Abstract Quantification of the bed shear stress in the swash zone is subject to much uncertainty due to the very shallow water, complex flow structure and the strong unsteadiness in this zone. This study presents a RANS modeling of experimental dam-break flow generated swash processes, giving numerical reproduction of vertical flow structure of swash flows and thus an opportunity to study the magnitude and features of the bed shear stress. Firstly, numerical solutions (i.e., temporal or spatial variation of the depth-averaged velocity and water surface elevation, the time variations of the swash front, the vorticity structure and the boundary layer thickness) are compared with existing laboratory data and the previous knowledges on swash hydrodynamics. Secondly, using the computed vertical flow structure as input data, performances of four methods (the Reynolds stress method, and the three variants of the log-law method: the depth-averaged variant, the one-position variant, the two-position variant) for estimating the bed shear stress are evaluated. It is shown that the Reynolds stress method produces non-zero bed shear stress during the reversal time, during which the swash flows may be partly stagnant. Among the three variants of the log-law method, the depth-averaged method appears to agree with the measured data much better than the other two variants: those by the two-point log-law method is very sensitive to the selected near-bed positions, and those by the empirical value variant may underestimate (overestimate) the bed shear stress in the early uprush stage (in the initial stage of the backwash).

中文翻译：

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实验斜流的 RANS 数值研究及其床层剪应力估计

摘要 由于该区水很浅，流动结构复杂，且具有很强的不稳定性，所以该区床层剪应力的量化具有很大的不确定性。本研究提出了实验性溃坝流产生的斜流过程的 RANS 模型，给出了斜流垂直流结构的数值再现，从而有机会研究床层剪应力的大小和特征。首先，将数值解（即深度平均速度和水面高程的时间或空间变化、斜锋的时间变化、涡度结构和边界层厚度）与现有的实验室数据和先前的知识进行比较。冲刷流体动力学。其次，使用计算出的垂直流结构作为输入数据，评估了用于估计床层剪应力的四种方法（雷诺应力方法和对数法方法的三种变体：深度平均变体、一位置变体、二位置变体）的性能。结果表明，雷诺应力法在反转时间产生非零床剪切应力，在此期间斜流可能部分停滞。在 log-law 方法的三个变体中，深度平均法似乎比其他两个变体更符合测量数据：两点对数法方法对选定的近床非常敏感位置，而那些根据经验值变量可能会低估（高估）早期上冲阶段（反冲洗的初始阶段）的床剪应力。以及对数定律方法的三种变体：深度平均变体、一位置变体、二位置变体）用于估计床层剪应力。结果表明，雷诺应力法在反转时间产生非零床剪切应力，在此期间斜流可能部分停滞。在 log-law 方法的三个变体中，深度平均方法似乎比其他两个变体更符合测量数据：两点对数法方法对选定的近床非常敏感位置，而那些根据经验值变量可能会低估（高估）早期上冲阶段（反冲洗的初始阶段）的床剪应力。以及对数定律方法的三种变体：深度平均变体、一位置变体、二位置变体）用于估计床层剪应力。结果表明，雷诺应力法在反转时间产生非零床剪切应力，在此期间斜流可能部分停滞。在 log-law 方法的三个变体中，深度平均方法似乎比其他两个变体更符合测量数据：两点对数法方法对选定的近床非常敏感位置，而那些根据经验值变量可能会低估（高估）早期上冲阶段（反冲洗的初始阶段）的床剪应力。评估床剪切应力的两个位置变量）。结果表明，雷诺应力法在反转时间产生非零床剪切应力，在此期间斜流可能部分停滞。在 log-law 方法的三个变体中，深度平均方法似乎比其他两个变体更符合测量数据：两点对数法方法对选定的近床非常敏感位置，而那些根据经验值变量可能会低估（高估）早期上冲阶段（反冲洗的初始阶段）的床剪应力。评估床剪切应力的两个位置变量）。结果表明，雷诺应力法在反转时间产生非零床剪切应力，在此期间斜流可能部分停滞。在 log-law 方法的三个变体中，深度平均方法似乎比其他两个变体更符合测量数据：两点对数法方法对选定的近床非常敏感位置，而那些根据经验值变量可能会低估（高估）早期上冲阶段（反冲洗的初始阶段）的床剪应力。