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Application of Numerical Transient Fluid Dynamics to Snow Avalanche Flow. Part I. Development of Computer Program Avalnch

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

T. E. Lang
Affiliation:
Department of Civil Engineering and Engineering Mechanics, College of Engineering, Montana State University, Bozeman, Montana 59715, U.S.A.
K. L. Dawson
Affiliation:
Department of Civil Engineering and Engineering Mechanics, College of Engineering, Montana State University, Bozeman, Montana 59715, U.S.A.
M. Martinelli Jr
Affiliation:
Rocky Mountain Forest and Range Experiment Station, 240 West Prospect Street, Fort Collins, Colorado 80521, U.S.A.
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

A two-dimensional, transient fluid-dynamics computer code has been modified for specific application to the avalanche-runout problem. This code, called AVALNCH, permits the separation of path geometry effects from such flow factors as friction and viscosity. The longitudinal profile of the avalanche path is divided into cells, 10 to 20 m long, each of which can be assigned specific values for slope gradient, surface friction, and internal kinematic viscosity. The program gives average avalanche speed cell-by-cell down the path and the location and depth of avalanche debris. Internal kinematic viscosity and surface friction were modeled on an avalanche path of simple geometry and were found to be of about equal significance in predicting runout distance. Additionally, surface friction is represented by an exponentially increasing function as speed decreases in the runout zone, in order to model observed avalanche terminal-motion characteristics. Program AVALNCH is reduced to a basic algorithm that is efficient to run, and contains the essential mechanics to model avalanche flow accurately. The most pressing need is for more physical data to permit the matching of program output to observed results under a variety of conditions.

Résumé

Résumé

On a modifié un programme informatique bi-dimensionnel pour 1’écoulement dynamique à surface libre d’un fluide, en vue de l’adapter au problème du parcours des avalanches. Ce programme, appelé AVALNCH, permet de séparer les effets de la géométrie du couloir et ceux de facteurs d’écoulement comme le frottement et la viscosité. Le profil longitudinal du couloir est divisé en cellules de 10 à 20 m de long, à chacune d’elle étant assignées des valeurs particulières pour la pente, le frottement superficiel et la viscosité cinématique interne. Le programme donne la vitesse moyenne de l’avalanche, cellule par cellule le long du couloir, l’emplacement et l’épaisseur du culot de l’avalanche. Les coefficients internes de viscosité cinématique et de frottement superficiel ont été essayés sur un couloir de géométrie simple et on a trouvé qu’ils étaient d’à peu près la même importance pour la prévision des distances d’arrêt. De surcroît, le frottement doit être représenté par une fonction qui croît exponentiellement quand la vitesse décroît dans la zone de dépôt, en vue de reproduire les caractéristiques du mouvement terminal de l’ avalanche. Le programme AVALNCH se réduit à un algorithme de base qui est efficace pour le mouvement et contient les mécanismes essentiels pour simuler l’écoulement des avalanches avec précision. Le besoin le plus urgent est de disposer de plus de données physiques pour permettre un calage du programme sur les résultats réellement observés dans des conditions variées.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Entwicklung des Rechenprogramms AVALNCH. Ein Rechenprogramm für die zweidimensionale Dynamik nichtstationärer Strömungen wurde für die spezielle Anwendung auf das Problem des Lawinenabgangs eingerichtet. Dieses AVALNCH genannte Programm gestattet die Trennung der Einflüsse Bahngeometrie von Fliessparametern wie Reibung und Viskosität. Das Längsprofil der Lawinenbahn wird in Abschnitte von 10 bis 20 m Länge unterteilt, deren jedem spezielle Werte für Hangneigung, Oberflächenreibung und innere kinematische Viskosität zugeordnet werden können. Das Programm liefert abschnittsweise die mittlere Lawinengeschwindigkeit längs der Bahn sowie Lage und Mächtigkeit des Lawinenmaterials. Die innere kinematische Viskosität und die Oberflächenreibung wurden einer Lawinenbahn mit einfacher Geometrie angepasst; sie erwiesen sich als etwa gleich bedeutungsvoll für die Berechnung der Reichweite. Zusätzlich wird die Oberflächenreibung durch eine Exponentialfunktion erfasst, die mit abnehmender Geschwindigkeit im Endbereich der Lawine zunimmt, um den beobachteten Merkmalen der Bewegung im Endbereich gerecht zu werden. Das AVALNCH-Programm wird auf einen Grundalgorithmus reduziert, der den Ablauf erfasst und die wesentlichen Mechanismen zur genauen Beschreibung des Lawinenabgangs enthält. Es besteht dringender Bedarf nach weiteren physikalischen Daten, um die Rechenergebnisse mit beobachteten Werten unter verschiedenen Bedingungen vergleichen zu können.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1979
Figure 0

Fig. 1.Longitudinal profile of Ironton Park aualanche path.

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Fig. 2.Effect of friction on boundary flow.

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Fig. 3.Avalanche travel-distance for the Ironton Park avalanche as a function if initial slab height, with viscosity and friction cofficients held constant.

Figure 3

Table I.Computed runout for the ironton park avalanche obtained for different values of viscosity and Surface-Friction Coefficients