Strömungsphänomene in Standgewässern

Transkript

1 Strömungsphänomene in Standgewässern Von der Fakultät für Bauingenieurwesen der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften genehmigte Dissertation vorgelegt von Katja Rettemeier aus Bremen Berichter: Universitätsprofessor Dr.-Ing. Jürgen Köngeter Privatdozent Dr.-Ing. Christian Forkel Professor Dr.-Ing. Werner Zielke Tag der mündlichen Prüfung: 23. Januar 2004 Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfügbar.

2

3 i Vorwort Die vorliegende Arbeit untersucht das turbulente Strömungsverhalten in kleinen Standgewässern. Sie entstand während meiner Tätigkeit als Wissenschaftliche Mitarbeiterin am Lehrstuhl und Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft der RWTH Aachen in den Jahren 1999 bis Für das Gelingen dieser Arbeit möchte ich all denen danken, die mich in dieser Zeit unterstützt haben. Herrn Universitätsprofessor Dr.-Ing. Jürgen Köngeter danke ich für die Übernahme des Hauptreferates. Seine großzügige Unterstützung und jederzeitige Diskussionsbereitschaft während meiner Forschungsarbeiten haben mich immer bestärkt. Für die wertvolle fachlichen Unterstützung sowie die Übernahme des Koreferates danke ich Herrn Privatdozent Dr.-Ing. Christian Forkel. Die intensiven fachlichen Diskussionen mit ihm haben mich in schwierigen Phasen motiviert. Ebenso danke ich Herrn Professor Dr.-Ing. Werner Zielke für die Übernahme des Koreferates, seine fachlichen Anregungen und sein Interesse an meiner Arbeit. Weiterer Dank gilt meinen Kollegen und studentischen Hilfskräften, die durch ihre aktive Unterstützung zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen haben. Aachen, im Februar 2004 Katja Rettemeier

4

5 iii Kurzfassung Die Modellierung der Strömung in kleinen Standgewässern gewinnt in der Bundesrepublik Deutschland im Rahmen der Gewässergütesimulation von Flusseinzugsgebieten zunehmend an Bedeutung. Die Grundlage für die Beschreibung der physikalischen Prozesse in Standgewässern bildet die Zuordnung der turbulenten Eigenschaften im Vergleich mit den theoretischen Grundlagen der Strömungsmechanik. Die Anwendung der Wavelettransformation zeigen hier, dass für eine umfassende Charakterisierung der turbulenten Strömung die statistische Analyse um die Betrachtung kohärenter Strukturen erweitert werden muss. Die Verifikation der LES-Methode am Beispiel technischer Strömungen sowie die Validierung auf der Basis von Naturmessungen stellen hierbei die erforderlichen Voraussetzungen für die Anwendung dar. Die erfolgreiche Verifikation wird anhand der Untersuchungen der turbulenten Plattenströmung und windinduzierten Kanalströmung dokumentiert. Die Modellvalidierung im Vergleich zu Naturmessungen in der Dreilägerbachtalsperre zeigt eine sehr gute Übereinstimmung in der Charakteristik der Strömungsprofile und unterstreicht damit die besondere Eignung der LES-Methode zur Erfassung der physikalischen Phänomene in Standgewässern. Mit der Analyse turbulenter Strukturen wird die Komplexität der Strömung in kleinen Standgewässern und die Bedeutung der Turbulenz für die auftretenden Strömungsphänomene deutlich. Die Charakterisierung der Strömung führt zu einer Identifikation unterschiedlicher Strömungsbereiche, die, in Ergänzung zu den Aussagen über die mittleren Strömungsgrößen erhebliche Unterschiede in den turbulenten Strukturen aufweisen. Mit Hilfe der Wavelettransformation in Verbindung mit einem Large-Eddy-Simulationsmodell ist es im Rahmen dieser Arbeit erstmals gelungen, diese Strömungseigen-

6 iv schaften für kleine Standgewässer zu identifizieren und ihre Bedeutung zu beurteilen. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass das verwendete numerische Modell PASTIS-3D sehr gut für die Untersuchung charakteristischer Strömungsphänomene in kleinen Standgewässern geeignet ist. Auf dieser Grundlage kann zukünftig die Ableitung vereinfachter Ansätze der Modellierung erfolgen, die, die unterschiedlichen charakteristischen Strömungsphänomene und genannten turbulenten Eigenschaften der Strömung erfassen.

