Aspekte zu Windströmungen an forstlichen Kanten

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Mathilde Bruhn
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1 Aspekte zu Windströmungen an forstlichen Kanten Forschungsprogramm: Herausforderung Klimawandel **** Teilforschungsprojekt: Strategien zur Reduzierung des Sturmschadensrisikos für Wälder (RESTER) **** Unterprojekt: Verbesserung der Sturmstabilität von Waldbeständen (RESTER-UniKA-2) Waldoberkante Luvseitige Außenkante Leeseitige Außenkante Anströmung Innenkanten Bestandsgrenze BRD: 7. km Außen- und Innenkanten; BW: 95. km C. Frank und B. Ruck Laboratorium für Gebäude- und Umweltaerodynamik Institut für Hydromechanik, Universität Karlsruhe

989). Windwurf setzt dabei oftmals nicht direkt am luvseitigen

2 Motivation Sturmschäden in Wäldern finden sich häufig im Bereich der ersten bis 2 m stromab von luvseitigen Bestandskanten (SOMERVILLE 98, 989). Windwurf setzt dabei oftmals nicht direkt am luvseitigen Bestandsrand ein, sondern erst in einiger Entfernung stromab der Waldkante.

3 Ziel Allgemein: Untersuchung des Einflusses von verschiedenen Bestandseigenschaften auf die Sturmstabilität von Waldbeständen aus aerodynamischer Sicht. Experimentelle Untersuchungen an statischen und dynamischen Bestandsmodellen in einem atmosphärischen Grenzschichtwindkanal und ergänzend numerische Strömungsberechnungen (CFD, RANS Modell). Spezifisch: Welche Auswirkungen hat die Umströmung von Kanten auf die Stabilität des nachfolgenden Bestandes Allgemeiner Fall einer lang gestreckten (2D-) Lichtung der Breite a Dreidimensionale Lichtungen? a H

4 Physikalische Modellierung Atmosphärischer Grenzschichtwindkanal Geschlossener Kanal Gesamtlänge 29 m Querschnitt.5 m x.5 m, (oktagonal) Länge Teststrecke 8 m Grenzschichthöhe.55 m Windgeschwindigkeit bis 45 m/s Leistung 9 kw Teststrecke

5 Statisches Waldmodell 6 7 Modelltannen ( Reihen a 67 Bäume) Modellmaßstab :2 H =.5 cm (23 m Natur), L = 7.9 H, B =.9 H Bestandsdichte: 2 4 Bäume / m² (Natur: 6 Bäume / ha) Strukturiertes, geschlossenes Kronendach

6 H =,5 cm (23 m) S =,48H K =,52H Standardbaum Modelltanne: Kronenhöhe K: 6.5 cm Breite B: ca. 2.5 cm Stamm: Material: Durchmesser D: Stammhöhe S: Gesamthöhe H: Modellmaßstab: :2 Polystyrol - Rundrohre 4 mm ca. 5.5 cm.5 ±.5 cm C W,dyn c w u (m/s) Modellbäume.5 F u Tanne mit Stamm Tanne ohne Stamm A Naturdaten: RUDNICKI et al 24 Mittelwert, Min / Max ( ) 2 Western Hemlock (9) Rote Zeder (9) Drehkiefer () Strömungsmechanisch betrachtet stellt ein Baum ein Hindernis dar, das im unteren Bereich einen zylinderförmigen Stamm besitzt, auf dem sich ein permeables Haufwerk befindet. Strömungsmechanisch spielen die Druckverluste eine zentrale Rolle (und weniger eine %ige geometrische Ähnlichkeit).

Laserbasiertes Strömungsmesssystem (LDA) Laser Braggzellen

mm atmosphärische Anströmung Messvolumen Empfangsoptik

5 m Vorwärtslichtstreuung Blende Interferenzfilter

Überlagerungshalbwinkel.955.955 Interferenzstreifenabstand x 4.

