Mehrdimensionale Geschiebetransportsimulation in gekrümmten Gerinneabschnitten mittels 2D- und 3D-HN-Verfahren. Gesinus-Treffen 2012

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1 Kooperation BAW IWG Mehrdimensionale Geschiebetransportsimulation in gekrümmten Gerinneabschnitten mittels 2D- und 3D-HN-Verfahren Bereich Wasserwirtschaft und Kulturtechnik Prof. Dr.-Ing. Franz Nestmann Gesinus-Treffen 2012 Dipl.-Ing. Jochen Riesterer KIT die Kooperation von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH und Universität Karlsruhe (TH)

2 Übersicht Kooperation IWG BAW 2D- und 3D-Geschiebetransportsimulation eines Laborgerinnes (sinusförmiges Laborgerinne Wormleaton ) Vergleich mit anderen HN-Verfahren (sinusförmiges Laborgerinne Wormleaton ) Ausblick: - Betrachtung einer Naturstrecke (Mäanderschleife bei Düsseldorf, Rhein) - Mögliche zukünftige Aspekte 2

3 Kooperation BAW - IWG Kooperationspartner (IWG); Institut für Technologie (KIT) Karlsruher Projektgruppe Mehrdimensionale Feststofftransportmodellierung, Bundesanstalt für Wasserbau (BAW), Karlsruhe Inhalte/Ziele IWG, KIT Weiterentwicklung der Feststofftransportmodellezur Verbesserung der Prognosen wasserbaulicher Maßnahmen an den Wasserschifffahrtsstraßen Identifizierung maßgeblicher physikalischer Prozesse für die Feststofftransportmodellierung und Bewertung der Modellbildung in numerischen Verfahren u.a. Betrachtung der Sekundärströmung: - Einfluss auf die Geschiebetransportmodellierung in Gerinnekrümmungen BAW Karlsruhe - modelltechnischeabbildung des Sekundärströmungseinflusses in 2D-tiefengemittelten Geschiebetransportmodellen - Anwendung von 3D-Verfahren zu Geschiebetransportsimulation und Durchführung vergleichender Betrachtungen hinsichtlich der Bedeutung der Dimensionalität der Strömungsmodellierung für die Sohlausbildung (Vergleich 2D-/3D-HN-Modelle) 3

4 Übersicht Kooperation IWG BAW 2D- und 3D-Geschiebetransportsimulation eines Laborgerinnes (sinusförmiges Laborgerinne Wormleaton ) Betrachtung einer Naturstrecke ( Mühlhamer Schleife, Donau) Vergleich mit anderen HN-Verfahren (2D-/3D) (sinusförmiges Laborgerinne Wormleaton ; BAW-Rinnen mit und ohne Einschnürung) Mögliche zukünftige Aspekte 4

5 Modell Wormleaton sinusförmiges Laborgerinne Modellgeometrie Wormleaton Modellgebiet: 10 m x 35 m Gerinnebreite (Oberkante): 1,6 m Gerinnetiefe: 0,15 m Gefälle: 1,83 Böschungswinkel: 45 Morphologische Daten Kennzahlen der Sieblinie: d 16 = 0,35 mm, d 50 = 1,33mm, d 84 = 3,19 mm Einteilung der Sieblinie in vier Fraktionen Quelle: Wormleaton, 2005 Übersicht Sedimentklassen Sediment- mittlerer prozentualer klasse Korndurchmesser Anteil [-] [mm] [%] Fraktion Fraktion Fraktion Fraktion Mass fraction [%] Sediment fractions 20 Discretisation 10 Measurement 0 0, Diameter [mm] Quelle: Wormleaton,

6 Modell Wormleaton 2D-Simulation 2D-Modellierung 2D-HN-Verfahren Telemac-2D Unstrukturiertes Dreiecksgitter (ca Zellen) Turbulenzmodellierung mittels Elder-Modell Morphologie-Modul ( Sisyphe ) Sekundärströmungsansatz nach Engelund (1974): tan δ= 7 h/r mit: δ= Winkelabweichung der Sohlschubspannung von der Hauptströmungsrichtung h = Wassertiefe R = Krümmungsradius Neigung der freien Oberfläche zs in Kurven: g (δzs )/(δn) = α u²/r τ Sekundärströmung τ Resultierend τ Hauptströmung δ Querneigung Korrekturfaktor (0,75< α <1) mäandertypische Ausbildung der Sohle (Prall- und Gleithang) nur mittels Parametrisierung Furt befindet sich etwa in der Mitte zwischen zwei Gerinnekrümmungen 6

7 Modell Wormleaton 3D-Simulation 3D-Modellierung 3D-HN-Verfahren Telemac-3D Netz in xy-richtung mit 2D-Modell identisch 10-Schichten in z-richtung (Sigma-Gitter) Turbulenzmodellierung mittels Mischungswegansatz Morphologie-Modul ( Sisyphe ) identisch 2D-Modell Äquidistantes Berechnungsnetz Logarithmisches Berechnungsnetz 7

8 Modell Wormleaton 3D-Simulation Entwicklung der Sekundärströmung Quelle: Wormleaton, 2005 Abschätzung der Sekundärströmung mittels Ansatz von Rozovskii [1957] vsec = mit: U κ R h C 8 g 1 h U 1,25 1 κ² R κ C = = = = = Hauptströmungsgeschwindigkeit Kármán-Konstante Kurvenradius Fließtiefe Chezy-Beiwert max. Sekundärströmung in Gerinnemitte ca m/s (im HN-Modell max. ca m/s)

9 Modell Wormleaton - Vergleich 2D-/ 3D-Simulation Vergleich der Sohlhöhenänderungen des 2D- bzw. 3D-Modells (Telemac-2D bzw. Telemac-3D): Beispiel für Sanierungsmaßnahmen an einer Flusskrümmung [Quelle: Binnenschiffe.de] max. Werte der Erosions-bzw. Anlandungsbereiche liegen in vergleichbarer Größenordnung Unterschiede in der Lage der max. Erosions- bzw. Anlandungsbereiche Nachlaufzonender Krümmungen sind stärker ausgeprägt Lage der Furt verändert sich und befindet sich nun im Anfangsbereich der Kurve 9

10 Modell Wormleaton - Vergleich 2D-/ 3D-Simulation Vergleich der Sohlhöhenänderungen des 2D- bzw. 3D-Modells (Telemac-2D bzw. Telemac-3D): 10

11 Modell Wormleaton - Vergleich 2D-/ 3D-Simulation Vergleich der Geschiebetransportrichtung im 2D-bzw. 3D-Modell (Telemac-2D bzw. Telemac-3D): Loading-Law -Ansatz Siehe z.b. Struiksma und Flokstra [1985], Phillips und Sutherlands [1989] oder Mosselmann [1998] Quelle: Schmautz [2003] Abweichungen zw. 2D-und 3D-Transportrichtung mittels Parametrisierung deutlich geringer Signifikante Winkelunterschiede zwischen den Transportrichtungentreten nach wie vor im Bereich unterstrom der Gerinnekrümmung auf Berücksichtigung einer Entwicklungslänge der Sekundärströmung (Vor- bzw. Nachlaufbereich der Krümmung) Quelle: Hafner [2008] 11

12 Modell Wormleaton 3D-Simulation Einfluss der vertikalen Netzdiskretisierung Variation der Zellanzahl in vertikaler Richtung Diskretisierung mittels äquidistanter bzw. logarithmischer Zellverteilung Analyse der Auswirkungen auf Hydraulik bzw. Morphologie Äquidistantes Berechnungsnetz Logarithmisches Berechnungsnetz Vergleich Geschwindigkeitsprofile Schnitt I Fließtiefe - 0,02-0,04-0,06-0,08-0,10-0,12 Äqu_Mesh_y= Log_Mesh_y= Äqu_Mesh_y= Log_Mesh_y= Äqu_Mesh_y= Log_Mesh_y= Äqu_Mesh_y= Log_Mesh_y= Äqu_Mesh_y= Log_Mesh_y= ,14-0,16-0,18-0,20 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 resultierende Geschwindigkeit 12

13 Sohlschubspannungsbestimmung Berücksichtigung z-komponente -> Anteil der z-komponente in Sohlschubspannung vernachlässigt -> relativ große Vertikalkomponente bei starken Sohlgradienten (bis zu ca. ½* V res ) Berücksichtigung im Betrag der Sohlschubspannung Schnitt J (Anteil der vertikalen Komponente im Vgl. zur horizontalen beträgt lokal bis zu max. 30 %) -> Berücksichtigung der z-komponente hat lediglich geringen Einfluss auf Morphologie (Ursache slope-effekt???) 13

14 Berücksichtigung des Slope -Effekts Veränderung der Transportrate: Koch&Flokstra Soulsby Korrektur der Transportrichtung: Koch&Flokstra Talmon et al. Sohländerung 3D-Simulation ( Slope -Effekt nach Soulsby&Talmon) evtl. Betrachtung alternativer Ansätze (wie z.b. Dey oder Solari) 14

15 Übersicht Kooperation IWG BAW 2D- und 3D-Geschiebetransportsimulation eines Laborgerinnes (sinusförmiges Laborgerinne Wormleaton ) Vergleich mit anderen HN-Verfahren (sinusförmiges Laborgerinne Wormleaton ) Betrachtung einer Naturstrecke ( Mühlhamer Schleife, Donau) Mögliche zukünftige Aspekte 15

16 Vergleich mit anderen HN-Verfahren (2D/3D) Modell Wormleaton - Vergleich unterschiedlicher 3D-HN-Modelle - Telemac-3D -SSIIM -Flow3D Schnitt G Schnitt H 16

17 Vergleich mit anderen HN-Verfahren (2D/3D) Modell Wormleaton - Vergleich unterschiedlicher 3D-HN-Modelle - Telemac-3D -SSIIM -Flow3D Schnitt G Schnitt H 0,2 Vergleich max. V_sec - Schnitt G - 0,2 Vergleich max. V_sec - Schnitt H - max. V_sec [m/s] 0,15 0,1 0,05 Telemac-3D SSIIM Flow3D max. V_sec [m/s] 0,15 0,1 0,05 Telemac-3D SSIIM Flow3D 0 3D-HN-Modelle 0 3D-HN-Modelle 17

18 Vergleich mit anderen HN-Verfahren (2D/3D) Modell Wormleaton - Vergleich unterschiedlicher 3D-HN-Modelle - Telemac-3D -SSIIM -Flow3D Schnitt I Schnitt J 18

19 Vergleich mit anderen HN-Verfahren (2D/3D) Modell Wormleaton - Vergleich unterschiedlicher 3D-HN-Modelle - Telemac-3D -SSIIM -Flow3D Schnitt I Schnitt J 0,2 Vergleich max. V_sec - Schnitt I - Flow3D 0,2 Vergleich max. V_sec - Schnitt J - max. V_sec [m/s] 0,15 0,1 0,05 Telemac-3D SSIIM max. V_sec [m/s] 0,15 0,1 0,05 Telemac-3D SSIIM Flow3D 0 3D-HN-Modelle 0 3D-HN-Modelle 19

20 Vergleich mit anderen HN-Verfahren (2D/3D) Modell Wormleaton - Vergleich unterschiedlicher 3D-HN-Modelle - Telemac-3D -SSIIM - Betrachtung erster morphologischer Ergebnisse Erste (vorläufige) Beobachtungen: signifikante Unterschiede in der Lage der Erosions-bzw. Anlandungsbereiche größere max. Erosionen und Anlandungen in SSIIM Nachlaufzonender Krümmungen sind bei Telemac stärker ausgeprägt Lage der Furt in SSIIM weiter oberstrom der Kurve 20

21 Vergleich mit anderen HN-Verfahren (2D/3D) Modell Wormleaton - Vergleich unterschiedlicher 3D-HN-Modelle - Telemac-3D -SSIIM - Betrachtung erster morphologischer Ergebnisse Erste (vorläufige) Beobachtungen: signifikante Unterschiede in der Lage der Erosions-bzw. Anlandungsbereiche größere max. Erosionen und Anlandungen in SSIIM Nachlaufzonender Krümmungen sind bei Telemac stärker ausgeprägt Lage der Furt in SSIIM weiter oberstrom der Kurve 21

22 Übersicht Kooperation IWG BAW 2D- und 3D-Geschiebetransportsimulation eines Laborgerinnes (sinusförmiges Laborgerinne Wormleaton ) Vergleich mit anderen HN-Verfahren (2D-/3D) (sinusförmiges Laborgerinne Wormleaton ) Ausblick: - Betrachtung einer Naturstrecke (Mäanderschleife bei Düsseldorf, Rhein) - Mögliche zukünftige Aspekte 22

23 Ausblick: Betrachtung Naturstrecke Rhein (2D/3D) Erfassung dreidimensionaler Strömungseffekte und damit verknüpfter Transportphänomene Basis: 2D-und 3D-Modelle, die auf der TELEMAC-SISYPHE Programmumgebung beruhen Möglichkeiten und Grenzen der 2D- bzw. 3D-Modellierung Ziel: Planung von Bau-und Unterhaltungsmaßnahmen in Bundeswasserstraßen und die Vorhersage von morphodynamischen Entwicklungstendenzen soll noch zuverlässiger und genauer werden! Stark ausgeprägte Mäanderschleife bei Düsseldorf 23

24 Ausblick: Mögliche zukünftige Aspekte Einfluss der Sekundärströmung auf Geschiebetransportsimulation: Loading-Law -Implementierung in Telemac-2D/Sisyphe Bewertung Sekundärströmungseinflusshinsichtlich mehrdimensionaler Geschiebetransportmodellierungen an Bundeswasserstraßen (2D-/3D-Modellierung) Bestimmung der Sohlschubspannung: Alternativer Sohlschubspannungsansatz mittels turbulenter kinetischer Energie(TKE-Methode) Berücksichtigung der vertikalen Geschwindigkeitskomponente und der Sohlneigung Modellbetrachtungen von Labor- und Naturgerinnen: numerische Modellbetrachtung eines Laborgerinnes mit geringeren Krümmungen (flächenhaft dokumentierte Daten) Betrachtung Naturstrecke Rhein (Mäanderabschnitt bei Düsseldorf; geringe Baggermaßnahmen; hochaufgelöste Messdaten) Betrachtung alternativer/aktueller (Transport-)Ansätze: Geschiebetransportansatz von Wu et al. Transportkorrekturansatz für in Längs- und Querrichtung geneigte Sohlen(-> Ufererosion) z.b. nach Dey oder Chen Verfahrensvergleiche (2D bzw. 3D): SSIIM Delft 24

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