Auswirkungen einer schräg gleich- oder entgegengesetzt zur ... · Auswirkungen einer schräg gleich- oder entgegengesetzt zur Wellenrichtung laufenden Strömung auf die Wellenausbreitung

Auswirkungen einer schräg gleich- oder entgegengesetzt zur Wellenrichtung laufenden Strömung auf die Wellenausbreitung und Wellenhöhe in einem neuen 3D-Wellen-Strömungsbecken

Dipl.-Ing. Mike Lieske

Prof. Dr.-Ing. Torsten Schlurmann

FKZ: 03KIS107

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Wellen-Strömungs-Interaktion Forschungsprojekt Seegangsbelastungen (Seele)

Gliederung

1. Erweiterungsmaßnahmen des 3D-Wellenbeckens

2. Motivation, Ziele und Methodik

3. Strömungsanalyse ohne Wellen

4. Wellenanalyse ohne Strömung

5. Vergleichsanalyse zwischen nur Strömung, nur Wellen und Wellen-Strömungs-Interaktion

6. Ausblick

KFKI-Seminar 2015 | 25-11-2015 | Lieske

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ERWEITERUNGSMAßNAHMEN DES 3D-WELLENBECKENS


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3D-Wellenbecken 2011


Wellenmaschine

Passive Wellenabsorber (Steinschüttung 1:5)

Gefördert vom Niedersächsische Ministerium für Wissenschaft und Kultur (MWK) Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

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Erweiterungsmaßnahmen 3D-Wellen-Strömungsbecken Stand Januar 2015


Gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) Kuratorium für Forschung im Küsteningenieurwesen (KFKI)

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3D-Wellenmaschine

Pum

pena

nlag

e

Strömungsrückführung

Erweiterungsmaßnahmen des 3D-Wellenbeckens Details


20,1

0 m

15

,10

m

39,75 m 29,75 m

Pum

pena

nlag

e

Strömungsrückführung

Passiver Wellenabsorber

7,0 m

5,0

m

modularer Tiefteil

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5,0 m

0,5 m

1,25 m

Erweiterungsmaßnahmen des 3D-Wellenbeckens Details


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Schlurmann Kerpen Stahlmann

Lieske

Wilms Stahlmann

Stahlmann Mathyl Klein Vortmann

Kerpen

Lieske Kerpen

Klein

Streich

Mathyl Klein Vortmann

Hildebrandt

Antragstellung und Planung (bis 04/2013)

Vorversuche, Dimensionierung (07/2013 – 11/2013)

Baubegleitung, Umsetzung (07/2013 – 01/2015)

Versuchsdurchführung, Auswertung (02/2015 – heute)

Erweiterungsmaßnahmen des 3D-Wellenbeckens Beteiligte Personen


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MOTIVATION


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Bisherige Untersuchungsgrundlagen in physikalischen Modellversuchen


Strömungsverhältnisse Wellenparameter

Bauwerksbelastung Kolkentstehung

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Untersuchungsgrundlage mit der Wellen-Strömungs-Interaktion (WCI)


Strömungsverhältnisse Wellenparameter

Wellen-Strömung-Bauwerk- Interaktion

Bauwerksbelastung Kolkentstehung

Wellen-Strömungs-Interaktion Schwerpunkt des Forschungsprojekts Seegangsbelastungen (Seele)

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Forschungsziel

Was sind die maßgebenden physikalischen Prozesse bei der WCI?

Wie wirken sich die identifizierten Prozesse auf die Belastungsgrößen aus?

Veröffentlichungsergebnisse zur Wellen-Strömungs-Interaktion (WCI) überwiegend aus 2D Modellen mit den Fällen: Strömung in Wellenrichtung Strömung entgegengesetzt der Wellenrichtung

Realitätsgetreuere hydraulische Modellversuche durch 3D Untersuchungen


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Methodik zur Identifizierung der physikalischen Prozesse der WCI

1. Strömungsanalyse ohne Wellen

2. Wellenanalyse ohne Strömung

3. Vergleichsanalyse zwischen nur Strömung, nur Wellen und WCI


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STRÖMUNGSANALYSE OHNE WELLEN


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Wellenmaschine


Strömungsprofile im 3D-Wellenbecken

2 4 6


Vectrino-Sonden (3D-Messung) (3/3)

A

B

C

Wellenmaschine m1 = 0,05⋅di

m2 = 0,275⋅di

m3 = 0,50⋅di m4 = 0,725⋅di

m5 = 0,95⋅di

WSP

di

Position A6

d1 = 0,60 m d2 = 0,80 m d3 = 1,00 m

Mit Wdh.-Versuchen ⇒ 2025 Messungen

Q1 = 1,5 m³/s Q2 = 2,0 m³/s Q3 = 3,0 m³/s Q4 = 4,0 m³/s Q5 = 5,0 m³/s

Strömungs- richtung

Untersuchungsgebiet

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Versuchsaufbau für Querprofil 2


Quer- profil 2

A B C Längsprofile

B2 A2

C2

Wellenmaschine

2 4 6

A B

C

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Messeinstellungen und Qualitätskriterien für die Vectrino Plus und Vectrino Profiler Sonden

Messzeiten Ermittelt über eine Konvergenzanalyse Wartezeiten zwischen den Messungen t = 15 min.

Abtastrate (sampling rate)

fS = 100 Hz

Korrelationswerte

Signal to noise ratio (SNR)

Despiking filter (Ausreißerfilter) Nach Goring & Nikora (2002) sowie Nobuhito Mori (2007)


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Zugabe von Seedingmaterial im Wellenbecken

Injektionslanze

Messflügel

Förderpumpen


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ks-Wertbestimmung für B4 nach Fredsø (1999)


( )* 0

Universelle Geschwindigkeitsverteilung

u z 1 zln c

u z

= ⋅ + κ

s0

s 0

kz

30k z 30

=

⇒ = ⋅

Wellenmaschine

2 4 6

A B C

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Vertikale Strömungsverteilungen B4 (d = 0,60 m)


Wellenmaschine

2 4 6

A B C

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Vertikale Strömungsverteilungen im Untersuchungsgebiet (d = 0,60m)


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Mittlere Strömungsgeschwindigkeit in Beckenmitte in Abhängigkeit von Wassertiefe d und Fördermenge der Pumpenanlage Q


ūmin,d3 = 0,11 m/s

ūmax,d1 = 0,45 m/s

ūmin,d1 = 0,16 m/s

ūmax,d3 = 0,30 m/s

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WELLENANALYSE OHNE STRÖMUNG


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Versuchsaufbau für die Wellenuntersuchungen


Wellenmaschine


1 4 7

A

B

C

Wellenpegel (6/24) Vectrino-Sonde (0/3) DMD (2/8)

Wellenmaschine 140° 60°

0°

CERC6 (1/3) Wellenrichtung

Untersuchungsgebiet

10° Schritte

T1 = 1,2 s T2 = 1,6 s T3 = 2,0 s

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CERC6-Wellenpegelfeld nach Andersen T. L., Frigaard P. B. (2014)


r a

72° 54°

Wellenpegel

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Analysemethoden und Vorgehen

Messzeiten Minimale Wellenanzahl für 3D-Wellenanalyse N = 560 Wellen

Abtastrate (sampling rate) fS = 100 Hz

Analysemethoden

3D-Wellenanalyse nach Bayesian Directional spectrum Method (BDM) (Hashimoto 1998)

2D-Analysen der einzelnen Wellenpegel optisch Auswertung Zeitreihenanalyse Zeitfrequenzanalyse


Wellen-Strömungs-InteraktionForschungsprojekt Seegangsbelastungen (Seele)

3D-Oberflächenspektrum (d = 0,60 m, T = 1,6 s, H = 0,10 m, = 70°) Bayesian Directional spectrum Method (BDM)

Ergebnis:

Einlaufende WelleH = 0,097 mT = 1,595 sT 1,595 sf = 0,63 Hzi = 66,4°

Reflektierte Welle Keine signifikante

W ll fl i0 63 H Wellenreflexion vorhanden

0,63 Hz

66,4°

Seite 26KFKI-Seminar 2015 | 25-11-2015 | Lieske

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0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

1,10

1,20

1,30

1,40

50 60 70 80 90 100 110 120 130 140

(H/L

) gen

/(H/L

) Sol

l

θ [°]

d = 0,60 m T = 2,0 s H = 0,139 m (H/L)Soll = 0,315

3D-Ergebnisse der Wellenerzeugung mit variierenden Winkeln


Mögliche Ursachen: 3D-Wellenanalyse Reflexionsverhalten Wellengenerierung

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Validierung der 3D-Wellenanalyse

Berechnetes Signal


T = 1,28 s; H = 0,073 m; θ = 45° T = 2,0 s; H = 0,139 m; θ = 45°

Wellenhöhe so gewählt, dass in beiden Fällen die gleiche Wellensteilheit H/L = 0,0315 erfüllt ist.

