Zu kohärenten Turbulenzstrukturen in der Strömung gegliederter Gerinne

von Lukowicz, Joachim; Köngeter, Jürgen

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-5282

Zu kohärenten Turbulenzstrukturen in der Strömung gegliederter Gerinne

von Lukowicz, Joachim

2003

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Joachim von Lukowicz

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2003

UmfangXIV, 147 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2002

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Köngeter, Jürgen (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2002-10-25

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-5282
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/61483/files/Lukowicz_Joachim_von.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Bauingenieurwesen (300000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Offenes Gerinne (Genormte SW) ; Gerinneströmung (Genormte SW) ; Turbulente Strömung (Genormte SW) ; Kohärenz (Genormte SW) ; Strömungsfeld (Genormte SW) ; Geowissenschaften (frei) ; Turbulenz (frei) ; kohärente Strukturen (frei) ; offene Fließgewässer (frei) ; PIV (frei) ; Wirbel (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550

Kurzfassung
Fließgewässer sind integraler Bestandteil unserer Kulturlandschaft und erfordern aufgrund der verschiedenen Nutzungs- und Schutzansprüche eine effiziente Gewässerbewirtschaftung. Dies setzt jedoch eine umfassende Kenntnis der hydrodynamischen Prozesse im Fließgewässer voraus. Inhalt dieser Arbeit ist der experimentelle Nachweis und die Untersuchung von geordneten zeitabhängigen Strömungsphänomenen, sogenannten kohärenten Turbulenzstrukturen, in einem gegliederten Gerinne. Hierzu wurde ein räumlich und zeitlich auflösendes Messsystem auf Basis der Particle-Image-Velocimetrie eingerichtet. Um kohärente Turbulenzstrukturen zuverlässig identifizieren zu können, wurde ein eigenes Detektionsverfahren entwickelt, das die eindeutige Erkennung gewährleistet und gleichzeitig eine quantitative Auswertung ermöglicht. Basierend auf dem Detektionsverfahren lässt sich das regelmäßige Auftreten kohärenter Turbulenzstrukturen im Interaktionsbereich zwischen Hauptgerinne und angrenzendem Vorland nachweisen. Die kohärenten Turbulenzstrukturen besitzen eine dreidimensionale Gestalt, deren Hauptelemente eine horizontale Wirbelbewegung sowie ein Sekundärwirbel sind. Der innere Aufbau kann in einen starren Wirbelkern und einen äußeren Bereich, der mit dem umgebenden Strömungsfeld in Wechselwirkung steht, unterschieden werden. Mittels einer Filterung der Strömungsfelder wurden die kohärenten Turbulenzstrukturen als das dominierende hydrodynamische Phänomen des Interaktionsbereiches ermittelt. Somit ist das von vielen Autoren beschriebene, typische Strömungsbild eines gegliederten Gerinnes mit ausgeprägter Scherzone, starker Sekundärströmung und hoher Turbulenzintensität physikalisch begründet. Weiterhin beeinflussen die kohärenten Turbulenzstrukturen auch den Energiehaushalt, indem sie eine starke Produktion turbulenter kinetischer Energie nahe der Böschungskante generieren. Der so entstehende Netto-Energiezufluss wird durch Sekundärströmung und Turbulenz verteilt. Mit der vorliegenden Arbeit ist der Nachweis der Existenz kohärenter Turbulenzstrukturen im Interaktionsbereich gegliederter Gerinne erbracht und die Voraussetzungen hinsichtlich Messtechnik und Methodik für weiterführende Untersuchungen gegeben. Hierbei ist insbesondere die vertiefte quantitative Beschreibung der kohärenten Turbulenzstrukturen von Interesse sowie deren zeitliche Entwicklung. Auf den so gewonnenen Erkenntnissen wird künftig eine physikalisch begründete Berücksichtigung kohärenter Turbulenzstrukturen bei der Behandlung von Aufgaben zur Gewässerbewirtschaftung möglich sein.

Rivers are an integral part of our environment. Due to different demands in term of utilisation as well as protection an efficient water management is essential. This can only be achieved by a fundamental knowledge of the governing hydro-dynamical processes. In this thesis, the existence of time-dependent organised phenomena, so-called coherent turbulent structures is proved experimentally and these structures are further investigated. A spatial and temporal resolving experimental set-up based on the Particle-Image Velocimetry is used. For detection of the coherent turbulent structures a special method has been developed, which enables to reliable identify the structures and to evaluate them in quantitative matters. Based on this detection-method the regularly appearance of coherent turbulent structures in the shear zone between main channel and adjacent flood plain can be shown. The coherent structures appear to have a three-dimensional shape with a horizontal vortex and a secondary current as their main elements. The internal set-up consists of a vortex core and an outer region which interacts with the surrounding flow field. The coherent turbulent structures are identified to be the dominant flow phenomenon by applying an advanced filter technique to the instantaneous flow fields. Accordingly, the characteristic flow structure in compound channels described by multiple authors- shear zone, secondary currents and high turbulence intensity - can be explained physically by the coherent structures. They also influence the turbulent energy budget by generating a strong production of turbulent kinetic energy within the interaction zone. This net generation of energy is distributed by secondary flows and turbulence fluctuations. The research presented in the thesis on hand could prove the existence of coherent turbulent structures in the shear zone of compound open channels. The appropriate experimental set-up as well as reliable methods have been developed for further studies. Especially a more detailed quantitative description of the structures themselves and also their temporal development are of interest. Based on these results, in the future coherent turbulent structures will be taken into consideration on a physical basis for dealing with practical water management tasks.

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