Stem Scale Drag and Canopy Scale Shear Instability in Submerged Vegetation = 침수식생의 줄기 규모의 항력과 캐노피 규모의 전단 불안정성

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Submerged aquatic vegetation significantly influences the surrounding flow filed at both the scale of individual vegetation element and the canopy scale formed by a collective array of stems. These effects also depend on the mechanical properties of the vegetation; flexible and rigid vegetations interact with the flow in fundamentally different ways.
A flexible stem undergoes flow-induced deformation, which reduces its projected area normal to the flow direction and thereby alters the drag force, a key parameter representing hydraulic resistance. The deformation and the flow field interact in a coupled manner, but many previous studies have focused on either vegetation deformation or flow characteristic alone, leaving limitations in the understanding of their combined effects. In this study, fluid-structure interaction (FSI) simulations were conducted to investigate the flow field and drag variation arising from the interaction between flexible vegetation and the surrounding flow. The results show that, within the range of flexibilities considered in this study, increasing flexibility enhances vortex shedding and lateral oscillations of vegetation, which in turn intensify the pressure drop in the wake and lead to an increase in drag. This finding contrasts with the commonly held assumption that flexibility generally reduces drag through reduction of frontal area, and it suggests that flexibility does not necessarily guarantee drag reduction in submerged vegetation.
At the canopy scale, coherent waving motions of vegetations known as monami are often observed, and their mechanism has frequently been attributed to Kelvin-Helmholtz (KH) instability. This study examines whether KH instability actually develops within a rigid vegetation canopy. The canopy flow was compared with flow past multiple vertical plates, a configuration expected to produce KH instability in a mixing layer. The results indicate that the vegetation canopy does not exhibit the coherent vortex structures observed in the plate-flow case, and the dominant frequency of streamwise velocity at the canopy does not match the classical KH instability frequency. Therefore, under the present conditions, KH instability does not occur at the rigid canopy, highlighting the need to verify the presence of KH instability when interpreting the mechanisms underlying monami.

국문 초록 (Abstract)

물에 잠긴 식물은 주변 흐름 특성에 중요한 영향을 미치며, 이러한 영향은 단일 식생 줄기 규모에서 나타나기도 하고, 여러 줄기가 모여 형성된 캐노피 규모에서도 작용한다. 또한 식생의 역학적 특성에 따라 유연한 식생과 단단한 식생이 흐름에 미치는 영향 역시 다르게 나타난다.
유연한 식생 줄기는 흐름에 의해 변형하면서 흐름에 수직인 면적이 감소하고, 이는 수리학적 저항과 직결되는 항력 변화를 유발한다. 그러나 식생 변형과 주변 흐름은 서로 상호작용하며 보다 복잡한 물리적 현상을 일으키는데, 기존 연구의 상당수는 이러한 두 요인 중 하나에만 초점을 두었다는 한계가 있다. 본 연구에서는 유연한 식생과 흐름의 상호작용으로 인해 나타나는 흐름 구조와 항력 변동을 규명하기 위해 유체-구조 상호작용 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과, 본 연구에서 고려한 유연성의 범위에서는 식생의 유연성이 증가할수록 와류 흘림과 식생의 측면 방향 진동이 커짐에 따라 후방 압력이 더 크게 감소하여 항력이 증가하는 것으로 나타났다. 이는 유연한 식생의 변형으로 인해 항력이 감소한다는 기존 연구와 상반된 결과로, 유연한 식생의 항력 특성을 논의할 때 변형이 반드시 항력을 감소시키는 요인으로 작용한다고 단정할 수 없음을 시사한다.
한편, 여러 식생이 모여 형성된 식생 캐노피에서는 개별 줄기들의 일관된 움직임임 모나미 현상이 빈번히 관찰되며, 그 원인이 Kelvin-Helmholtz (KH) 불안정성에 기인한다고 많은 연구에서 언급하였지만, KH 불안정성의 발생 자체에 대해서는 분석된 바가 부족하다. 본 연구에서는 이러한 KH 불안정성의 실제 발생 여부에 초점을 두고, 단단한 식생 캐노피에서 해당 현상이 나타나는지를 조사하였다. 이를 위해 KH 불안정성이 발생하는 것으로 예상되는 여러 수직 판을 지나는 혼합층 흐름과 캐노피를 지나는 흐름을 비교하였다. 분석 결과, 식생 캐노피 흐름에서는 수직 판 흐름에서 관찰되는 일관된 와류 구조가 나타나지 않았으며, 캐노피 흐름에서 혼합층 유동의 주파수 또한 전형적인 KH 불안정성의 주파수와 일치하지 않았다. 따라서 본 연구에서 고려된 조건에서는 식생 캐노피 흐름에서 KH 불안정성이 발생하지 않는 것으로 판단되며, 이는 모나미를 해석할 때 KH 불안정성이 실제로 존재하는지에 대한 검증이 선행되어야 함을 시사한다.

목차 (Table of Contents)

• CHAPTER 1. INTRODUCTION 1
• 1.1 General Introduction 1
• 1.2 Objectives 9
• CHAPTER 2. THEORETICAL BACKGROUNDS 11
• 2.1 Effect of Vegetation’s Flexibility on Fluid Force 11
• 2.2 Shear Instability on Vegetation Canopy 15
• 2.3 Identification of Vortex Structure 19
• CHAPTER 3. METHODOLOGY 21
• 3.1 Governing Equations 21
• 3.1.1 Reynolds-Averaged Navier-Stokes Equations 21
• 3.1.2 Large Eddy Simulation 25
• 3.1.3 Nonlinear Solid Dynamics Equations 30
• 3.1.4 Fluid-Solid Coupling Equations 31
• 3.2 Computational Methods 34
• 3.2.1 General Numerical Model Description 34
• 3.2.2 Computing Equipment 35
• CHAPTER 4. COMPUTATIONAL SETUP 37
• 4.1 Stem Scale Simulations 37
• 4.1.1 Simulation Domain 37
• 4.1.2 Simulation Conditions 39
• 4.2 Canopy Scale Simulations 51
• 4.2.1 Simulation Domain 51
• 4.2.2 Simulation Conditions 60
• CHAPTER 5. RESULTS AND DISCUSSION 62
• 5.1 Drag Force on Flexible Vegetation Stem 62
• 5.2 Canopy Scale Flow Dynamics 71
• CHAPTER 6. CONCLUSION AND FUTURE WORK 84