A Model Study of Powder-Snow Avalanches

Abstract

A powder-snow avalanche is a particular type of turbulent gravity current which it is proposed to treat using methods developed in contexts where the Boussinesq approximation is valid. Hence, it is assumed that the air entrainment rate E primarily depends on the internal Froude number (Tochon-Danguy and Hopfinger, [1975]) and that the large density variation in an avalanche reduces only the drag resulting from the air entrainment. In order for this drag to dominate over the wall stress it is necessary that the slope angle be greater than a certain minimum value which depends on the density ratio of the flow. For a low-density flow, for example, a minimum slope angle of about 5° is necessary. The more unusual aspect is that an avalanche may also entrain snow along its path which increases its mass and can produce in certain cases an accelerating flow. This aspect is included in the theoretical treatment. Experiments have been carried out in an inclined water channel using brine as dense fluid. Visual observations as well as measurements of the velocity and density profiles have been made. Various states of flow are proposed depending on whether the avalanche is “long" (having the structure of a usual gravity current) or “short" (having the structure of a thermal) or whether snow is entrained. The practical consequences which can be drawn from these results are discussed, in particular in the context of the design of defence structures, and flow visualizations of a gravity current impinging on an obstacle give an idea of the protected region. Une étude modèle des avalanches de neige poudreuse. Une avalanche de neige poudreuse est un type de courant de gravité turbulent et il est proposé de l’aborder en utilisant les méthodes développées dans le contexte des écoulements permettant l’approximation de Boussinesq. De ce fait, il est supposé que le taux d’entraînement d’air E dépend principalement du nombre de Froude densimérique (Tochon-Danguy et Hopfinger, [1975]) et que la forte variation de densité dans une avalanche a comme effet de réduire la trainée dûe à cet entrainement. Pour que la trainée d’entrainement d’air domine sur le frottement au sol, il est nécessaire que l’angle de la pente du terrain soit supérieure à une certaine valeur critique qui est fonction du rapport des densités. Pour une situation de faible densité, par exemple, une pente de 5° est nécessaire L’aspect le plus inhabituel est qu’une avalanche peut également entraîner de la neige qui augmente sa masse et peut avoir pour effet un écoulement qui s’accélère d’une manière continue. Le traitement théorique présenté ici tient compte de cet entraînement. Les expériences ont été effectuées dans un canal incliné utilisant de l’eau salée au-dessous de l’eau douce. Des observations visuelles ainsi que des mesures des profils de vitesse et de densité ont été faites. Plusieurs états de mouvement sous proposés. Ainsi l’avalanche peut être “longue" (ayant la structure d’un courant de gravité habituel) ou “courte" (ayant la structure d’une bouffée flottante) ou régie par l’entraînement de neige. Les conséquences pratiques qu’on peut tirer de ces résultats sont discutées, notamment dans le contexte des ouvrages de protection passive et des observations visuelles d’un courant de gravité frappant un obstacle donnent une idée de la zone protégée. Eine Modellstudie für Pulverschnee-Lawinen. Eine Pulverschnee-Lawine ist ein besonderer Typ eines turbulenten Schwerkraftstromes. Es wird deshalb vorgeschlagen, sie nach Methoden zu behandeln die für Vorgänge entwickelt wurden, wo die Boussinesq-Näherung gültig ist. Folglich wird angenommen, dass die Luftaufnahmerate E vor allem von der inneren Froude-Zahl abhängt (Tochon-Danguy and Hopfinger, [1975]) und dass die grosse Dichteschwankung in einer Lawine nur die Bremsung infolge des Luftgchaltes reduziert. Für ein Überwiegen dieser Bremsung über den Druck an den Uferwänden ist es notwendig, class die Hangneigung einen gewissen Mindestbetrag überschreitet, der vom Dichteverhältnis des Stromes abhängt. Bei geringer Stromdichte ist zum Beispiel eine Mindesthangneigung von etwa 5° erforderlich. Ungewohnter ist der Gesichtspunkt, dass eine Lawine entlang ihrer Bahn auch Schnee aufnimmt, wodurch ihre Masse vergrössert und in bestimmten Fällen ein beschleunigter Fluss erzeugt wird. Dieser Geszichtspunkt ist im theoretischen Ansatz berücksichtigt. Versuche wurden in einem geneigten Wassergerinne mit Salzlauge als dichter Flüssigkeit durchgeführt. Es wurden visuelle Beobachtungen wie auch Messungen der Geschwindigkeit und der Dichteprofile vorgenommen. In Abhängigkeit davon, ob die Lawine “lang" (mit einer Struktur wie ein gewöhnlicher Schwerkraftstrom) oder “kurz" (mit einer Struktur wie ein Wärmestrom) ist oder ob Schnee aufgenommen wird, lassen sich verschiedene Fliesszustände annehmen. Die praktischen Folgen dieser Ergebnisse werden erörtert, insbesondere im Hinblick auf Lawinenverbauungen, und Fliessvorstellungen über einen Schwerkraftstrom, der an ein Hindernis anprallt, geben Anhaltspunkte über das geschütze Gebiet.