Habel, Rolf

"Kuenstliche Riffe" zur Wellendaempfung

Artificial reefs for wave damping

Thesis

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Schlüsselwörter:

artificial reefs - coastal protection - wave damping - numerical simulation - RANSE/VOF method - free surface - measurment with transient wave groups / Kuenstliche Riffe - Kuestenschutz - Wellendaempfung - Numerische Simulation - RANSE/VOF Verfahren - Freie Oberflaeche - Seegangsversuchstechnik mit transienten Wellengruppen

Sachgruppe der DNB
35 Technik allgemein

Doctoral Dissertation accepted by: Technical University of Berlin , Department of Transport and Applied Mechanics , 2001-03-13

Abstract

Abstract - Artificial reefs for wave damping

This thesis presents a numerical and experimental analysis of artificial reefs in waves. Underwater filter systems are an innovative and favourable solution to reduce the energy of incident waves efficiently and can be used as artificial reefs to avoid erosion of unprotected coasts and beaches. Artificial reefs consist of multi-layer filters with different porosity which partly transmit, reflect and dissipate the incoming wave energy.
Firstly an experimental analysis is conducted to obtain global values. For experiments in wave flumes of different scale - for example the huge wave flume of Hannover (GWK) with a length of 324 m - a special test procedure with transient wave trains is used, which allows a time efficient analysis for broad frequency spectra. On the basis of these results an improved linear semi-empirical model with modified boundary conditions is presented.
For a detailed analysis of artificial reefs a new non-linear numerical method for transient viscous computation of submerged filters in waves is presented. It is based on the coupling of the Reynolds averaged Navier-Stokes equations (RANSE) with the volume of fluid (VOF) method. Using the RANSE/VOF module an efficient method for geometric modelling and grid generation is presented. The kinematics at the wave paddle for generating waves is developed, and integrated into the existing flow solver. The comparison of computed results with experimental data demonstrates the good agreement of the method concerning wave elevations, velocities and structure forces. The analysis of local non-linear flow phenomena of submerged structures helps to develop optimised artificial reefs.
In summary this thesis presents results for local flow phenomena and global values. New knowledge is obtained on the transition of the near-field to the far-field, the non-linear transformation of energy from low-frequency waves to high-frequency components, and the transmission and reflection characteristics of submerged structures. In conclusion, design criteria for the construction of innovative artificial reefs for coastal protection are presented.


Kurzfassung - Kuenstliche Riffe zur Wellendaempfung

Die Dissertation praesentiert die numerische und experimentelle Analyse von "Kuenstlichen Riffen" zur Wellendaempfung. Zum Schutz von erosionsgefaehrdeten Kuestenabschnitten, an denen die einlaufende Seegangsenergie auf ein tolerierbares Mass reduziert werden soll, stellen die vorgestellten Unterwasser-Filtersysteme als Kuenstliche Riffe ein innovatives und vorteilhaftes System gegenueber konventionellen Loesungen dar. Die Filtersysteme bestehen aus getauchten, hintereinander gestaffelten Einzelfiltern unterschiedlicher Porositaet, die den einlaufenden Seegang zum Teil transmittieren, zum Teil reflektieren und dissipieren.
In der Arbeit werden zunaechst globale Kennwerte anhand systematischer Modellversuche ermittelt. Bei den Experimenten in Wellenkanaelen verschiedener Groesse - beispielsweise dem grossen Wellenkanal in Hannover (GWK) mit einer Laenge von 324 m - wird vorwiegend eine spezielle Versuchstechnik mit transienten Wellenzuegen eingesetzt, die eine zeitsparende Analyse ueber ein breites Frequenzspektrum erlaubt. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wird ein lineares semi-empirisches Berechnungsmodell vorgeschlagen, das durch modifizierte Randbedingungen, eine deutliche Verbesserung bestehender Verfahren darstellt.
Zur detaillierten Analyse der Kuenstlichen Riffe wird in dieser Arbeit eine neue nichtlineare numerische Berechnungsmethode zur instationaeren viskosen Berechnung von getauchten Filtern im Seegang unter Beruecksichtigung der freien Oberflaeche vorgestellt. Sie basiert auf einer Kopplung der Reynolds Averaged Navier-Stokes Gleichungen (RANSE) mit der Volume of Fluid (VOF) Methode. Aufbauend auf dem RANSE/VOF Verfahren wird eine effektive Vorgehensweise zur Geometriemodellierung und Diskretisierung des Rechengebietes vorgestellt. Die zur Erzeugung der Wellen erforderliche Kinematik am Wellenblatt wird im Rahmen der Arbeit entwickelt und in das vorhandene Stroemungsprogramm integriert. Der Vergleich der Berechnungen mit experimentellen Versuchsergebnissen beweist die hohe Genauigkeit des Verfahrens bezueglich der ermittelten Wellenauslenkungen, Geschwindigkeiten und Strukturkraefte. Die anschliessende Analyse lokaler und nichtlinearer Stroemungsphaenomene getauchter Strukturen unterstuetzt die Entwicklung optimierter Kuenstlicher Riffe.
Zusammenfassend werden in der Arbeit Ergebnisse fuer lokale Stroemungsphaenomene und globale Groessen ermittelt. Sie liefern neue Erkenntnisse bezueglich des Uebergangs vom Nahfeld zum Fernfeld, der Abschaetzung von Energieverlusten, der nichtlinearen Transformation von Energieanteilen aus langperiodischen Wellen in hochfrequente Komponenten sowie des Transmissions- und Reflexionsverhaltens von getauchten Strukturen. Als Schlussfolgerung der Analysen werden Kriterien fuer die Gestaltung innovativer Kuenstlicher Riffe fuer den Einsatz im Kuestenschutz festgelegt.

Betreuer Clauss, Guenther; Prof. Dr.-Ing.
Gutachter Clauss, Guenther; Prof. Dr.-Ing.
Gutachter Haberland, Christoph; Prof. Dr.-Ing.
Upload: 2001-04-20
URL of Theses: http://edocs.tu-berlin.de/diss/2001/habel_rolf.pdf

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