Experimente und Simulationen zur Untersuchung aquatischer Vegetationsschichten mit langen flexiblen Elementen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jochen Fröhlich
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Hydrogeologie, Hydrologie, Limnologie, Siedlungswasserwirtschaft, Wasserchemie, Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 316798177

Aquatische Ökosysteme sind wegen ihre Allgegenwart und ihren zahlreichen Funktionen auf unterschiedlichen Skalen von hoher Relevanz. Die Interaktion zwischen der Strömung und den flexiblen Blättern einer aquatischen Vegetationsschicht bestimmen das hydraulische Verhalten, sowie den Transport von Sediment, Nährstoffen und Verunreinigungen. Während Konfigurationen mit starren Elementen in vielen Laboruntersuchungen analysiert wurden, ist bisher wenig für den Fall sehr flexibler Strukturen bekannt, d.h. für den Fall hoher Cauchy-Zahlen. Dieses Defizit wird durch das vorliegende Projekt adressiert, bei dem sorgfältig abgestimmte Simulationen und Experimente eingesetzt werden, um deren hydromechanische Eigenschaften bei Rekonfiguration zu untersuchen, sowie deren Auswirkungen auf den Transport skalarer Größen. Ein wesentliches Feature des Projekts ist die enge Kopplung an ökologisch-relevante Bedingungen. Experimente und Simulationen werden für drei Typen von Konfigurationen durchgeführt: (1) Testkonfigurationen mit einer einzelnen Struktur oder mit wenigen zur Methodenentwicklung und Validierung, (2) homogene Anordnungen mit gleichartigen Strukturen hoher Flexibilität, (3) Konfigurationen mit Lichtungen, die die Patch-Skala adressieren. Daten zur Charakterisierung realer schlanker Wasserpflanzen und Patches werden im Projekt ermittelt, so dass eine optimale Wahl der Parameter in Experiment und Simulation gewährleistet ist.Diese werden zum Teil für dieselbe Konfiguration durchgeführt, wobei Simulationen z.B. nicht messbare Größen bereitstellen können. Zusätzlich werden die jeweiligen Vorzüge von Experiment und Simulation eingesetzt, um komplementäre Bereiche des Parameterraums abzutasten. So entsteht eine sehr verlässliche und reichhaltige Datenbasis. Für Experiment wie Simulation werden neuartige Methoden eingesetzt. Im Experiment werden PIV, PLIV eingesetzt, sowie ein Akustik Doppler Profilsensor. Damit ist die simultane Vermessung von Konzentrationen, Fluidgeschwindigkeiten und Strukturen möglich. Speziell der Profilsensor wurde bisher nicht für derartige Aufgaben verwendet. Er erlaubt die Messung instantaner Geschwindigkeitsprofile über der künstlichen Vegetationsschicht wie auch in ihrem Inneren simultan mit der Position der Strukturen. Überzeugende Simulationen von Vegetationsschichten mit flexiblen Elementen existieren bisher nicht. Hier wird eine innovative Methode verwendet, die eine IBM mit einem eigenen semi-impliziten Kopplungsalgorithmus und einem hoch effizienten Cosserat-Modell kombiniert. Damit können Simulationen für tausende Strukturen durchgeführt werden, die einen großen Datenreichtum liefern. Die gemeinsame Auswertung der Daten durch die Projektpartner erlaubt die ideale Kombination der interdisziplinären Kompetenz. Die Vision ist, ein detailliertes Verständnis der komplexen Prozesse zu generieren, die Vegetationsschichten mit hoher Cauchy-Zahl dominieren, und dieses Wissen für aquatische Ökosysteme bereitzustellen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartnerinnen: Dr. Delphine Doppler; Dr. Sara Puijalon