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Stranderosion - Sedimentbewegung bei wellenerzeugter hoher Orbitalgeschwindigkeit im großen Wellenkanal Hannover

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Der große Wellenkanal in Hannover ist die größte Forschungseinrichtung dieser Art auf der Welt.
Eine Wellenmaschine mit einer hydraulischen Antriebsleistung von 900 KW setzt die Wassermassen in
Bewegung. Wellenhöhen bis maximal 2,50 m können hier als regelmäßige Welle oder als Wellenspektrum generiert werden. Dabei wird die Wellenbewegung
vom Computer gesteuert.
Die Wellen durchlaufen einen Kanal von 320 m Länge, 5 m Breite und 7 m Tiefe. Die Wasserteilchen einer Welle bewegen sich anscheinend in Richtung der fortschreitenden Welle. In Wahrheit beschreiben sie aber im Tiefwasser sogenannte Orbitalbahnen ohne eine resultierende Fortbewegung. Die
oberflächennahen elliptischen Orbitalbahnen werden mit Annäherung an die Sohle infolge von Turbulenzen und Wirbelbildung immer flacher. Dicht über der Sohle bleibt von der Bewegung nur noch eine alternierende Strömung in Richtung der fortschreitenden Wellen und dazu entgegengesetzt übrig. Sie bewirkt den Sedimenttransport.
Durch dieses Fenster kann man seitlich in den
Wellenkanal hineinschauen und die Turbulenzen und Wirbelbildungen an der Sandsohle beobachten, hier am Abhang eines ca. 60 cm breiten Rippels.
Im Teilprojekt A6 werden Transportvorgänge an einer ebenen Sohle untersucht, mit Wellenhöhen zwischen 0,5 und 1,8 m und Wellenperioden zwischen 6 und 9 Sekunden. Die Wassertiefen betrugen 4,50 m und 3,20 m.
Der folgende Versuch wird bei einer Wassertiefe von 4,50 m und einer Wellenperiode von 6 Sekunden durchgeführt. Die Wellenlänge beträgt dabei 35 m.
Die Makroaufnahmen haben eine Bildfeldhöhe von ca. 3 cm und eine Bildfeldbreite von ca. 4 cm. Die folgenden Bilder zeigen die sohlnahe Grenzschicht über dem Sandboden.
Die Bewegungen an der Sohle wurden mit 500 Bildern pro Sekunde aufgenommen und werden daher hier 20-fach zeitlich gedehnt wiedergegeben. Ein durchlaufender Wellenberg erzeugt die von links nach rechts gerichtete Strömung. Die Stokes'sche Wellentheorie zweiter Ordnung liefert an der Sohle eine Orbitalgeschwindigkeit von maximal 1,30 Meter pro Sekunde. Das folgende Wellental erzeugt eine Strömungsumkehr. Hier sollte theoretisch eine maximale Orbitalgeschwindigkeit von 0,9 Meter pro Sekunde erreicht werden. Wir nehmen an, dass die Bewegung einzelner Sandkörner, also die tatsächliche Geschwindigkeit der Sedimente an der Sohle, annähernd gleich der wahren Orbitalgeschwindigkeit der Wasserteilchen ist. Dies ermöglicht einen Vergleich mit den berechneten Orbitalgeschwindigkeiten. Strömungsumkehr. Mit rasch anwachsender Geschwindigkeit wird die Strömung turbulent und an den einzelnen aus der Sohle herausragenden Sandkörnern lösen sich Wirbel ab. Der erste Sprung eines Korns wird durch die Einwirkung von Turbulenz, Sohlschubspannung, Sog und Form widerstand beeinflusst. Die von den Wellen erzeugte Strömung führt zur Bildung einer instationären sohlnahen Grenzschicht. Darin wird die eigentliche Kornbewegung beobachtet.
Für die gewählten Wellenparamter liefert die Wellentheorie eine Orbitalgeschwindigkeit von maximal 1,10 m pro Sekunde in beiden Richtungen. Tatsächlich misst man eine wesentlich geringere Strömungsgeschwindigkeit.
Hier rot der Bereich zwischen den ermittelten maximalen Geschwindigkeiten unter dem Wellenberg rechts bzw. unter dem Wellental links, abhängig von der Wassertiefe. Die Messwerte sind relativ niedrig, dabei ist zu beachten, dass sich der Bildausschnitt größtenteils innerhalb der dunkelbraunen Grenzschicht befindet. Diese hat eine berechnete Schichtdicke von 1,4 cm und ein charakteristisches exponentielles Geschwindigkeitsprofil. Es zeigt, wie die Orbitalgeschwindigkeit vom Wert 0 an der Sohle auf die Orbitalgeschwindigkeit in der ungestörten Zone über der Sohle anwächst.
