Band 4: Analyse von Turbulenzmechanismen in naturnahen Fließgewässern und ihre mathematische Formulierung für hydrodynamische Modelle
Dissertation von Dipl.-Ing. Kaj Lippert
2005 (ISBN 3-937693-03-3)
Abstract
Die Forschungsarbeit widmet sich der Untersuchung von Strömungsverhältnissen in geometrisch gegliederten Gerinnen sowie Sekundärströmungen infolge von Mäandrierung. Der Einfluss dieser beiden Faktoren auf die Strömungscharakteristik ist erheblich vom Abfluss abhängig. Hier werden speziell die Verhältnisse unter Hochwasserbedingungen betrachtet. Diesbezüglich werden Naturmessungen ausgeführt, wo u.a. Wasserstand, Strömungsgeschwindigkeit, Rauigkeitsbeiwerte und turbulente Schubspannungen gemessen bzw. abgeleitet werden. Dazu werden akustische Messverfahren (ADCP, ADV) und ein Differential Global Positioning System (DGPS) eingesetzt. Zur Beschreibung der Strömung wird ein hydrodynamisch-numerisches Modell entwickelt, welches die Flachwassergleichungen löst und das mit algebraischen Ansätzen die getrennte Modellierung der turbulenten Schubspannungen und der Dispersionsterme erlaubt. Als numerische Lösungsverfahren werden Galerkin-FEM und Kontroll-Volumen-FEM verwendet und somit die Bedeutung einer strengen Massenerhaltung für die numerische Berechnung dargelegt.
This thesis involves the investigation of flow conditions in compound channels as well as secondary currents due to channel bends. The impact of these two factors on the mean flow characteristics depends significantly on the degree of discharge. The special focus of this thesis is on flood conditions. Thus, field measurements have been carried out and water levels, velocities, roughness parameters, and turbulent shear stresses have been measured and derived, respectively. Acoustic Doppler Current Profiler, Acoustic Doppler Velocimeter, and Differential Global Positioning System have been applied in the field. A numerical model has been developed in order to solve the shallow water equations. It allows for the separate modelling of turbulent shear stresses and dispersion terms based on algebraic approaches. Galerkin-FEM and Control-Volume-FEM are used as numerical methods demonstrating the importance of mass conservation for the stability of numerical simulation.