Experimental characterization of liquid-liquid stratified flow interacting with vertical emergent cylinders

Density currents are mainly horizontal flows that are driven by density differences between contacting flows, which may result from temperature gradients, suspended solid particles or dissolved substances. These currents play an important role in nature and industry as they can have a negative environmental impact through global ocean circulation, oil spills, climate variations through water formation and the redistribution of ocean or river water. They have been widely studied since the 20th century, but despite the data acquired and the experiments carried out to date, there is still much research to be done on understanding the dynamics of density currents and their environmental impact. The present work is part of the WinTherface project that addresses the study of wind and temperature-driven mass exchange at wetland lake interfaces and its impacts on water quality through a multidisciplinary approach integrating, field, laboratory, and numerical work. The aim of the present work is to experimentally investigate how different initial current densities and the presence of vegetation interfere with the propagation and mass exchange between the current and the ambient fluid, as well as the turbulence mechanisms around a set of cylinders present in the channel. The laboratorial tests were carried out in a channel containing a set of cylinders intended to simulate rigid vegetation. The lock exchange technique was used to generate the density currents with a reduced gravity of 0.09 m/2 and 0.36 m/2. During the laboratory work several tests were carried out using the Particle Image Velocimetry (PIV) measuring technique and the image analysis technique. First the PIV system was used to measure the two-dimensional instantaneous velocity fields in two planes, these being called the side view and plan view which were situated near the cylinder array. After the PIV tests, the image analysis technique was used to mainly evaluate the mass distribution of the current. This technique consists of using a concentration of dye (Rhodamine) in the flow, allowing the understanding of the current dynamics, being able to analyse the temporal evolution of the current front, and the density, its height along the channel, as well as the entrainment evolution. It is concluded that some parameters of the current such as the height, the position of the front and the entrainment suffer a change due to the interaction with the cylinders. With the results obtained by the PIV it was observed that the interaction of the current with the set of cylinders induces a strong vertical component in the flow becoming three-dimensional. This interaction creates in the flow a set of turbulent structures dominated by a large circulation area that is evident in the approximation area of the cylinders and increases the complexity of the turbulence mechanisms in the current.As correntes de densidade são escoamentos principalmente horizontais que são impulsionados por diferenças de densidade entre escoamentos de contacto, que podem resultar de gradientes de temperatura, partículas sólidas em suspensão ou substâncias dissolvidas. Estas correntes desempenham um papel importante na natureza e na indústria, uma vez que podem ter um impacto ambiental negativo através da circulação oceânica global, derramamento de petróleo, variações climáticas através da formação de água e da redistribuição da água do oceano ou dos rios. Têm sido amplamente estudadas desde o século XX, mas apesar dos dados adquiridos e das experiências feitas até hoje, há ainda muito a pesquisar sobre a compreensão da dinâmica das correntes de densidade e o seu impacto ambiental. O presente trabalho está inserido no âmbito do projeto WinTherface que aborda o estudo da troca de massas impulsionada pelo vento e pela temperatura em interfaces de lagoas húmidas e os seus impactos na qualidade da água através de uma abordagem multidisciplinar, que integra trabalho de campo, de laboratório e numérico. O objetivo do presente trabalho é investigar experimentalmente como as diferentes densidades iniciais de corrente e a presença de vegetação interferem na propagação e troca de massa entre a corrente e o fluido ambiente, bem como os mecanismos de turbulência em torno de um conjunto de cilindros presentes no canal. Os testes laboratoriais foram realizados num canal que continha um conjunto de cilindros que pretendiam simular a vegetação rígida. Foi utilizada a técnica de lock exchange para gerar as correntes de densidade com uma gravidade reduzida de 0.09 m/2 e 0.36 m/2. Durante o trabalho laboratorial foram realizados vários testes utilizando a técnica de medição de Particle Image Velocimetry (PIV) e a técnica de análise de imagem. Primeiro foi utilizado o sistema PIV para medir o campo bidimensional de velocidade instantânea em dois planos, sendo eles o plano horizontal e o vertical, que estavam situados perto do conjunto de cilindros. Após os testes de PIV, foi utilizada a técnica de análise de imagem para avaliar principalmente a distribuição da massa da corrente. Esta técnica consiste em utilizar uma concentração de corante (Rodamina) no fluxo, permitindo a compreensão da dinâmica da corrente, podendo analisar a evolução temporal da frente da corrente e da densidade, a sua altura ao longo do canal, bem como a evolução do entrainment. Conclui-se que alguns parâmetros da corrente tais como a altura, a posição da frente e o entrainment sofrem uma alteração devido à interação com os cilindros. Com os resultados obtidos pelo PIV observou-se que a interação da corrente com o conjunto de cilindros induz uma forte componente vertical no escoamento passando a ser tridimensional. Esta interação cria no escoamento um conjunto de estruturas turbulentas dominadas por uma grande circulação que são evidentes na zona de aproximação aos cilindros e aumentam a complexidade dos mecanismos de turbulência na corrente