Die Sohlbewegung spielt sich in einer sehr dünnen, ungefähr 1 mm dicken Schicht ab. Dieser Wert liegt deutlich unterhalb der zunächst erwarteten Größenordnung von einigen Zentimetern.
Im folgenden Versuch wird die Wassertiefe auf 3,2 m verringert. Die Wellenhöhe beträgt nur noch 1,40 m. Die Periode 8 Sekunden. Dann ergibt sich eine Wellenlänge von 45 Meter.
Beim Passieren eines Wellenbergs sollte die Orbitalgeschwindigkeit an der Sohle nach der Stokes'schen Wellentheorie zweiter Ordnung maximal 1,90 m pro Sekunde betragen. Die lineare Wellentheorie ergibt dagegen nur eine Orbitalgeschwindigkeit von maximal 1,10 m pro Sekunde in beiden Richtungen. Die Berechnungen nach der linearen Wellentheorie liefern daher im Bereich unmittelbar über der Grenzschicht bessere Ergebnisse als Theorien höherer Ordnungen. Die Sandkörner in der obersten Schicht der Sohle werden ab einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit herausgelöst und in Strömungsrichtung transportiert. Unterschreitet die sohlnahe Orbitalgeschwindigkeit einen Mindestwert, so endet diese Bewegung und suspendierte Sedimente sinken auf die Sohle herab. Erst wenn die Orbitalgeschwindigkeit der Umkehrströmung einen bestimmten Grenzwert überschritten hat bewegen sich die Sandkörner weiter. Ist die maximale Strömungsgeschwindigkeit erreicht, so treten an der Sohle sogenannte Sheet-Flow-Zustände auf. In diesem Falle hochturbulenter Strömung werden die Sandkörner in einer dünnen Schicht - getragen durch Dilatationsspannungen -, hin und her bewegt. Hierbei findet ein Impulsaustausch zwischen ruhendem und bewegtem Material statt.
Die Orbitalgeschwindigkeit beträgt nach der Wellentheorie erster Ordnung maximal 1,10 m/s beiden Richtungen.
Der rote Bereich gibt die tatsächlich gemessenen maximalen Strömungsgeschwindigkeiten, auch innerhalb der dunkelbraunen Grenzschicht wieder, die theoretisch 2 cm dick sein soll.
Tatsächlich spielt sich die Sohlbewegung aber wieder nur innerhalb einer etwa 1 mm dicken Schicht ab. Dies liegt deutlich unter dem Literaturwert von mehreren Zentimetern.
Bei gleichbleibender Wassertiefe und einer halb so langen Periode von 4,0 Sekunden und einer Wellenhöhe von 1,10 Metern, ergibt sich eine Wellenlänge von 20 Metern.
Der Vergleich der beiden Wellen formen zeigt die wesentlichen Veränderungen.
Bei den Wellen-Parametern dieses laufenden Versuchs ergibt die Theorie zweiter Ordnung eine maximale Orbitalgeschwindigkeit von 0,75 m/s über der Sohle. Bei einer derart niedrigen Geschwindigkeit herrscht an der Sohle nur eine geringe Aktivität. Es wird nur sehr wenig Bodenmaterial suspendiert und transportiert. Unter diesen Umständen wird an der Sohle auch kein Sheet-Flow-Zustand beobachtet.
Die lineare Wellentheorie ergibt eine maximale Orbitalgeschwindigkeit von U m = 0,7 m/s. Zum Vergleich - rot - die
Messwerte für Wellenberg und Wellental. Das gemessene Strömungsprofil zeigt innerhalb der dunkel- braunen, ca. 7 mm dicken Grenzschicht den typischen exponentiellen Verlauf. Oberhalb der Grenzschicht Ebenso stimmt er relativ gut mit den theoretischen Werten überein.
Ebenso wie zuvor, änderte sich die Dicke der Sohle während eines Strömungsvorgangs nur um etwa 1 mm.
Wellenkanal
Wellenkanal
Strömung
Wanderwelle
Schuhsohle
Richtung
Fenster
Schuhsohle
Schuhsohle
Geschwindigkeit
Strömung
Ankörnen
Schuhsohle
Meter
Wirbel <Physik>
Geschwindigkeit
Geschwindigkeitsverteilung
Schuhsohle
Strömungsgeschwindigkeit
Messwert
Richtung
Meter
Schicht
Strömung
Schuhsohle
Material
Schicht
Strömungsgeschwindigkeit
Richtung
Schicht
Meter
Geschwindigkeit
Theorie zweiter Ordnung
Schuhsohle
Schuhsohle
Messwert
Profil <Strömung>
Fronhof
Küsteningenieurwesen

