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

• Erstellungsjahr: 2022

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Vegetationsschichten in Gewässern sind wesentliche Bestandteile ökologischer Systeme. Ihre Strömungsmechanischen Eigenschaften sind extrem komplex, da die einzelnen Strukturelemente, d. h. die Pflanzen, in der Regel deformierbar sind und mit der Strömung wechselwirken. Weiterhin gibt es kollektive Effekte, so dass ein mehrskaliges System unterschiedlicher interagierender Phänomene entsteht. Bisher wurden in der Literatur fast ausschließlich starre Elemente untersucht. Vor Projektbeginn existierte nur eine Handvoll Arbeiten zu beweglichen Elementen, wobei deren Anzahl klein und die Modellierung der Festkörper stark vereinfacht war. Im vorliegenden Projekt wurde weltweit zum ersten Mal eine Vegetationsschicht mit sehr langen, sehr flexiblen Strukturen experimentell und numerisch modelliert, die durch eine hohe Cauchy-Zahl charakterisiert sind. Ziel war die Gewinnung grundlegender Informationen über derartige Vegetationsschichten und insbesondere über die Interaktionen zwischen den flexiblen Strukturen und der durch und über diese Anordnung gehenden Strömung. Dieses Ziel wurde in einem deutsch-französischen Gemeinschaftsverfahren verfolgt, an dem drei Teams beteiligt waren. Im Projektteil an der TU Dresden wurden zunächst numerische Verfahren entwickelt, mit denen die sehr anspruchsvolle physikalische Situation simuliert werden kann. Hierzu gehört ein neuer Algorithmus der Fluid-Struktur-Kopplung, sowie ein verbessertes Verfahren der Darstellung von Kollisionen zwischen den Strukturen. Diese Methoden wurden ausführlich validiert und dann eingesetzt, um Konfigurationen verschiedener Komplexität zu simulieren, angefangen von singulären Strukturen, über Anordnungen mit einer einzelnen Reihe von Strukturen, Schichten bestehend aus Elementen mittlerer Cauchy-Zahl bis hin zu einer Konfiguration mit sehr hoher Cauchy-Zahl und mit Seitenwänden, die genau so im Wasserkanal in Lyon aufgebaut worden war. Hierbei wurden zunächst Statistiken der Strömung und der Strukturbewegung bestimmt. Diese Resultate sind neu und interessant. Beispielsweise zeigen sich im Bereich der Vegetationsschicht deutlich geringere Sekundärströmungseffekte als an der freien Oberfläche. Weiterhin wurden Frequenzspektren der Strukturbewegung bestimmt. Sie belegen, dass in der untersuchten Situation kein so genanntes Monami auftritt, eine wellenartige kollektive Bewegung der Strukturen, was sich mit den experimentellen Beobachtungen deckt. Die großen Datenmengen liefern über das Projekt hinaus umfangreiches Material zur weiteren Untersuchung, die gegenwärtig laufen. Die numerische Methode hat sich als ausgesprochen robust und erfolgreich erwiesen. Sie steht nun für ähnliche Fragestellung im biologischen wie im technischen Bereich zur Verfügung.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• A constraint-based collision model for Cosserat rods. Archive of Applied Mechanics, 89(2):167–193, 2019
  Silvio Tschisgale, Louis Thiry, and Jochen Fröhlich
  
• A first simulation of a model aquatic canopy at high Cauchy number. In Proceedings of the 10th Conference on Fluvial Hydraulics (Delft, Netherlands, 7-10 July 2020), London. CRC Press, 2020
  Bastian Löhrer, Delphine Doppler, Sara Puijalon, Nicolas Rivière, J. John Soundar Jerome, and Jochen Fröhlich
  
• An immersed boundary method for the fluid-structure interaction of slender flexible structures in viscous fluid. Journal of Computational Physics, 423:109801, 2020
  Silvio Tschisgale and Jochen Fröhlich
  
• Velocity field in a single row canopy made of flexible blades for a static reconfiguration case and a monami case. In Proceedings of the 10th Conference on Fluvial Hydraulics (Delft, Netherlands, 7-10 July 2020), London. CRC Press, 2020
  Bastian Löhrer, J. John Soundar Jerome, Sylvie Barsu, Nicolas Rivière, Delphine Doppler, and Jochen Fröhlich
  
• An efficient solver for a Cosserat rod of non-constant width applied to a problem of fluidstructure interaction. PAMM, 21(1):e202100152, 2021
  Karl Schoppmann, Bastian Löhrer, Silvio Tschisgale, Jochen Fröhlich, and Emmanuel de Langre
  
• Large eddy simulation of the fluid–structure interaction in an abstracted aquatic canopy consisting of flexible blades. Journal of Fluid Mechanics, 916:A43, 2021
  Silvio Tschisgale, Bastian Löhrer, Richard Meller, and Jochen Fröhlich