The unsteady interaction of gust with forest edges
Forestry
Final Report Abstract
Es wurden die Windkräfte auf das Kronendach eines Waldes im kantennahen Bereich untersucht, die durch selten auftretende und außergewöhnlich starke und schnelle Böen (Extremböen) hervorgerufen werden. Die Untersuchungen wurden in einem Windkanal an einem kleinmaßstäblichen Waldmodel durchgeführt. In den Windkanalexperimenten wurden Eigenschaften der simulierten Extremböen wie deren Geschwindigkeit, Dauer und Länge, sowie Waldkantenausbildungen mit unterschiedlichen Traufwinkeln untersucht. Im Falle einer auf eine Waldkante auftreffenden Extremböe kommt es zu einem Strömungsphänomen, bei dem sich durch gleichzeitige Einströmung in und Überströmung über den Wald im kantennahen Kronendachbereich ein Primärwirbel bildet, der im Abstand von etwa 2 bis 5 Baumlängen hinter der luvseitigen Waldkante zu einer abwärts gerichteten Umlenkung der Strömung und somit zum Eintrag von Windkräften in das Kronendach führt. Es zeigte sich, dass von den Extremböeneigenschaften die Geschwindigkeit, ausgedrückt durch einen Böenfaktor, maßgeblich die Stärke der maximalen Windkräfte auf das Kronendach eines Waldes bestimmt. Die maximalen Windkräfte nehmen bei höheren Geschwindigkeiten (größerer Böenfaktor) zu. Eine Abhängigkeit der maximalen Windkräfte von der Dauer einer Böe konnte nicht festgestellt werden. Für die Eigenschaft Länge sind, bei kürzeren Böen, bedingt durch die näher an der Waldkante einsetzende abwärts gerichtete Umlenkung der Strömung durch den sich bildenden Wirbel, größere maximale Windkräfte auf das Kronendach zu verzeichnen. Eine zunächst so nicht erwartete Feststellung ist, dass bei einem Wald mit stark abgeschrägter Traufkante (Traufwinkel 33°) während eines Extremböenereignisses größere maximale Windkräfte ins Kronendach eingetragen werden als bei einem Wald mit senkrechter Traufkante (Traufwinkel 90°). Diese Feststellung ist äußerst interessant für den Waldbau, da im Forstwesen davon ausgegangen wird, dass eine abgeschrägte Traufkante zu geringeren Windkräften führt (was beim Nichtvorhandensein von Extremböen auch zutrifft!). Eine Erklärungshypothese ist, dass ein Teil der sich annähernden Extremböe bei kleineren Traufwinkel sachter entlang der Waldoberkante aufgleitet, wobei mehr von ihrer mittleren kinetischen Energie erhalten bleibt, die dann im Folgenden durch den sich bildenden Wirbel abwärts in das Kronendach umgelenkt wird. Die Ergebnisse der Untersuchungen liefern zudem eine mögliche Erklärung für ein Sturmschadensmuster, bei dem die Bäume im kantennahen Bereich unversehrt geblieben sind, geschädigte Bäume jedoch im Abstand von einigen Baumlängen hinter der Kante vorzufinden sind. Ein solches Schadensmuster ist gelegentlich nach stärkeren Sturmereignissen zu beobachten und seine Entstehung wird häufig mit der besseren Verwurzelung der randnahen Bäume begründet, was aber nicht der einzige Grund zu sein scheint. Die Untersuchungen zeigen, dass das Schadensmuster insbesondere auch als Folge einer (oder mehrerer) Extremböen anzusehen ist, wobei ein sich kantennah bildender Primärwirbel über dem Kronendach die Überströmung nach unten umgelenkt und starke Impulskräfte in das Kronendach einleiten. Im Vergleich zu windklimatypischen Strömungssituationen, d.h. ohne Extremböe, nimmt der ins Kronendach gerichtete Windkrafteintrag bei einigen Extremböen bereichsweise weniger stark mit der Entfernung von der Waldkante ab. Dabei kann es zu einer Überschreitung der durch adaptives Wachstum angeeigneten, ertragbaren Windlast der Bäume hinter der Waldkante kommen, was zum Versagen führt. Abschließend ist anzumerken, dass das Vorhaben erfolgreich abgeschlossen werden konnte und zu wichtigen Erkenntnissen hinsichtlich des Impulseintrags im Kantenbereich von Waldbeständen geführt hat.
Publications
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(2015) Introduction of a new forest model for wind-tunnel studies and PIV-measurements of flow phenomena at the windward forest edge. Procedings 23. GALA Fachtagung "Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik", Dresden, Germany, Sep. 2015, pp. 43.1-8
Gromke, C., Ruck, B.
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(2015) Study on the Reynolds Number (In)Dependence of the Flow at a Wind-Tunnel Forest Model. Proceedings 14th International Conference on Wind Engineering ICWE14, Porto Alegre, Brazil, June 2015, 8 p.
Gromke, C., Ruck, B.
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(2016) PIV-measurements on the momentum transfer in the forest edge region during extreme gusts. Procedings 24. GALA Fachtagung "Experimentelle Strömungsmechanik", Cottbus, Germany, Sep. 2016, pp. 37.1-10
Gromke, C., Ruck, B.
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(2017) Cause for a wind-induced damage pattern in the forest edge region. Procedings 25. GALA Fachtagung "Experimentelle Strömungsmechanik", Karlsruhe, Germany, Sep. 2017, pp. 53.1-6
Gromke, C., Ruck, B.
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(2018) On Wind Forces in the Forest Edge Region during Extreme Gust Passages and Their Implications for Damage Patterns. Boundary-Layer Meteorology
Gromke, C., Ruck, B.
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(2018) Wind tunnel model of the forest and its Reynolds number sensitivity. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Vol. 175, pp. 53-64
Gromke, C.
