Hybride Modellierung deichbruchinduzierter Strömungen für ein idealisiertes Breschennahfeld an Fließgewässern

Roger, Sebastian; Köngeter, Jürgen

doi:31490

Hybride Modellierung deichbruchinduzierter Strömungen für ein idealisiertes Breschennahfeld an Fließgewässern = Hybrid modelling of dike-break induced flows for the near field of an idealised breach at inland waterways

Roger, Sebastian (Author)

2011 & 2012

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Sebastian Roger

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2011

UmfangXXIX, 300 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Prüfungsjahr: 2011. - Publikationsjahr: 2012

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Köngeter, Jürgen (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2011-11-18

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-38761
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/459436/files/3876.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft (314410)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Reynoldssche Gleichung (Genormte SW) ; Deichbruch (Genormte SW) ; Navier-Stokes-Gleichung (Genormte SW) ; Hydromechanik (Genormte SW) ; Numerische Strömungssimulation (Genormte SW) ; Modellversuch (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; hybride Modellierung (frei) ; Flachwassergleichungen (frei) ; dike break (frei) ; computational fluid dynamics (frei) ; model tests (frei) ; shallow water equations (frei) ; Reynolds-averaged Navier-Stokes equations (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Binnendeiche sind Erdbauwerke des technischen Hochwasserschutzes, die ein Fließgewässer vor allen Dingen in dicht besiedelten Regionen beidseitig flankieren. Wenn diese Schutzeinrichtungen im Hochwasserfall versagen, wird durch die entstandene Bruchstelle eine Flutwelle in das vormals geschützte Deichhinterland ausgelöst, mit bisweilen verheerenden Auswirkungen. Moderne Hochwasserschutzkonzeptionen sowohl im hoheitlichen als auch im privatwirtschaftlichen Bereich negieren eine absolute Sicherheit und bedienen sich stattdessen risikoorientierter Bemessungsphilosophien. Zur Abschätzung des Risikos als Produkt aus Versagens-wahrscheinlichkeit und Schadenspotentialen muss eine Vielzahl von hypothetischen Deich-bruchszenarien berechnet werden. Diese Berechnungen basieren oftmals notgedrungen auf Modellen mit vereinfachenden Annahmen, die jedoch im unmittelbaren Breschennahbereich aufgrund der dort vorherrschenden komplexen Strömungsbedingungen nicht unbedingt zutreffen müssen. Es stellt sich daher die Frage nach der Qualität der so gewonnen Modellaussagen zu deichbruchinduzierten Strömungen. Aufbauend auf theoretischen Grundlagen und phänomenologischen Vorüberlegungen wird ein hybrides Untersuchungskonzept abgeleitet, in dem sich experimentelle Modellversuche und numerische Simulationen gegenseitig ergänzen. Die Besonderheit dabei liegt in der systematischen Isolation und Überprüfung der jeweiligen Schwachpunkte und Vereinfachungen bis hin zur Dimensionalität. Dazu werden in aufwendigen Modellversuchen charakteristische Strömungsfeldgrößen mit hochgenauer Messtechnik detailliert aufgezeichnet. Daraus ergibt sich eine vollkommen neuartige Datengrundlage in Form der horizontalen Fließgeschwindigkeits-vektoren über die Fließtiefe für das luftseitige Breschennahfeld. Die korrespondierenden hydronumerischen Modellierungen werden auf Basis der zweidimensional tiefengemittelten Flachwassergleichungen mit den universitären Eigenentwicklungen DGFlow und WOLF 2D sowie auf Basis der REYNOLDS-gemittelten NAVIER-STOKES-Gleichungen mit dem kommerziellen Programm STAR-CD durchgeführt. Die vollständig dreidimensionalen Simulationen einer deichbruchinduzierten Strömung stellen ebenfalls ein Novum dar. Mit den numerischen Modellen werden die experimentellen Konfigurationen im Labormaßstab nachgerechnet und den Messergebnissen gegenübergestellt. Es werden sukzessive die stationäre und dynamische Phase der deichbruchinduzierten Strömung betrachtet, wobei die multidimensionalen Simulationsergebnisse auch untereinander verglichen werden. Zunächst wird der zeitunabhängige Breschendurchfluss als zentrale numerische Zielgröße ausgewertet, der durch die dreidimensionale Numerik signifikant besser abgebildet wird. Gezielte Analysen einzelner Flachwasserapproximationen offenbaren eine geringe Sensitivität des Breschendurchflusses gegenüber Turbulenz- und Rauheitsansätzen. Die Einflüsse sowohl der hydrostatischen Druckannahme als auch infolge Vernachlässigung des dreidimensionalen Geschwindigkeitsfeldes auf die Durchflussaufteilung und Flutwellenausbreitung werden nachgewiesen. Damit können Perspektiven für ingenieurpraktische Deichbruchszenarien aufgezeigt und kritisch bewertet werden.

Inland dikes are earth fill flood protection structures along river banks to protect densely populated areas from flooding. In case of a failure of such protective measures (breach) a flood wave is initiated into the hinterland and may cause extensive damages. Massive flood events and recurring dike breaks indicate that inland flood protection systems may be vulnerable and the resulting risk has to be determined. Mathematically the risk is obtained by multi-plying the probability of a dike failure by the extent of damage caused in the event of a collapse. The assessment of this risk involves the identification of inundated areas as well as flow depths and velocities for several hypothetical scenarios. Enforcedly, these computations are often based on simplified models, which are applied in spite of complex flow conditions nearby a breach. The question is whether the quality of modelling results is sufficient with respect to dike-break induced flows. Based on theoretical foundations and phenomenological considerations, experimental and numerical models are combined in a hybrid approach. Assumptions, simplifications, and weak points of several models are systematically isolated and investigated, which is also true for the respective dimensionality. For that purpose, characteristic flow field quantities are recorded with sophisticated measurement techniques during laborious model tests taking into account the specific boundary conditions of dike-break induced flows. The outcome of this is a novel data set in terms of horizontal flow velocity over water depth for the air side nearby the breach. The corresponding hydro-numerical computations are performed by two university codes, solving the two-dimensional depth-averaged shallow water equations, namely DGFlow and WOLF 2D, as well as the commercial code STAR-CD based on the REYNOLDS-averaged NAVIER-STOKES-equations. The complete three-dimensional computations of dike-break induced flows are a novelty, too. All experimental configurations of the model tests are computed in bench-scale. Afterwards, numerical results are compared with the respective measurements. The static impact and the dynamic period are regarded successively, while the multidimensional simulation results will also be matched among themselves. First of all the time-independent discharge through the breach is evaluated as numerical target value which is significantly better calculated using the three-dimensional formulation. Selective analyses of individual shallow water assumptions manifest a low sensitivity of steady-state breach discharges compared to different turbulence and roughness approaches. The influence of both, a hydrodynamic pressure field as well as a three-dimensional distribution of flow velocities, on the flow split and the flood wave propa-gation is demonstrated. Therewith, the outlook for long-term and large-scale inundations – like in engineering-relevant dike break scenarios – is presented, discussed, and evaluated.

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