Sekundärströmung und längsgerichtete Sedimentgrate in offener Kanalströmung über ein mobiles Partikelbett

• Antragsteller: Professor Dr. Markus Uhlmann
• Fachliche Zuordnung: Geotechnik, Wasserbau
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 401776764

Unter turbulenten Bedingungen bilden sich in offenen Kanalströmungen über ein Bett mobiler Sedimentpartikel längsgerichtete Strukturen aus (sogenannte Sedimentgrate oder "ridges"), welche sich in ihrer Entstehung und Wirkung von transversalen Riffeln und Dünen unterscheiden. Diese Bettformen haben signifikante Auswirkungen auf den Impuls- und Skalartransport, und sie treten sowohl in Fliessgewässern als auch in technischen Strömungssystemen mit Partikeln auf (z.B. in der Verfahrenstechnik). Die Entstehung der Sedimentgrate ist eng mit der Existenz von Sekundärströmung in der Ebene senkrecht zur Hauptströmungsrichtung verbunden, welche wiederum von Inhomogenitäten der turbulenten Statistiken in der Spannweitenrichtung hervorgerufen wird. Um die subtile Balance zwischen der transversalen Schubspannung und der Gewichtskraft - welche zur Ausbildung der Sedimentgrate führt - zu untersuchen, planen wir in diesem Projekt, direkte numerische Simulation unter Auflösung der Phasengrenzen, gekoppelt mit einer "discrete element" Methode für die Kontaktkräfte, durchzuführen. Durch betrachten der Konfigurationen mit und ohne Seitenwände werden wir in der Lage sein, den Einfluss von a priori existierender Sekundärströmung (der zweiten Art nach Prandtl) auf dieses Phänomen zu untersuchen. Man geht derzeit davon aus, dass diese turbulenzinduzierte Sekundärströmung in offenen Kanälen mit Seitenwänden die Ausbildung von Sedimentgraten verstärkt, und letztendlich zu multiplen Zellen mit Sekundärwirbeln führt. Die hochgenauen Daten, welche wir in diesem Projekt erzeugen werden, werden es uns erlauben, dies zu überprüfen, und Information über die Skalierungsgesetze der längsgerichteten Bettformen und der davon induzierten Sekundärströmung zu extrahieren. Diese Daten werden wir darüberhinaus nutzen, um den Stand der Forschung in Bezug auf die Stabilitätsanalyse eines flachen Sedimentbettes gegenüber Störungen in der Spannweitenrichtung zu verbessern. Es kann erwartet werden, dass das hier beantragte Projekt unser Verständnis der Dynamik der Partikelströmung so komplettieren wird, dass es zukünftig zur Verbesserung von vereinfachten Modellen für Ingenieursanwendungen führt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen