Herausforderung Kolkbildung

Transkript

1 Offshore Wind Solutions MV 16. Juni Rostock Arndt Hildebrandt

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3 Kolkentwicklung infolge unidirektionaler Strömung Symmetrische Kolkbildung in Querrichtung zur Strömung Maximale Kolktiefe Oberstrom, Sedimentablagerung Unterstrom An den Seiten flacherer Böschungswinkel des Kolkes als Oberstrom

4 Kolk an Offshore Windanlagen Lokale Kolkbildung Globale Kolkbildung Morphodynamische Einflüsse (weitestgehend unbeeinflusst durch OWEA) (Whitehouse, 1998) 3D Visualisation eines zweiachsigen Sonarscans Quelle:

5 Quelle:

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8 u y = u κ ln y y 0 τ c = ρ C D U 2 u κ y y 0 ρ C D U

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13 Bodenverflüssigung Bewegung der Struktur Strömungen im Nahbereich eines Zylinders (Qi & Gao,2014)

14 Bodenverflüssigung Bewegung der Struktur Abhängigkeit des Kolkes von der KC-Zahl (Sumer, 2001)

15 S = Φ 3 (ρ w. ν, D, d 50, ρ s, σ g, Sa, τ cr, h, U, T, U cr, g, t)

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18 Verstärkung der Strömungsgeschwindigkeit um das Bauwerk Ausbildung eines Wirbelsystems Verstärkung der Sohlschubspannung Transport von Sedimenten Kolkbildung (Sumer & Fredsoe, 2002) Charakteristischer Gleichgewichtskolk um vertikalen Zylinder in gleichmäßiger Strömung (nach Whitehouse, 1998) (Whitehouse, 1998)

19 TP 4.2: Einfluss Tideströmung und Seegang auf Kolkentwicklung an OWEAs Untersuchung zum Langzeitverhalten unter realen Seegangsbedingungen: Einfluss einer Strömung / Tideströmung auf die Kolkentwicklung Modellversuche Umlaufrinne Einfluss von multidirektionalen Seegang und Wellen- Strömungs-Interaktion auf die Kolkentwicklung Modellversuche 3D-Wellenbecken

20 Modellmaßstab 1:40, d 50 = 0,2 mm Umlaufrinne Marienwerder, Länge 60 m, Breite 1 Angetrieben durch 4 Rohrpumpen kontinuierliche Anpassung von Geschwindigkeit und Richtung Sedimentbett, Länge 7.5 m, Tiefe 11cm 71 cm Transparenter Monopile, D = 150 mm Kamera, Laser Distanz Sensor, ADV Angaben in cm

21 Symmetrische Kolkbildung in Querrichtung zur Strömung Maximale Kolktiefe oberstrom, Sedimentablagerung unterstrom An den Seiten flacherer Böschungswinkel des Kolkes als oberstrom Kolkentwicklung nach 8h mit u =

22 Beidseitige Sedimentablagerung Beeinträchtigung der Strömung und Kolkentwicklung bei Richtungsumkehr Kolkbild insgesamt symmetrischer als unter unidirektionaler Strömung Kolkentwicklung nach 8h mit u = Tideströmung, 8 Halbzyklen mit u max =

23 Strömung Sediment- Anlagerung Pfahl Kolk Sediment- Anlagerung Strömung Pfahl Kolk

24 U_peak = 0,45 m/s

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27 Unidirektionale Strömung basierend auf Peak-Strömungsgeschwindigkeit überschätzt Kolkentwicklung Unidirektionale Strömung basierend auf mittlerer Strömungsgeschwindigkeit unterschätzt Kolkentwicklung Maximalkolk aller Messpositionen Alexander Schendel FI Vortragsveranstaltung

28 Unidirektionale Strömung basierend auf Peak-Strömungsgeschwindigkeit überschätzt Kolkentwicklung Unidirektionale Strömung basierend auf mittlerer Strömungsgeschwindigkeit unterschätzt Kolkentwicklung

29 Numerisches 3D CFD Modell OpenFOAM Hydrodynamik, Bodenschubspannungen Wellen, (Tide-) Strömungen, Überlagerung Kolk-Modellierung (bewegliche Sohle) bodennaher und suspendierter Transport (PhD Stahlmann, 2013) Detailuntersuchungen, Strukturoptimierung, Parameterstudien

30 Relative Kolktiefe S/D 1:50: D=5,4cm Bis rd. 0,67 (1:50) Skalierungsfaktor für Prototyp rd. 1,5-2

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32 Forschungsthemen

33 Der Große Wellenkanal (GWK) Länge: 300 m; Breite: 5 m; Tiefe: 7 m

34 Neue Wellenmaschine Geplanter Ausbau - Maßnahmen Komplette Ersetzung der alten Maschine und Erweiterung des Hubs auf 8 m Wellenhöhen bis 3 m bei größeren Perioden größerer Maßstab Strömungsanlage Frei regulierbare Strömung bis max. 12,5 m³/s 0,5 m/s bei 5 m Wasserstand Strömung mit und entgegen der Wellenrichtung Tidezyklus Tiefteil Kombinierter Tiefteil: 2 m Tiefe über 40 m Länge und 10 m Tiefe über 8 m Länge in der Mitte ebenerdiger Bodeneinbau und Tiefgründungen Windmaschine Mobile Windanlage für Windgeschwindigkeiten bis 10 m/s auf 20 m² Realistische lokale Windfelder im großen Maßstab

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36 Forschungszentrum Küste (FZK) Dr.-Ing. Stefan Schimmels Merkurstr Hannover Tel.: (0511) Web:

37 basierend auf [Whitehouse et al., 2011] a) b) c) a) Schematische Auskolkung einer OWEA (Monopile) b) Sekundärkolk mit Kolkschutzmaßnahme c) Sekundärkolk an zuvor verfüllter Auskolkung

38 Hydraulic model test in the Large Wave Flume (Length 307m, width 5m) in a model scale of 1:4 d max = 50mm 2 individual test sections: General bed stability under wave load (A) Structure-induced scour under wave load (B) Monopile as foundation structure, diameter D = 1m Single layer setup with a thickness of 0.5m

39 Example of high resolution Laser Scan High resolution (~ 1mm) laser scans allow the determination of smallest erosion and scour processes 3D laser scan

40 Material performance under waves Development of armouring effects in areas unaffected by the structure Slight sorting of material fractions around Monopile Deposition of finer fractions at the sides of the Monopile Deposition of coarser fractions circularly around the Monopile 3000 waves, H s = 2.8m

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