Dreidimensionales Modell zur Berechnung des Sedimenttransports bei Ungleichgewicht in Flüssen
Final Report Abstract
Die Berechnung des Sedimenttransports in Flüssen und der dadurch verursachten morphodynamischen Prozesse und Sohlverformungen ist eine wichtige Aufgabe und Herausforderung für Flussbauingenieure. Voraussetzung dazu ist eine erfolgreiche Berechnung der Strömung in Flüssen; diese ist im allgemeinen von komplexer dreidimensionaler Natur, vor allem in gekrümmten Flussstrecken, bei Verzweigungen und im Nahbereich von Bauwerken, weshalb ein allgemein einsetzbares Rechenmodell dreidimensional sein muss. In diesen Flussstrecken sind auch die morphodynamischen Prozesse besonders komplex, und es spielen im allgemeinen Nichtgleichgewichtseffekte beim Sedimenttransport eine wichtige Rolle. In Vorarbeiten wurde ein dreidimensionales numerisches Flussmodell für die Strömung und den Sedimenttransport entwickelt (Wu et al, J. Hydraulic Engineering, 126, 2000), das bezüglich der Strömungsberechnung weitgehend allgemeingültig und leistungsstark ist und auch ein ebenfalls weitgehend allgemeingültiges Modell für den Schwebstoff- und Geschiebetransport enthält, das im Prinzip die Berücksichtigung von Nichtgleichgewichtseffekten beim Sedimenttransport erlaubt. Das Modell konnte allerdings hinsichtlich dieser Effekte noch nicht ausführlich getestet werden, weshalb es erhebliche Unsicherheiten bezüglich der Modellierung dieser Effekte wie auch deren Vermischung mit numerischen Effekten gab. Ziel des Vorhabens war es daher, die Unsicherheiten bei der Behandlung von Nichtgleichgewichtseffekten beim Geschiebetransport zu beheben und insbesondere die in dem Modell für die diese Effekte vorkommende, empirisch vorzugebende Anpassungslänge Ls näher zu untersuchen. Weiter wurde zu Beginn des Vorhabens der Anwendungsbereich des Modells erweitert durch die Berücksichtigung des Einflusses der Schwerkraft auf den Geschiebetransport bei geneigten Sohlen sowie durch eine Weiterentwicklung des Computercodes zur Verwendung von Multiblockgittern und der Parallelisierung zum Einsatz auf modernen Hochleistungsrechnern. Das Rechenprogramm wurde dann ausfuhrlich getestet an 3 gut dokumentierten Laborsituationen, wobei es sich jeweils um Gerinneströmungen mit beweglicher Sohle handelte, bei denen im Experiment die Sohlverformung gemessen wurde. Bei 2 Fallen handelt es sich um die Strömung in einem 180° Krümmer, beim dritten Fall um die Strömung in einem geradlinigen Gerinne mit seitlicher Einengung und anschließender Erweiterung. Es wurden jeweils Rechnungen mit 3 verschiedenen empirischen Formeln für die Bestimmung der Anpassungslänge im Nichtgleichgewichtsmodell durchgeführt sowie auch Rechnungen ohne Berücksichtigung des Nichtgleichgewichtsterms, d.h. unter der Annahme eines Gleichgewichtszustands für den Geschiebetransport. Die Testrechnungen ergaben, dass die Verwendung des Nichtgleichgewichtsmodells zu einer wesentlich besseren Übereinstimmung führt. Die optimale Wahl der empirischen Gleichung für die Bestimmung der Anpassungslänge Ls ist zwar problemabhängig, doch konnten mit der empirischen Formel von Phillips und Sutherland insgesamt recht gute und realistische Ergebnisse erzielt werden.