7 v Abstract In the context of water quality modelling of catchment areas there is an increasing interest in flow simulation of small lakes and reservoirs in Germany. The physical processes in small lakes and reservoirs are described on the basis of the classification of turbulent characteristics in the context of the theory of fluid mechanics. Here, the use of Wavelet Transform proves that the statistical analysis of turbulence must be extended to coherent structures. The verification of the LES-method with technical flow models as well as validation on the basis of nature measurements represent the necessary condition for application. The successful verification is documented investigating turbulent channel flow and wind-induced channel flow. The model validation compared with nature measurements in the Dreilägerbach reservoir shows a very good agreement in the characteristic of the current profiles. This underlines the special suitability of the LES method for the specification of flow phenomena in lakes and reservoirs. The analysis of turbulent structures proves the complexity of the flow in lakes and reservoirs. Thereby the relevance of turbulence for the present flow phenomena becomes clear. The characterization of the flow leads to an identification of different flow regimes. These regimes show considerable differences in the turbulence statistics in addition to the mean flow characteristics. The application of the Wavelet Transform in connection with a Large Eddy Simulation model allows for the first time the identification and assessment of turbulent flow characteristics in small lakes and reservoirs.

8 vi To summarize, this work shows that the numeric model PASTIS-3D applied is very well suited for the investigation of characteristic flow phenomena in small lakes and reservoirs. On this basis it is possible to derive simplified models in the future, which cover the different characteristic flow phenomena and turbulent properties in small lakes and reservoirs.

9 You are reading a preview. Would you like to access the full-text? Access full-text

10 LITERATURVERZEICHNIS 159 KRAICHNAN, R.H. (1967): Inertial Ranges in Two-Dimensional Turbulence, in: Phys. Fluids, 10, pp KRAVCHENKO, A.G.; MOIN, P.; MOSER, R.D. (1996): Zonal Embedded Grids for Numerical Simulations of Wall-Bounded Turbulent Flows, in: Journal of Computational Physics, Vol. 127, pp , ISSN LE RIBAULT, C. (1999): Large Eddy Simulation of a Plane Jet, in: Physics of Fluids, Vol. 11, No. 10, pp , ISSN LEMMIN, U.; D ADAMO, N. (1996): Summertime Winds and Direct Cyclonic Circulatoion: Observations from Lake Geneva, in: Annales Geophysicae, Vol. 14, No. 11, pp , ISSN LEMMIN, U.; JIANG, R. (1996): Vertical Velocity Structure and Eddy Scale Distribution in the Water Column of the Stratified Lake of Geneva, in: Rapport Annuel, Lausanne: Laboratoire de Recherches Hydrauliques, Ecole Polytechnique Fédérale, pp. B LESIEUR, M. (1997): Turbulence in Fluids: Stochastic and Numerical Modelling, (Mechanics of Fluids and Transport Processes; 6), Dordrecht: Kluwer, 3., ISBN LI, M.;GARRETT, C. (1998): Large Eddies in the Surface Mixes Layer and Their Effects on Mixing, Dispersion and Biological Cycling, in: Physical Processes in Lakes and Oceans: [symposium, held in Broome, Western Australia, during September 1995] / Ed. by J. Imberger, Washington, DC: American Geophysical Union, (Coastal and Estuarine Studies; 54), ISBN , pp LINDBORG, E. (1999): Can the Atmospheric Kinetic Energy Spectrum be Explained by Two-Dimensional Turbulence?, in: Journal of Fluid Mechanics, Vol. 388, No. 6, pp , ISSN LU, Y.; LUECK, R.G. (1999): Using a Broadband ADCP in a Tidal Channel. Part I: Mean Flow and Shear, in: Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, Vol. 16, No. 11, pp , ISSN MENEVEAU, C.; KATZ, J. (2000): Scale-Invariance and Turbulence Models for Large-Eddy Simulation, in: Annual Review of Fluid Mechanics, Vol. 32, pp. 1 32, ISSN

