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Modellierung der Verformung kohäsionslosen Materials durch turbulente Strömungen mit Hilfe der Level Set Methode

Kraft, Susanne :
Modellierung der Verformung kohäsionslosen Materials durch turbulente Strömungen mit Hilfe der Level Set Methode.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2009)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Modellierung der Verformung kohäsionslosen Materials durch turbulente Strömungen mit Hilfe der Level Set Methode
Language: German
Abstract:

Die Sohle eines Fließgewässers besteht meist aus feinen kohäsionslosen Lockersedimenten und ist nicht formstabil. Kann die Sohle den durch die Strömung erzeugten Wandschubspannungen nicht standhalten, wird Sediment flussabwärts transportiert (Erosion). In strömungsschwächeren Gebieten, wo die Schwerkraft der Teilchen überwiegt, lagert sich Sediment an der Sohloberfläche an (Sedimentation). Die Erosion und Sedimentation führen zu Verformungen der Sohle, die sich auf die Strömung und die damit verbundene Sedimenttransportrate auswirken. Unter bestimmten Strömungsbedingungen bilden einige Materialen sogenannte Riffel aus. Riffel sind kohärente regelmäßige Oberflächenstrukturen. Sie besitzen einen dynamischen Gleichgewichtszustand. Das bedeutet, dass die Riffel ihre Gestalt behalten, jedoch nicht ortsfest sind. Die Riffel bewegen sich mit einer Wanderungsgeschwindigkeit, die relativ gesehen klein zur Strömungsgeschwindigkeit ist. Als Neuerungen bei der Modellierung von Riffeln wird für die dynamische Grenzfläche zwischen Fluid und Sediment die Level Set Methode von Osher und Sethian angewendet, die sich als besonders genaue und flexible Methode bei der Abbildung von Grenzflächen zwischen Medien etabliert hat. Hierbei wird die Grenzfläche durch die Nullstellenmenge einer vorzeichenbehafteten Abstandsfunktion definiert. Die Bewegung der Grenzfläche wird mit Hilfe einer Ausbreitungsgeschwindigkeit normal zur Grenzfläche beschrieben. Diese ist vom jeweiligen physikalischen Phänomen abhängig und wird im vorliegenden Fall von der Physik des Sedimenttransports bestimmt. Im speziellen ist dies ein Mechanismus zum Abtrag und zur Ablagerung von Sediment. Wird die für das Sediment kritische Wandschubspannung überschritten, wird Sediment erodiert. Die Erosionsrate wird im Rahmen dieser Arbeit mit drei verschiedenen Pick-up Gleichungen berechnet. Die erodierten Sedimentpartikel werden in Suspension weiter transportiert. Dieser Partikeltransport wird über die Konzentrationsverteilung mit Hilfe der Konvektions-Diffusions-Gleichung beschrieben. Die Sedimentationsrate ist eine Funktion aus der Sedimentkonzentration in Bodennähe und der Sinkgeschwindigkeit des Sediments. Zur Beschreibung der Turbulenz wird die Large-Eddy Simulation verwendet. Im Zuge der Ermittlung der kritischen Wandschubspannung wird ein von Zanke vorgeschlagenes Verfahren implementiert und getestet. Hierfür wird eine modifizierte Abtragsgleichung erstellt, die Entstehung einer Riffelstruktur analysiert und die Riffelwanderung bei verschiedenen Reynoldszahlen untersucht. Die Riffelwanderung sowie die Riffelbildung wird mit der implementierten Level Set Methode erfolgreich abgebildet.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
A stream bed is mostly composed of non cohesive material and following inherently unstable. If the bed cannot resist the wall shear stress, sediment erodes and is transported downstream and settles down in tranquil flow regions. Erosion and sedimentation deform the river bed. Under certain conditions, ripple structures are developed, which influence the sediment transport rate. Ripple structures have a dynamic state of equilibrium, which means that they keep the shape but are not spatially fixed. The ripples move with a certain migration velocity, which is small compared to the mean velocity. In this work, the ripple movement and the development of a ripple structure in a channel flow is numerically calculated using the Large Eddy Simulation and the Level Set Method, established by Osher and Sethian in order to track the motion of an interface. The interface between fluid and sediment is defined as the zero level set of a signed distance function. The interface speed is given by the speed function which inherently models the interface physics and hence may depend on space, time and geometry of the surface. In this study it depends on the physics of the sediment transport. If the wall shear stress exceeds the critical wall shear stress the sand particles erode. The erosion rate is calculated with three different pick-up functions. The eroded sand particles are carried by the fluid in suspension. The distribution of the sediment concentration is calculated with the convection-diffusion-equation. The rate of sedimentation depends on the concentration near the stream bed and the fall velocity of the sediment. For the calculation of the critical bed shear stress, the approach of Zanke is implemented and tested. A new modified pick-up equation is created and with this the ripple development and movement at different Reynolds numbers is analyzed. The ripple movement and development is successfully described with the implemented Level Set Method.English
Uncontrolled Keywords: turbulent flow, large eddy simulation, level set method, sediment transport
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
turbulent flow, large eddy simulation, level set method, sediment transportEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Maschinenbau > Strömungsdynamik
Date Deposited: 23 Dec 2009 16:06
Last Modified: 07 Dec 2012 11:56
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-20098
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Oberlack, Prof. Dr.- Martin and Schäfer, Prof. Dr. Michael
Refereed: 24 November 2009
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2009
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