International Conference on Coastal Engineering” (ICCE) 2014
Die Forschungstätigkeit der DHI-Gruppe wird regelmäßig in Fachzeitschriften und Konferenzbeiträgen veröffentlicht. So nahm DHI-WASY an der International Conference on Coastal Engineering (ICCE) vom 15. bis 20. Juni 2014 in Seoul (Südkorea) teil. Es handelt sich hierbei um die weltweit größte Konferenz zum Thema Küsteningenieurwesen, die alle zwei Jahre stattfindet.
In diesem Jahr präsentierte DHI eine Arbeit zu den Auswirkungen von Abstand und Anordnung von drei Zylindern unter dem Einfluss einer Bore (gebrochene Welle) und einer Welle. Ziel der Studie die in Zusammenarbeit mit Herrn Prof. Oumeraci vom Leichtweiß-Institut für Wasserbau (LWI), Abteilung Hydromechanik und Küsteningenieurwesen erstellt wurde ist, das Verständnis für die Wechsel-wirkungsskräfte zu verbessern, die während eines Tsunami-Ereignisses zwischen großen Hindernissen wie Bäumen und Gebäuden auftreten. Da während eines Tsunami-Ereignisses von einem Brechen der Tsunami-Welle beim Auflaufen auf die Küste auszugehen ist, beschreibt die Welle die hydrodynamischen Verhältnisse während des Fortschreitens des Tsunamis im tiefen Wasser und die Bore beschreibt die hydrodynamischen Verhältnisse während des Fortschreitens des Tsunamis an Land. Letztendlich soll eine verbesserte physikalische Parametrisierung der Rauheit des Geländes unter Einbeziehung von Vegetation und Infrastruktur entwickelt werden, die in tiefengemittelte Flachwassermodelle wie z. B. MIKE 21 implementiert werden kann. Erwartet wird hierdurch eine deutliche Verbesserung der Modellergebnisse für Überflutungsberechnungen sowohl für Tsunami-Ereignisse, als auch für andere, schnell vonstattengehende Überflutungsereignisse, wie z. B. Dammbrüche.
Für die Untersuchungen wurde ein sorgfältig validiertes dreidimensionales CFD-Berechnungsmodell auf Basis von OpenFOAM verwendet (Leschka et al., 2014). Hierfür wurden experimentelle Untersuchungen des Großen Wellenkanals (GWK) des Forschungszentrums Küste in Hannover, des Wellenkanals des LWI und des Harris Hydrauics Laboratory der Universität Washington herangezogen (Strusinska, 2010; Bonakdar et al., 2014; Árnason, 2004).
Vier Anordnungen wurden zunächst untersucht.
Grundanordnungen der Zylinder (a) seitlich, b) Tandem, c) versetzt 1, d) versetzt 2)
Die Anordnung ist durch den hier eingeführten Parameter Anordnungswinkel YB ausgedrückt, der seinen Ursprung im mittleren Zylinder (Zylinder 2) hat. Er spannt den Winkel zwischen der Hauptströmungsrichtung und der Richtung auf, in der der in Uhrzeigersinn nächstliegende Zylinder anzutreffen ist. So hat beispielsweise die seitliche Anordnung einen Anordnungswinkel von YB = 90° und die versetzte Anordnung 1 einen Anordnungswinkel von YB = 45°. Die Tandem-Anordnung weist Anordnungswinkel von sowohl YB = 0° als auch YB = 180° auf.
Zudem wurde der lichte Abstand zwischen den Zylindern in einem Bereich von 0,5 bis 3 Zylinder-Durchmesser (DB) variiert. Insgesamt wurden 32 Konfigurationen untersucht. Hinzu kamen Simulationen, in denen die Kräfte in einem einzelnen, isoliert stehenden Zylinder berechnet wurden, der den Belastungen durch die Bore und die Welle ausgesetzt war. Weiterhin wurden zwei Simulationen ohne Zylinder durchgeführt, die das ungestörte Strömungsfeld von Bore und Welle ergaben. Repräsentative Strömungsgeschwindigkeiten sowie die Kräfte in den drei Zylindern wurden mit Hilfe dieser Simulationen normalisiert.
Normalisierte maximale Geschwindigkeiten in der Umgebung von drei Zylindern in seitlicher Anordnung mit einem lichten Abstand von 0,5 DB (links: Welle, rechts: Bore)
Die grüne Färbung zeigt Geschwindigkeiten an, die weitgehen denen eines ungestörten Geschwindigkeitsfeldes entsprechen. Rote Bereiche kennzeichnen im Vergleich dazu erhöhte und blaue Bereiche reduzierte Geschwindigkeiten. Die schwarzen Linien kennzeichnen die Grenze, in der ein Unterschied von 25 % zum ungestörten Geschwindigkeitsfeld erreicht wird. Die Pfeile kennzeichnen die Fortbewegungsrichtung der Welle bzw. der Bore. Deutlich ist die unterschiedliche Ausprägung des Abschattungsbereiches hinter den Zylindern bei einer Welle und einer Bore zu erkennen.
Die normalisierten maximalen Kräfte in den Zylindern in einem lichten Abstand von 0,5 DB sind hier dargestellt.
Normalisierte maximale Kräfte in drei Zylindern mit einem lichten Abstand von 0,5 D (links: Welle, rechts Bore)
Die x-Achse zeigt den Anordnungswinkel an, repräsentiert also die hier untersuchten Anordnungen, zwischen denen interpoliert wurde. Deutlich zu erkennen ist, dass bei einem Winkel von YB = 90° (seitliche Anordnung), sich die Kräfte in allen drei Zylindern im Vergleich zur Kraft in einem einzelnen isoliert stehenden Zylinder erhöhen (F*(x)max > 1). Ursache hierfür sind die eingangs erwähnten Wechselwirkungskräfte. Sie entstehen, da in einer Gruppe durch die benachbarten Zylinder die Umströmung eines Zylinders behindert wird. Besonders ist davon der mittlere Zylinder (Zylinder 2) betroffen, da die sowohl linksseitige als auch rechtsseitige Umströmung behindert wird. Während die Kräfte in den äußeren Zylindern (Zylinder 1 und 3) sich sowohl im Fall einer Welle als auch einer Bore um ca. 40 % erhöhen, ist die Belastung des mittleren Zylinders (Zylinder 2) verglichen mit denen in einem einzeln stehenden Zylinder im Fall der Bore um 100 % höher, im Fall der Welle um ca. 85 % höher.
Eine ausführliche Beschreibung der Erkenntnisse dieser Studie kann den Veröffentlichungen der ICCE 2014 entnommen werden. Eine Beschreibung ist ab Ende August 2014 auch Online verfügbar.
Bedanken möchten wir uns bei Sven Liebisch (LWI, TU Braunschweig), der uns freundlicherweise ein Foto aus dem ICCE-Vortragssaal zur Verfügung gestellt hat.
Referenzen:
Árnason (2004): Interactions between an Incident Bore and a free standing coastal structure, PhD thesis, University of Washington, USA.
Bonakdar & Oumeraci (2014): Small and large scale experimental investigations of wave loads on a slender pile within closely spaced neighbouring piles, 33rd OMEA, June 8-13 2014, San Francisco, USA.
Leschka, Oumeraci & Larsen (2014): Hydrodynamic Forces on a group of three emerged cylinders by solitary waves and bores: Effect of cylinder arrangement and distances, Journal of Earthquake and Tsunami, 9, in print.
Strusinska (2010): Hydraulic Performance of an impermeable submerged structure for tsunami damping, PhD thesis, TU Braunschweig.