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Morphodynamisch-numerische Modellierung von Flußkurven

Mewis, Peter:
Morphodynamisch-numerische Modellierung von Flußkurven.
Darmstadt . ISBN 3-936146-04-7
[Book], (2002)

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MEWIS_MITTEILUNG_HEFT_126.PDF - Published Version
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Item Type: Book
Title: Morphodynamisch-numerische Modellierung von Flußkurven
Language: German
Abstract:

In der Arbeit wird das morphodynamisch-numerische Modell SMOR vorgestellt. Es ist allgemein für die Simulation von dreidimensionaler Strömung mit beweglicher Sohle in beliebigen Geometrien geeignet und wird in seiner Anwendung auf Flußkurven beschrieben.

Die Neigung zur Mäandrierung ist fast allen großen Flüssen und kleineren Wasserläufen zu eigen. Ein wesentlicher Schritt zur morphodynamischen Modellierung von Flüssen ist daher die korrekte Beschreibung der Flußkurven.

In der vorgelegten Arbeit werden zunächst die bekannten komplexen Strömungsverherältnisse in einer Flußkurve beschrieben. Aus ihnen und den dazugehörigen Verteilungen der Schubspannungen können bereits Grundzüge der Morphologie der Flußkurven abgeleitet werden. Es wird ein Überblick der bekanntesten Laborversuche ohne und mit beweglicher Sohle gegeben.

Die aus der Literatur bekannten Erfahrungen mit numerischen Modellen mit beweglicher Sohle werden kurz angesprochen. Diese sind fast ausschließlich zweidimensionale Modelle.

Der gerade in Flußkurven wesentliche Vorgang des Hangabwärtstriebes (im englischen als ”transverse” oder ”downslope transport” bekannt) ist eingehend behandelt. Die bisherigen Rechenansätze werden dabei kritisch dargelegt. Es wird eine allgemein einsetzbare neue Formulierung vorgestellt.

Das morphodynamisch-numerische Modell SMOR erlaubt die Berücksichtigung unerodierbarer Sohllagen. Dies ist notwendig, wenn Buhnen im Fluß vorhanden sind. Zum Transport auf fester Sohle wird ein einfaches schnelles Verfahren eingesetzt. Dabei erweisen sich Modelle als vorteilhaft, die eine spezielle Geschiebetransportschicht verwenden. Der Einfluß der Dispersion auf den Geschiebetrieb wird in eine für numerische Modelle geeignete Form gebracht.

Bei der Entwicklung des Modells SMOR sind aus verschiedenen Gründen unerwartete Effekte aufgetreten. Ein solcher Effekt war die Beobachtung der Instabilität der Sohle im zweidimensionalen Fall. Diese bereits in den mathematischen Gleichungen enthaltene Instabilität führt zu alternierenden Bänken und ist auch für die Flußkurven relevant. Ein zweiter Effekt war das Auftreten von Instabilität für den dreidimensional hydrostatischen Fall. Dabei kommt es zur Bildung von Dünen. Beide Instabilitäten werden durch den Hangabwärtstrieb wesentlich beeinflußt. Letztere konnte unterdrückt werden, was für die Darstellung und Auswertung der Ergebnisse sehr vorteilhaft war.

Das Auftreten von entkoppelten Lösungen konnte nicht vollständig vermieden werden. In SMOR wurde eine Formulierung gefunden, die relativ stabil ist.

Eine kurze Zusammenstellung der Methoden für morphologische Langfristprognosen dient der Einordnung der in SMOR verwendeten Methode des morphologischen Beschleunigungsfaktors.

An einigen Beispielen, darunter eine Flußkurve der Elbe, wird die Einsatzfähigkeit des Modelles SMOR demonstriert.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The morphodynamic-numerical model SMOR is reported about in this work. This model is described in his application to river bends. Beyond this it is generally applicable for the simulation of threedimensional flow fields with movable bed in arbitrary geometries. Most rivers and creeks tend to develop meanders. The correct simulation of river bends is therefore a substantial step towards the morphodynamic modeling of rivers. At the beginning of the present work the known complex current patterns in a river bend are described. From them and the shear stresses induced by them main-features of the morphology of river bends can be derived. A short review of the known laboratory experiments with movable and fixed beds is given. The experience with numerical models with movable bed reported about in the literature is shortly reported. These are almost twodimensional models. The effect of transverse or downslope transport is essential in river curves. It is therefore treated more attentive. The known approaches are critically revised and a generally usable new formulation is presented. The morphodynamic-numerical model SMOR allows to account for unerodible bottom layers. This becomes necessary if groynes are to be modeled in the river. A simple and fast algorithm is used to accomplish this task. Models that use a special layer of transported bedload material have shown to be favorable. A formulation usable for numerical models for the dispersion within the bedload transport has been derived. During the development of the model SMOR unexpected effects have shown for different reasons. One effect was the determination of an instability of the bottom in the twodimensional case. This instability contained already in the mathematical equations leads to alternate bars and is important for river bends as well. A second effect was the appearance of an instability in the threedimensional hydrostatic case. Dunes start to develop in this case. Both instabilities were influenced significantly by the downslope transport. The later one could even be suppressed, what was of advantage for the representation and analysis of the results. The appearance of decoupled modes in the solution could unfortunately not be avoided completely. Nevertheless in SMOR a formulation has been used, that is relatively stable. A short itemization of the methods for long term simulations is given as a comparison with the method of a morphodynamic acceleration factor used in SMOR. Some examples, one from a river bend of the river Elbe, demonstrate the abilities of the morphodynamic-numerical model SMOR.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 13 Faculty of Civil and Environmental Engineering > Institute of Hydraulic and Water Resources Engineering > Hydraulic Engineering
Date Deposited: 21 Mar 2017 15:57
Last Modified: 22 Mar 2017 06:56
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-61100
Additional Information:

Mitteilungsheft 126

Additional Information:

Mitteilungsheft 126

Referees: Zanke, Prof. Dr. Ulrich and Bechteler, Prof. Dr. Wilhelm
Refereed: October 2001
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/6110
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