11 160 LITERATURVERZEICHNIS NADAOKA, K.; YAGI, H. (1998): Shallow-Water Turbulence Modeling and Horizontal Large-Eddy Computation of River Flow, in: Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 124, No. 5, pp , ISSN NEWLAND, D.E. (1993): An Introduction to Random Vibrations, Spectral & Wavelet Analysis, Singapore: Longman, 3rd edit., ISBN NEZU, I.; NAKAGAWA, H. (1993): Turbulence in Open Channel Flows, (International Association for Hydraulic Research: Mongraph series), Rotterdam u.a.: Balkema, ISBN ONORATO M.JR; CAMUSSI R.; IUSO G. (2000): Small Scale Intermittency and Bursting in a Turbulent Channel Flow, in: Physical Review E 61, 29, pp ORSZAG, S. (1973): Lectures on the Statistical Theory of Turbulence, in: Fluid Dynamics / Ed. by R. Ballian [et al.], Gorden and Beach Publisher. OTTESEN-HANSEN, N.-E. (1979): Effect of Boundary Layers on Mixing in Small Lakes, in: Hydrodynamics of Lakes: Proceedings of a Symposium oct. 1978, Lausanne, Switzerland / Ed by W.H. Graf [et al.], Amsterdam [u.a.]: Elsevier, (Developments in Water Science; 11), ISBN X, pp PALMER, M.D. (1973): Some Kinetic Energy Spectra in a Nearshore Region of Lake Ontario, in: Journal of Geophysical Research, Vol. 78, No. 18, pp , ISSN PIOMELLI, U.;FERZIGER, J.H.; MOIN, P. (1987): Models for Large Eddy Simulations of Turbulent Channel Flows Including Transpiration, (Report TF-32), Stanford, CA: Thermoscience Division, Dep. of Mechanical Engineering, Stanford Univ. PROVENZALE, A. (1999): Transport by Coherent Barotropic Vortices, in: Annual Review of Fluid Mechanics, Vol. 31, pp , ISSN QIU, J.; PAW U, K.T.; SHAW, R.H. (1995): The Leakage Problem of Orthonormal Wavelet Transforms when Applied to Atmospheric Turbulence, in: Journal of Geophysical Research / D, Vol 100, pp , ISSN

12 LITERATURVERZEICHNIS 161 RD INSTRUMENTS (1995): Direct Reading and Self- Contained Broadband Acoustic Doppler Current Profiler, (Technical Manual), San Diego, CA. RD INSTRUMENTS (1998): Workhorse, Acoustic Doppler Current Profiler, (Technical Manual), San Diego, CA: RD Instruments. RETTEMEIER, K.; LINN, A. VAN; KÖNGETER, J. (2000): Numerical Model Investigations to Identify Flow Phenomena and Turbulence in Lakes and Reservoirs, in: Proceedings of the 4th International Conference on Hydro-Science and -Engineering (ICHE): Seoul, Republic of Korea, September 26-29, 2000 / Ed. by Y.N. Yoon [et al.], Korea: Water Resources Association, (Advances in Hydro-Science and -Engineering; 4) (Paper on CD-ROM), p ROTTA, J.C (1972): Turbulente Strömungen: eine Einführung in die Theorie und ihre Anwendung, (Leitfäden der angewandten Mathematik und Mechanik; 15), Stuttgart: Teubner, ISBN RUBBERT, S. (2001): Solid Wall Boundary Conditions for Finite Element Based Large-Eddy Simulations of Near-Wall Flow, in: 21st Century: The New Era for Hydraulic Research and Its Applications: XXIX IAHR Congress, September 16-21, 2001, Beijing, China. John F. Kennedy Student Paper Competition, Beijing, China: Tsinghua University Press, ISBN X, pp SAGAUT, P. (2001): Large Eddy Simulation for Incompressible Flows: an Introduction, (Scientific Computation) (Physics and Astronomy Online Library), Berlin [u.a.]: Springer, ISBN SAGGIO, A.; IMBERGER, J. (2001): Mixing and Turbulent Fluxes in the Metalimnion of a Stratified Lake, in: Limnology and Oceanography, Vol. 46, No. 2, pp , ISSN SANDER, J.; SIMON, A.; JONAS, T.; WÜEST, A. (2000): Surface Turbulence in Natural Waters: A Comparison of Large Eddy Simulations with Microstructure Observations, in: Journal of Geophysical Research, Vol. 105, No. C1, pp , ISSN SCHLAEGER, F. (2002): Die Gewässergütesimulation von Fließgewässern als Grundlage der langfristigen Flussgebietsbewirtschaftung, Technische

