Modellierung von Wellen-Bauwerk-Baugrund-Interaktion für marine Schwergewichtsbauwerke (WaSFI)

• Antragsteller: Dr.-Ing. Hisham Elsafti
• Fachliche Zuordnung: Geotechnik, Wasserbau
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 310375313

Das Hauptziel des beantragten Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines partitionierten stark gekoppelten CFD CSD Modellsystems in OpenFOAM, das wasfiFoam genannt wird und für die Simulation der Wellen Bauwerk Baugrund Interaktion (WaSFI) unter besonderer Berücksichtigung des sog. schrittweisen Versagens mariner Schwergewichtsbauwerke verwendet werden kann. Das wafsiFoam Modell nutzt die Vorteile der Ähnlichkeit der Navier Stokes Gleichungen und der voll dynamischen gekoppelten Biot Gleichungen als einheitliches Modellsystem für die simultane Lösung der Kontinuitäts und Impulsgleichungen der Strömung in und außerhalb verformbarer poröser Medien aus. Das Modell nutzt ein Hintergrund Lagrange Netz zur Lösung der Impulsgleichung für das Feststoff/Flüssigkeit Gemisch, ein elastoplastisches Bodenmodell, das in der Lage ist, den Mechanismus des schrittweisen Versagens zu reproduzieren sowie ein Reibungskontakt Modell für die Bauwerk Baugrund Interaktion. Die Immersed Boundary Methode (IBM) wird für die Aktualisierung der Fluiddomäne als Funktion der Strukturbewegung implementiert. Zur Reduktion der Rechenzeit, wird die Lösung des Bodenmodells in GPUs implementiert. Eine Mehrphasenfluid Behandlung mit dem Impulstransfer zwischen Luft und Wasser wird implementiert. Zur Beschreibung der Grenze zwischen Luft und Wasser wird das Volume Of Fluid (VOF) Verfahren verwendet. Diese Entwicklungen sind erforderlich um die Simulation der in wasfi beteligten Prozesse zu verbessern. Darüber hinaus, wird wafsiFoam mit einem Fernfeld Wellenmodell gekoppelt, um realitätsnahe Wellenbedingungen (z.B. Tsunami, Sturmflut Seegang) zu ermöglichen. Das wasfiFoam Modell und seine Komponenten werden mit Benchmark Tests sowie mit verfügbaren Experimenten aus dem Großen Wellenkanal (GWK) validiert. Das validierte Modellsystem wird zur Durchführung einer detaillieren Parameterstudie verwendet, um folgende Ziele zu erreichen: (i) Verbesserung des Verständnisses der verantwortlichen Prozesse für das schrittweise Versagen mariner Schwergewichtsbauwerke (u.a. Einfluss der Rocking Bewegung auf die Auftriebskraft, Einfluss der Luftblasen Kinematik auf den Druckschlag brechender Wellen und auf die Kompressibilität des Porenfluids und die Bodenverfestigung), (ii) Konsolidierung und Verfeinerung des durch den Antragsteller entwickelten Lastexzentrizitätskonzepts, zusammen mit einer genaueren Definition der in seiner Dissertation vorgeschlagenen vier Lastexzentrizität Regime mariner Schwergewichtsbauwerke unter den verschiedensten Seegangbedingungen, und (iii) Verfeinerung und Erweiterung des vereinfachten nichtlinearen Masse Feder Dämpfer Modells (ebenfalls im Rahmen der Dissertation entwickelt) zur Berücksichtigung komplexerer Bauwerkskonfigurationen. Das wasfiFoam Modell, zusammen mit weiteren Werkzeugen und Ergebnissen aus dem Projekt, werden ausführlich dokumentiert und unter die GNU General Public License (GPL) publiziert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Hocine Oumeraci