Large-Eddy-Simulation von durch-, und überströmter Vegetation
Final Report Abstract
Im Rahmen dieses Vorhabens wurde eine Vielzahl von Large-Eddy Simulationen (LES) der Strömung um eingetauchte Einzelzylinder, eingetauchte Tandemzylinder und eingetauchte sowie aufgetauchte Zylindermatrizen und in einem gegliederten Gerinne mit Vegetation auf dem Vorland durchgeführt. Die Vegetation wurde mit Hilfe von numerisch voll aufgelösten, geometrisch einfachen Einzelzylindern idealisiert. Die hohe räumliche und zeitliche Auflösung, die bei der LES Methode notwendig ist, erlaubte eine detaillierte Analyse des mittleren Strömungsfeldes, der Turbulenz, der instationären Wirbelstrukturen und der Wechselwirkung zwischen Strömung und Pflanzenkörper. Die volle Auflösung der Einzelelemente erforderte eine extrem große Anzahl an Gitterpunkten, wobei das Rechengitter für die aufwändigste Rechnung die Strömung in einem gegliederten Gerinne mit Vorlandvegetation aus ca. 80 Millionen Punkten bestand. Die Notwendigkeit der hohen Auflösung hat sich aus den durchgeführten Testrechnungen der Strömung um einen eingetauchten Einzelzylinder ergeben. Diese Grundlagenuntersuchungen haben sich als extrem aufwändig herausgestellt, es konnten jedoch wichtige umfassende Erkenntnisse gewonnen werden, die zu interdisziplinären Konferenzbeiträgen und Zeitschriftenveröffentlichungen geführt haben bzw. noch führen werden. Die durchgeführten Rechnungen der verschiedenen Voruntersuchungen sowie der beiden Prototypen wurden jeweils mit Hilfe von Labordaten validiert. Bei Verwendung von adäquaten Rechengebietsgrößen und Gitterauflösungen konnten hervorragende Übereinstimmungen mit punktuell gemessenen Weiten erzielt werden. Insbesondere mittlere Strömungsgeschwindigkeiten, sowie turbulente Fluktuationen wurden präzise vorhergesagt. Die erfolgreiche Validierung der Rechnungen anhand von Punktmessungen erlaubte in der Folge eine detaillierte Analyse des restlichen Rechengebiets (z.B. zwischen den Einzelzylindern) sowie des instationären Strömungsfeldes. Es konnte gezeigt werden, dass die Wechselwirkung Strömung/Pflanze äusserst kompliziert ist, da geprägt von einer Vielzahl von Wirbelbildungen. In Sohlennähe verursacht die ankommende Grenzschicht den Hufeisenwirbel, in Pflanzenmitte kommt es durch seitliche Ablösung zu der von-Karman'sehen Wirbelstrasse im Nachlauf der Zylinder. Bei dem Fall des Überströmens der Zylinder entstehen am freien Ende des Zylinders Wirbelschleppen, die dann wiederum unterstrom des Zylinders mit den von- Karman Wirbeln interagieren. Für den Fall des gegliederten Gerinnnes mit Vorlandvegetation führt die entstehende Scherschicht zwischen Hauptgerinne und Vorland zur Ausbildung von komplexen Sekundärströmungen. Weiterhin wird in Folgeauswertungen der Einfluss der Pflanze als Formwiderstand quantifiziert, wobei Druck und Reibungskräfte auf die Einzelzylinder direkt berechnet werden. Die Ausweitungen der erzielten Ergebnisse können wertvolle Hinweise auf die Formwiderstandsformeln in praktischen Modellen liefern. Durch den Mehraufwand, der durch die umfangreichen Grundlagenuntersuchungen entstanden ist, konnte dieser ursprünglich vorgesehen Arbeitsteil nicht vollständig abgeschlossen werden. Die Erkenntnisse und Erfahrungen, die in diesem Projekt gesammelt wurden, liefern jedoch eine sehr gute Grundlage, um die noch offenen Fragen zu beantworten.
Publications
- G. Palau, T. Stoesser, J. Fröhlich, W. Rodi. (2007). LES of the flow around two cylinders in tandem. Proc. of IUTAM Symposium on Unsteady Separated Flows and Their Control, 18.-22.6.07, Corfu Greece.
- Palau, G.P, Stoesser, T., Rummel, A., Rodi, W. (2007). Turbulent Shallow How through Vegetation. Proc. 5th Conference on Environmental Hydraulics. Tempe, Arizona, Dec. 2007.
- Stoesser, T., Liang, C., Rodi, W., Jirka, G.H. (2006). Large Eddy Simulation of Fully-developed Turbulent Flow through Submerged Vegetation. Proc. 3rd Int. Conference on Fluvial Hydraulics, Lisbon, Portugal, Sept. 2006.