7 Laserbasiertes Strömungsmesssystem (LDA) Laser Braggzellen Farbstrahlteiler Modellwald Spiegel Windkanal Sendelinse f = 5 mm atmosphärische Anströmung Messvolumen Empfangsoptik 2D-LDA-System Argon-Ionen-Laser, 4 Watt Brennweite f =.5 m Vorwärtslichtstreuung Blende Interferenzfilter Fotomultiplier Komponente Blau Grün Wellenlängen 488 nm 54 nm Überlagerungshalbwinkel Interferenzstreifenabstand x 4.64 µm 5.42 µm Aufnahmefrequenz: 5 Hz 26.6 Datenpunkte je Messpunkt - Dauer einer Punktmessung: 53 s

8 Numerische Berechnungen FLOVENT V 6. / Flomerics Ltd. LVEL k- Turbulenzmodell Wald: Volumenwiderstand: k r = p / (.5 u 2 ) =.8 m - (homogen) TKE Senke an Waldkanten: S TKE = -.6 TKE Randbedingungen: Geländeoberfläche: Seitenflächen: Approach Flow 3 Fixed Flow Devices raue Wand in x-richtung offen in seitlicher Richtung und oben symmetrisch 82 m (35.7H) 25 m (.9H) Upstream Forest Area Clearing Downstream Forest Area Rough Wall z m 26 m 26 m (9H) 23 m = H m (4.3H) y x x = x = L x = 2

z / H z / H Stromlinien 4Windkanal a = H 3 2 4-4 -2 2 4 6 8 2 4 6 8 2

9 z / H z / H Stromlinien 4Windkanal a = H a = 5H 3 x / H x / H CFD a = H a = 5H

10 Computerberechnungen liefern Detailinformationen über das Strömungsfeld und Wirbelsysteme Zweidimensionale Lichtung Dreidimensionale Lichtung

11 Volumenstrom (m 3 /s) Netto Volumenstrom durch luvseitige Waldkanten 6 Luvseitige Waldfläche Leeseitige Waldfläche Inflow a/h Outflow a/h

12 Volumenstrom (m 3 /s) Volumenstrom durch Waldoberkanten 6 Luvseitige Waldfläche Leeseitige Waldfläche Netto Outflow a/h Inflow a/h

13 u' bzw. w' (m/s) u bzw. w (m/s) Strömungsgrößen in Kronendachnähe (z/h =.3) u w a/h = a/h = a/h = x/h u' w' x/h

14 Spektren u-komponente z/h = x = H 5Hz a/h = a/h = x = H.2.8 x = 2 H 9Hz.2.8 x = 3 H f Suu x = 4 H..2 x = 6 H..2 x = 8 H 7Hz..2 x = 9 H f Suu

15 Spektren u-komponente z/h =.3 4-7Hz.2 x=h f Suu x=h.2 x=2h x=3h x=4h f Suu 7Hz x=5h. x=6h x=7h

16 Spektren w-komponente z/h =.3 5Hz.6 f Sww x=h x=h x=2h x=3h x=4h..6 x=6h. x=8h x=9h Hz.6.4 f Sww 2Hz.6.6.

17 Spektren w-komponente z/h =.3 5Hz.6 f Sww x=h x=h.6 x=2h x=3h x=4h f Sww x=5h. x=6h x=7h

18 Zusammenfassung Die experimentellen und numerischen Ergebnisse zeigen, dass durch eine Variation der Lichtungsbreite die Strömungsvorgänge insbesondere im Lichtungsbereich und im Bereich der stromab gelegenen Waldfläche beeinflusst werden. Stromauf der Lichtung ist keine signifikante Änderung der Strömungsgrößen zu beobachten. Für a/h = erstreckt sich das Rezirkulationsgebiet über die gesamte Lichtungsbreite. Für a/h > 3 beträgt die Wiederanlegelänge knapp 3H und das Rezirkulationsgebiet verschiebt sich leicht nach Unterstrom. Mit zunehmender Lichtungsbreite nimmt die Windaktivität in der Lichtung insgesamt zu. Die größten Veränderungen in unmittelbarer Kronendachnähe treten bei den Spektren und bei den Geschwindigkeiten stromab der luvseitigen Bestandsaussenkanten auf. Veröffentlichungen FRANK, C., RUCK, B.: 27, Windkanalstudie zur Strömung in Waldlichtungen, Proc. der 5. GALA Fachtagung Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik, Sept. 27, Rostock, FRANK, C., RUCK, B.: 27, Numerical Study of the Airflow over Clearings, Forestry, eingereicht.

Einordnung der Ergebnisse Die experimentellen und numerischen Ergebnisse und Detailstudien werden dazu benutzt, die auftretenden Wurf-/Bruchkräfte auf Bäume im Bestand zu

19 Einordnung der Ergebnisse Die experimentellen und numerischen Ergebnisse und Detailstudien werden dazu benutzt, die auftretenden Wurf-/Bruchkräfte auf Bäume im Bestand zu erfassen bzw. zu systematisieren ( Aufstellen eines Leitfadens in Zusammenarbeit mit den Projekten RESTER- UniFR- und RESTER-UniKA-2 ). Wurf-/Bruchkraft auf einen Bestandsbaum

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