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Numerische Simulation des Verhaltens von Feststoffen in Flußstauräumen


Project Details
Project duration: 19921999


Abstract
In Oberflächengewässern werden als Teil des Abflußprozesses Feststoffe transportiert. Die Transportvorgänge selbst sind unterschieden in Geschiebetransport an der Sohle und Schwebstofftransport in der fließenden Welle. Eine eindeutige Zuordnung dieser interaktiven Transportphänomene ist nicht möglich. In den letzten Jahren treten neben den klassischen ingenieurmäßigen Fragestellungen auch ökologisch-morphologische Aspekte in den Vordergrund. Die zunehmende Bedeutung flußmorphologischer Fragestellungen, u.a. im Kontext mit dem naturnahen Gewässerausbau bzw. der Gewässerrenaturierung lassen einen Bedarf an verbesserten und prognosefähigen Feststofftransportberechnungsmethoden erkennen.
In einem ersten Arbeitsschritt wurde der derzeitige Stand der Feststofftransportmodellierung zusammengetragen. Eine Zusammenstellung interessierender Transportphänomene und der zugrundeliegenden physikalischen Prozesse war Voraussetzung für die Auswahl eines geeigneten leistungsfähigen zweidimensionalen numerischen Strömungsmodells. Das gewählte Modell zeichnet sich durch eine verbesserte Turbulenz- und Sohlschubspannungsmodellierung aus. Konturangepaßte Gitter und Auswertung der maßgebenden Gleichungen in einer tiefengemittelten Finite Volumen-Formulierung erlauben eine flexible Anpassung des numerischen Verfahrens auf naturnahe Gerinneströmungen und die damit einhergehenden Transportprozesse. Aufbauend auf diesem hydrodynamischen Modell wurde begonnen Feststofftransportprozesse und die daraus resultierenden morphologischen Veränderungen in einem zusätzlichen Modul zu erfassen.
Derzeit sind im entwickelten Feststoffmodul zwei empirische Feststofftransportansätze implementiert, die jeweils für ein bestimmtes Korngrößenspektrum Gültigkeit besitzen, so daß eine sehr weitreichende Anwendbarkeit bezüglich der Kornzusammensetzung gewährleistet ist. Damit ist das Modell bei sehr heterogenen Substratverhältnissen einsetzbar. Die Berücksichtigung klassierten Transports erlaubt bereits jetzt Klassierungseffekte an der Sohle abzu-bilden und Rückwirkungen auf den Transport selbst zu modellieren. Zur Zeit wird die Schwebstoff-Geschiebe-Interaktion durch vereinfachte Ansätze erfaßt, die Auswertung in der Sedimentkontinuitätsgleichung stellt aber bereits jetzt eine konsistente Berücksichtigung der morphologischen Auswirkungen sicher. Die Kopplung der Geometrie mit dem Strömungsfeld erfolgt über die lokale Wassertiefe - in einem predictor-corrector-Algorithmus werden die Gleichung entkoppelt gelöst. Dabei ist beim derzeitigen Bearbeitungsstand zunächst noch ein identischer Zeitschritt zugrunde gelegt. Überlegungen zur Entkopplung bzw. Verbesserung der numerischen Stabilität bei größeren Zeitschritten müssen noch angestellt werden.
In der Fortsetzung des Arbeitsprogramms wird das numerische Verfahren selbst, die verbesserte Berücksichtigung der Entwicklung der Sohlgeometrie und der Sekundärströmungseinfluß im Vordergrund stehen.

Last updated on 2017-11-07 at 14:09