Metadaten

Formale Metadaten

Titel Stranderosion - Sedimentbewegung bei wellenerzeugter hoher Orbitalgeschwindigkeit im großen Wellenkanal Hannover
Alternativer Titel Beach Erosion - Sediment Motion with Wave-induced High Orbital Velocity in the Big Wave Flume Hannover
Autor Rahlf, H.
Uliczka, K.
Dette, H. H.
Lizenz Keine Open-Access-Lizenz:
Es gilt deutsches Urheberrecht. Der Film darf zum eigenen Gebrauch kostenfrei genutzt, aber nicht im Internet bereitgestellt oder an Außenstehende weitergegeben werden.
GEMA Dieser Film enthält Musik, für die die Verwertungsgesellschaft GEMA die Rechte wahr nimmt.
DOI 10.3203/IWF/B-1791
IWF-Signatur B 1791
Herausgeber IWF (Göttingen)
Erscheinungsjahr 1992
Sprache Deutsch
Produzent IWF (Göttingen)
Produktionsjahr 1991

Technische Metadaten

IWF-Filmdaten Film, 16 mm, LT, 166 m ; F, 15 1/2 min

Inhaltliche Metadaten

Fachgebiet Technik
Abstract Die Sedimentbewegung wurde nach Einbringen einer Sandsohle mit Wellen großer Orbitalgeschwindigkeiten durch ein Fenster in einem Tiefschacht im Großen Wellenkanal Hannover beobachtet. Makroaufnahmen der Sandkorntrajektorien in Zeitdehnung (20fach) zur Einzelbildauswertung. Bildfeld: 3 x 4 cm. Versuchsparameter: Wellenlängen von 20,35 und 45 m. Wassertiefen von 3,20 und 4,50 m. Wellenhöhen von 0,5 bis 1,8 m. Periodendauer: 6 bis 9 s. Graphische Darstellung der ermittelten Geschwindigkeitsprofile. Sheet-Flow-Zustände.
Schlagwörter Vorstranddynamik
Wellentheorie
Grenzschicht
Formwiderstand
Turbulenz
Wirbelbildung
Orbitalbahnen / elliptisch
Sheet-Flow
Sedimentation
Stranderosion
Küstenschutz
Küsteningenieurwesen

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