Parametrisierung nichtlinearer schiffsinduzierter 3D-Wellenfelder für die hydraulische Bemessung von Schutzbauwerken an Seeschifffahrtsstraßen (Parameterisation of nonlinear ship-induced wave fields - PaNSiWa)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Vorhabens wurde der zu Beginn vorliegende Algorithmus zur Durchführung der periodischen nichtlinearen Fouriertransformation (NLFT) auf Grundlage der Korteweg-de Vries- Gleichung (KdV) für freie Oberflächenwellen im Flachwasser überprüft und erweitert. Durch Vergleichsanalysen mit einem Verfahren für Signale mit ‚vanishing boundary conditions‘ (Signale, die hinreichend schnell auf Null abfallen) konnte gezeigt werden, dass der verwendete Code für die periodische NLFT Solitone in Signalen zuverlässig und korrekt identifiziert. Es wurde gezeigt, dass Solitone sowohl in Signalen als Funktion der Zeit (Zeitreihen) wie auch als Funktion des Ortes (Ortsreihen) durch das Verfahren korrekt und zuverlässig aus den analysierten Daten ermittelt werden konnten. Erstmalige wurden vergleichende Analysen von numerischen Simulationen der Ausbreitung einer Bore von der initialen trapezförmigen Form über undularen Boren bis hin zu Zügen aus Solitonen im weit entfernten Fernfeld durchgeführt. Sowohl für Zeit- als auch Ortsreihen konnten die beobachteten Fernfeldsolitone bereits durch die NLFT- Analyse der initialen Nahfeldwelle identifiziert und vorhergesagt werden. Das Analyseverfahren NLFT für die KdV-Gleichung wurde erfolgreich auf die Ausbreitung von trapezförmigen Boren angewendet, auf langperiodischen Seegang, der in Flachwassergebiete hinter steilen Riffen einläuft, sowie auf langperiodische Schiffswellen. In allen Fällen konnte durch numerische Simulationen gezeigt werden, dass sich die ursprünglichen langperiodischen Wellen im Fernfeld in einen Zug aus Solitonen aufspalten, einhergehend mit einer deutlichen Vergrößerung der maximalen Wasserspiegelauslenkungen. In allen Fällen konnten diese Solitone durch die periodische NLFT bereits durch die Analyse von Nahfelddaten vorhergesagt werden, bevor diese Aufspaltung in den Messdaten sichtbar wurde. Die periodische NLFT ist daher in der Lage die transiente Natur von langperiodischen Wellen im Flachwasser zu erkennen, die nichtlinearen Basiskomponenten zu identifizieren und diese im nichtlinearen Spektrum anzuzeigen. Da bei konstanter Wassertiefe und Gültigkeit der KdV-Gleichung dieses nichtlineare Spektrum bei der Ausbreitung der Wellen konstant ist, dann damit auch die Entwicklung der Welle im Fernfeld vorhergesagt werden. Durch die Anwendung der NLFT auf Schiffswellen konnte auch hier gezeigt werden, dass die langperiodische Primärwelle „versteckte“ Solitone enthält, die bei freier Wellenausbreitung sichtbar werden. Es konnte darüber hinaus gezeigt werden, dass Solitone lediglich aus dem Bug- und dem Heckwellensystem hervortreten. Das Absunktal enthält keine Solitone. Dadurch kann das Analysefenster für bei Schiffswellen erheblich reduziert werden, was zu einer deutlichen Zeitersparnis bei der Analyse führen kann. Schließlich wurde eine 3D-HHT verwendet, um 3D-Schiffswellenfelder erfolgreich in die langperiodische Primärwelle und die kurzperiodischen Sekundärwellenfelder zu trennen. Aufgrund der adaptiven Natur der Zerlegung in der HHT werden die üblichen Nachteile bei der Zerlegung in lineare Wellen bei der herkömmlichen FFT vermieden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Time-frequency analysis of 3D ship-wave fields in maritime waterways. 36th International Conference on Coastal Engineering (ICCE2018).
Brühl, M. & Shet, R.
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Analysis of Bore Characteristics Using KdV-Based Nonlinear Fourier Transform. Volume 6B: Ocean Engineering. American Society of Mechanical Engineers.
Bruehl, Markus; Wahls, Sander; Barranco, Granged Ignacio & Liu, Philipp L.-F.
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Analysis of nonlinear ship-induced 3D wave fields using nonlinear Fourier transform. Coastal Dynamics 2021, June 28 - July 2, 2021, Delft, The Netherlands. 6 pp.
Zhang, H.; Wahls, S. & Brühl, M.
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Nonlinear spectral analysis of wave trains over fringing reefs. Coastal Dynamics 2021, June 28 - July 2, 2021, Delft, The Netherlands. Conference presentation.
Brühl, M.; Wahls. S. & Tissier, M.
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Characterisation of Ship-Induced Long-Period Primary Waves Using Nonlinear Fourier Transform (KdV-NFT). Volume 5B: Ocean Engineering; Honoring Symposium for Professor Günther F. Clauss on Hydrodynamics and Ocean Engineering. American Society of Mechanical Engineers.
Brühl, Markus & Wahls, Sander
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Comparative analysis of bore propagation over long distances using conventional linear and KdV-based nonlinear Fourier transform. Wave Motion, 111, 102905.
Brühl, Markus; Prins, Peter J.; Ujvary, Sebastian; Barranco, Ignacio; Wahls, Sander & Liu, Philip L.-F.
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Water-Depth Identification From Free-Surface Data Using the KdV-Based Nonlinear Fourier Transform. Volume 5B: Ocean Engineering; Honoring Symposium for Professor Günther F. Clauss on Hydrodynamics and Ocean Engineering. American Society of Mechanical Engineers.
de Koster, Pascal; Brühl, Markus & Wahls, Sander