13 162 LITERATURVERZEICHNIS Hochschule Aachen / Lehrstuhl und Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft: Mitteilungen; 129 (Zugl.: Aachen, T.H., Diss.), Aachen: Mainz. SCHLICHTING, H. (1982): Grenzschicht-Theorie, (Wissenschaftliche Bücherei), Karlsruhe: Braun, 8. aufl., ISBN SCHWEIM, C.;SPORK, V.;PROCHNOV, J.V.; KÖNGETER, J.;ZHOU, J. (2000): Large Eddy Simulation of a Lid-Driven Rotating Annular Flume Flow, in: Hydroinformatics 2000: Proceedings of the Fourth International Conference on Hydroinformatics; July 2000, Iowa, Iowa City, Iowa: Iowa Institute of Hydraulic Research, College of Engineering, The Univ. of Iowa, (Preprints) (=CD-ROM). SMITH, S.; JONAS, P.R. (1997): Wavelet Analysis of Turbulence in Cirrus Clouds, in: Annales Geophysicae, Vol. 15, pp , ISSN STACEY, M.T. (1996): Turbulent Mixing and Residual Circulation in a Partially Stratified Estuary, (Diss.), Stanford: University. STACEY, M.T.; MONISMITH, S.G.; BURAU, J.R. (1999): Observations of Turbulence in a Partially Stratified Estuary, in: Journal of Physical Oceanography, Vol. 29, No. 8, pp , ISSN TENNEKES, H.; LUMLEY, J.L. (1972): A First Course In Turbulence, Cambridge, MA: MIT Press, 15. edit., 1994, ISBN TROPEA, C.D. (1982): Die turbulente Stufenströmung in Flachkanälen und offenen Gerinnen, (Karlsruhe, Univ., Diss.), Karlsruhe: Universität. UNGER, F.; FRIEDRICH, R. (1993): Numerical Simulation of Fully- Developed Turbulent Pipe Flow, in: Flow Simulation with High Performance Computers: DFG Priority Research Programme / Ed. by E.H. Hirschel. Bd. 1: Results , Braunschweig u.a.: Vieweg, (Notes on Numerical Fluid Mechanics; 38), ISBN , pp VAN LINN, A.;RETTEMEIER, K.;RUBBERT, S.;DEMNY, G.;KÖNGE- TER, J. (2001): Acoustic Doppler Measurements in a German Reservoir to Identify Flow Phenomena and Turbulent Structures, in: Proceedings of the 3rd International Symposium on Environmental Hydraulics (ISEH):

14 LITERATURVERZEICHNIS 163 Tempe, Arizona, USA, December 5-8, 2001 / Ed. by D.L. Boyer [et al.], Tempe: Environmental Fluid Dynamics Program and the Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Arizona State University, (Paper on CD-ROM), p. 99. VON LUKOWICZ, J. (2002): Zu Kohärenten Turbulenzstrukturen in der Strömung gegliederter Gerinne, Technische Hochschule Aachen / Lehrstuhl und Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft: Mitteilungen; (Zugl.: Aachen, T.H., Diss.), Aachen: Mainz. WANG, Y.; HUTTER, K. (1998): A Semi-Implicit Semispectral Primitive Equation Model for Lake Circulation Dynamics and Its Stability Performance, in: Journal of Computational Physics, Vol. 139, No. 1, pp , ISSN WANG, Y.; HUTTER, K.; BÄUERLE, E. (2001): Baroclinic Response in a Lake to Wind-Forcing, in: Annales Geophysicae, Vol. 19, No. 3, pp , ISSN WEI, T.; WILLMARTH, W.W. (1989): Reynolds-Number Effects on the Structure of a Turbulent Channel Flow, in: Journal of Fluid Mechanics, Vol. 204, pp , ISSN WU, J.; TSANIS, I.K. (1995): Numerical Study of Wind-Induced Water Currents, in: Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 121, No. 5, pp , ISSN ZANKE, U. (1982): Grundlagen der Sedimentbewegung, Berlin u.a.: Springer, ISBN

15

16 LEBENSLAUF Katja Rettemeier geboren am in Bremen 1991 Allgemeine Hochschulreife 1988 bis 1989 Schüleraustausch USA 1991 bis 1997 Bauingenieurstudium Wasserbau, Rheinisch Westfälische Technische Hochschule, Aachen 1993 bis 1997 Studentische Mitarbeiterin am Lehrstuhl und Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft der RWTH Aachen 1997 bis 2003 Wissenschaftliche Mitarbeiterin am Lehrstuhl und Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft der RWTH Aachen 1998 Forschungsaufenthalt an der University of California, Davis, USA, Stipendium durch den DAAD 2000 Preisträger: Risiko Hochwasser: Vorsorge, Vermeidung, Nachsorge; Stiftung Umwelt und Schadenvorsorge der SV Gebäudeversicherung, Stuttgart seit 2003 Baureferendarin bei der Wasser- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes, Wasser- und Schifffahrtsdirektion Mitte, Hannover Aachen im Februar 2004