'un volume fini de fluide de densité élevée sur des pentes abruptes, représentant des avalanches de neige poudreuse, sont simulées numériquement en utilisant une technique de maillage adaptatif dynamique. Cette technique permet de traiter des nombres de Reynolds élevés et des écoulements à fortes différences de densité mais elle est (actuellement) limitée au cas bidimensionnel. Une comparaison entre résultats numériques et expérimentaux dans la limite de Boussinesq montre que les simulations 2D capturent l'essentiel de la dynamique. La physique des avalanches de neige poudreuse est analysée à l'aide du modèle de similarité développé par Rastello and Hopfinger (2004) et brièvement reproduit ici. Les simulations numériques fournissent les paramètres de fermeture nécessaires à ce modèle et donnent accès à la structure de l'écoulement. L'effet non-Boussinesq est de diminuer substantiellement l'accroissement spatial de la hauteur et d'accroître le rapport d'aspect, donc toute la structure de l'écoulement.

Finite volume release gravity currents of large density contrast on steep slopes, representing powder-snow avalanches, are simulated numerically using a dynamic mesh adaptation technique. This technique allows to treat large Reynolds numbers and large density contrast flows, but it is (presently) restricted to two dimensions. Comparison of numerical results with experiments in the Boussinesq limit shows that 2D simulations capture the essential flow dynamics. The physics of powder-snow avalanches is analysed on hand of the similarity model developed by Rastello and Hopfinger (2004) and briefly reproduced here. The numerical simulations provide the closure parameters required in this model and give access to the flow structure. The non-Boussinesq effect is to decrease substantially the spatial growth in height and to increase the aspect ratio, hence the overall flow structure.

Publié le : 2006-08-01

DOI : 10.1016/j.crme.2006.07.010

Keywords: Computational fluid mechanics, Avalanches, Gravity effects, Modelling, Numerical simulations
Mot clés : Mécanique des fluides numérique, Avalanches, Effets dus à la gravité, Modélisation, Simulations numériques

Affiliations des auteurs :

Jocelyn Étienne ¹ ; Marie Rastello ² ; Emil J. Hopfinger ³

¹ LMC IMAG, BP 53, 38041 Grenoble cedex 9, France
² LMFA-ECL, 36, avenue Guy de Collongue, 69134 Ecully cedex, France
³ LEGI/CNRS, B.P. 53, 38041 Grenoble cedex 9, France

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Jocelyn Étienne; Marie Rastello; Emil J. Hopfinger. Modelling and simulation of powder-snow avalanches. Comptes Rendus. Mécanique, Volume 334 (2006) no. 8-9, pp. 545-554. doi : 10.1016/j.crme.2006.07.010. https://comptes-rendus.academie-sciences.fr/mecanique/articles/10.1016/j.crme.2006.07.010/

Bibliographie
Cité par

[1] E.J. Hopfinger Snow avalanche motion and related phenomena, Annu. Rev. Fluid Mech., Volume 15 (1983), pp. 47-76

[2] K. Hutter Avalanche dynamics (V.P. Singh, ed.), Hydrology of Disasters, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 1996

[3] E. Meiburg; E. Wallner; A. Pagella; A. Riaz; C.J.J. Haertel; F. Necker Vorticity dynamics of dilute two-way-coupled particle-laden mixing layers, J. Fluid Mech., Volume 421 (2000), pp. 185-227

[4] P. Beghin; E.J. Hopfinger; R.E. Britter Gravitational convection from instantaneous sources on inclined boundaries, J. Fluid Mech., Volume 107 (1981), pp. 407-422

[5] M. Rastello; E.J. Hopfinger Sediment-entraining suspension clouds: a model of powder-snow avalanches, J. Fluid Mech., Volume 509 (2004), pp. 181-206

[6] J. Étienne; E.J. Hopfinger; P. Saramito Numerical simulations of high density ratio lock-exchange flows, Phys. Fluids, Volume 17 (2005), p. 036601

[7] C.J.J. Haertel; E. Meiburg; F. Necker Analysis and direct numerical simulation of the flow at a gravity-current head. Part 1. Flow topology and front speed for slip and no-slip boundaries, J. Fluid Mech., Volume 418 (2000), pp. 189-212

[8] V.K. Birman; J.E. Martin; E. Meiburg The non-Boussinesq lock-exchange problem. Part 2: high resolution simulations, J. Fluid Mech., Volume 537 (2005), pp. 125-144

[9] F. Dufour; U. Gruber; W. Ammann Avalanches : études réalisées dans la Vallée de la Sionne en 1999, Les Alpes, Volume 2 (2001), pp. 9-15

[10] P. Sampl; T. Zwinger Avalanche simulation with SAMOS, Ann. Glaciol., Volume 38 (2004), pp. 393-398

[11] R.E. Britter; P.F. Linden The motion of the front of a gravity current travelling down an incline, J. Fluid Mech., Volume 99 (1980), pp. 531-543

[12] H.P. Groebelbauer; T.K. Fanneløp; R.E. Britter The propagation of intrusion fronts of high density ratios, J. Fluid Mech., Volume 250 (1993), pp. 669-687

[13] P.-L. George, Sur la construction de maillages, Congres Français de Mecanique, Troyes, 2005

[14] F. Hecht BAMG: Bidimenisonal Anisotropic Mesh Generator http://www-rocq1.inria.fr/gamma/cdrom/www/bamg/eng1.htm (INRIA, Rocquencourt, France, 1997)

[15] M. Bercovier; O. Pironneau Characteristics and the finite elements method, Tokyo (T. Kawai, ed.), North-Holland (1982), pp. 67-73

[16] J. Étienne, P. Saramito, A priori error estimates of the Lagrange–Galerkin method for Kazhikhov–Smagulov type systems, C. R. Acad. Sci. Paris, Ser. I (2005), in press

[17] P. Saramito; N. Roquet; J. Étienne RHEOLEF, a finite element environment http://www-lmc.imag.fr/lmc-edp/Pierre.Saramito/rheolef (LMC, Grenoble, France, 2003)

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