Moderne numerische Tools für die Strömungslehre

Entlang der europäischen Küstenlinie finden sich zahlreiche künstliche Bauten, die normalerweise die Form von mit Schutt errichteten Dämmen haben. Diese Vorrichtungen sind oftmals nicht gerade schön anzuschauen und auf keinen Fall umweltfreundlich für die umliegenden ökologischen Systeme.

Das von der Europäischen Kommission finanzierte DELOS-Projekt richtete sich auf die Konstruktion von sowohl umweltfreundlicheren als auch kosteneffektiven Küstenschutzbauten. Das Konsortium umfasste einen multidisziplinären Zusammenschluss von Experten aus den Bereichen Bau von Küstenschutzsystemen, Küstenozeanographie, Meeresökologie und Sozialökonomie.

Eines der bedeutendsten Projektergebnisse war die numerische Modellierung zur Produktion eines neuen 3D-Tools für die genaue Vorhersage von wichtigen Strömungsprozessen wie Überströmung und Übertragung. Die Projektteilnehmer arbeiteten außerdem an der Kalibrierung bestehender moderner Instrumente der numerischen Strömungssimulation (Computational Fluid Dynamics – CFD).

Hierbei wurde insbesondere der sogenannte dreidimensionale Navier-Stokes-Löser NS3 für die Analyse und Untersuchung aller möglichen Probleme der Strömung und des Sedimenttransports weiter entwickelt. Das neue Modell besitzt beispielsweise das Potenzial zur Beschreibung der unmittelbar freiliegenden Oberfläche für die Simulation der Wellenbrechung in der Brandungszone.

Die 3D-Strömung um die Unterwasserstrukturen konnte für gewöhnlich durch die alleinige Verwendung von physikalischen Modellen oder Felddaten zuverlässig und genau beschrieben werden. Mit dem neuen Modell ist aber die Anwendung von NS3 für die Strömungssimulation über und um diese Strukturen möglich. Durch die angemessene Beschreibung der räumlichen und zeitlichen Turbulenzstruktur unter den Bedingungen von brechenden und gebrochenen Wellen kann außerdem die vertikale Strömungsstruktur genau simuliert werden.

Die Forschungsarbeiten richteten sich auf auf die Überprüfung der Fähigkeiten des NS3-Modells bei der Beschreibung der feldnahen Strömungen um undurchlässige Unterwasserstrukturen. Eine solche Strömung umfasst insbesondere 3D-Prozesse wie der Wellenbrechung unter schräg eintreffenden Wellen oder der Wellenausbreitung um die Köpfe der Bauwerke.

Die im Wellenbecken von Aalborg durchgeführten Experimente ermöglichten die Validierung des Modells, wobei die numerischen Ergebnisse mit den Aufzeichnungen der freien Oberfläche in angemessener Weise übereinstimmten. Obwohl sich das Modell noch in seiner Entwicklung befindet, erwartet man, dass es sich in den kommenden Jahren zu einem wichtigen Instrument für die Strömungssimulation bei der Errichtung von umweltfreundlichen Unterwasserstrukturen entwickeln wird.

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Jens Kirkegaard
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