Wellen-Strömungs-InteraktionForschungsprojekt Seegangsbelastungen (Seele)

Validierung der 3D-Wellenanalyse

T = 1,28 s; H = 0,073 m; = 45° T = 2,0 s; H = 0,139 m; = 45°

0,78 Hz

45°

0,50 Hz

45°45 45

Ergebnis:H = 0 073 m H = 0 139 mH = 0,073 mT = 1,28 sf = 0,78 Hz 45°

H = 0,139 mT = 2,0 sf = 0,50 Hz 45°

Seite 29KFKI-Seminar 2015 | 25-11-2015 | Lieske

i = 45 i = 45

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VERGLEICHSANALYSE ZWISCHEN NUR STRÖMUNG, NUR WELLEN UND WCI


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Versuchsaufbau für die WCI-Untersuchungen


Wellenmaschine


1 4 7

A

B

C


Wellenmaschine 110° 90° 70°

0°



Untersuchungsgebiet

m1 = 0,05⋅di

m2 = 0,275⋅di

m3 = 0,50⋅di m4 = 0,725⋅di

m5 = 0,95⋅di

WSP

di

d1 = 0,60 m d2 = 0,80 m d3 = 1,00 m

Q1 = 1,5 m³/s Q2 = 2,0 m³/s Q3 = 3,0 m³/s Q4 = 4,0 m³/s Q5 = 5,0 m³/s

Mit Wdh.-Versuchen ⇒ 400 Messungen

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Verbindung der Dispersionsgleichung mit der Dopplerrelation, Peregrine (1976)

Dispersionsgleichung

Dopplerrelation

Verbindung der Dispersionsgleichung mit der Dopplerrelation u = Strömungsgeschwindigkeit k = Wellenzahl ω = Kreisfrequenz der Wellen im Bezugssystem, in dem u die

Strömungsgeschwindigkeit ist σ = Kreisfrequenz der Wellen relativ zum Wasser d = Wassertiefe g = Erdbeschleunigung


σ = ⋅ ⋅ ⋅2 g k tanhk d

ω = σ + ⋅u k

ω− ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅2( k u) g k tanhk d

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2D-Ergebnisse zur WCI


0,03 0,05 0,07 0,09 0,11 0,13 0,15 0,17Wellenhöhe H [m]

d = 0.60m T = 2.0s Hgen = 0.139m

2s_70°_WoS2s_70°_15Hz2s_70°_30Hz2s_70°_50HzHgen

110°

90°

70°

u1 = 0,00 m/s u2 = 0,15 m/s u3 = 0,30 m/s u4 = 0,45 m/s Hgen

H nimmt zu

H nimmt bis u3 ab

H nimmt zu

Wellenmaschine

110° 90° 70°

0°

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Einfluss der Wellenpegelfeldhalterung bei u4 = 0,45 m/s


Lösung: Verbesserte Signalanalyse z.B. EEMD

Vectrino Sonde

Bereich CERC6

Pfeilerstau u↑ ⇒ sekundär Wellen H↑

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AUSBLICK


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Versuchsaufbau zur Untersuchung des Reflexionsverhalten der drei Beckenseiten nach Maximum Likelihood Method (MLM)


Wellenmaschine


1 4 7

A

B

C



0°


Seite 39


Versuchsaufbau für die WCI-Untersuchungen über die Beckenbreite


Wellenmaschine


1 4 7

A

B

C



0°



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Versuchsaufbau für die WCI-Untersuchungen über die Beckenlänge


Wellenmaschine


1 4 7

A

B

C


110° 90° 70°

0°



2 4 6

Wellenmaschine

Seite 41


WCI mit Pfahlstruktur


Kraftaufnehmer Einzelne verschieb- und drehbare Pfahlsegmente

Variation der Wellenart und –richtung und Strömungsinteraktion

F. Stoll; GIGAWIND life

Seite 42


WCI mit beweglicher Sohle

Versuchsprogramm beinhalten u.a. folgende Untersuchungsschwerpunkte: Kolkentstehung aufgrund von WCI Langzeitversuche


nach A. Schendel; GIGAWIND life

Vielen Dank für Ihr Interesse!

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