Numerische Untersuchung von Skaleneffekten auf die Hydrodynamik in einem Buhnenexperiment

Numerische Methoden sind in Kombination mit Feldmessungen und physikalischen Experimenten weit verbreitete Methoden im Wasserbau. Es ist eine Herausforderung, geeignete und kostengünstige Methoden für die Lösung spezifischer Probleme im Flussbau (e.g. Pessenlehner et al. 2023; Habersack et al. 2014) zu finden, um einerseits „so genau wie möglich“ zu sein und andererseits methodische Fehler zu vermeiden. Im Zuge von physikalischen Modellierungen sind Skalierungsfehler bei Froude-ähnlichen Modellen zu erwarten, da alle Reynoldszahl-abhängigen Prozesse in einem verkleinerten Modell nicht richtig abgebildet werden (Sindelar et al. 2019). Buhnen stellen eine weit verbreitete Maßnahme im Wasserbau dar, insbesondere zur Bereitstellung einer Mindestfahrwassertiefe für die Schifffahrt (Habersack und Hauer 2023). Außerdem wurde die Wirkung von verschiedenen Buhnenkonfigurationen auf Sedimenttransport und Morphologie des Hauptstroms (Glas et al. 2018; Henning and Hentschel 2013; Alauddin and Tsujimoto 2012) nachgewiesen, wobei die Buhnenhöhe als ein einfach zu verändernder, aber in der hydrodynamischen und morphodynamischen Wirkung als maßgeblicher geometrischer Parameter identifiziert wurde (Glas et al. 2018). Das Zusammenspiel von Monitoring sowie physikalischer und numerischer Modellierung ist bezüglich der Weiterentwicklung des Wissensstands von hydrodynamischen und morphodynamischen Prozessen im Zusammenhang mit Buhnen von maßgebender Bedeutung. Physikalische Experimente können, richtig angewendet, eine gute Entscheidungsgrundlage für wasserbauliche Fragestellungen liefern und darüber hinaus eine solide Basis für die Kalibrierung und Validierung von numerischen Modellen schaffen. Wichtig dabei ist jedoch, dass Skalierungsfehler hier nicht außer Acht gelassen werden, da physikalische Modelle von Buhnenversuchen häufig in kleinen Maßstäben umgesetzt werden (z. B. Uijttewaal et al. 2001; Uijttewaal 2005), es sei denn, die Buhnenuntersuchungen werden direkt im Feld mit Naturmaßen durchgeführt (z. B. Sukhodolov 2014). Die Durchführung von Buhnenuntersuchungen direkt im Feld hat jedoch starke Einschränkungen bezüglich der Schaffung von kontrollierten Bedingungen, wie z. B. die Wahl eines Durchflusses oder Wasserstands, weshalb im Wasserbau physikalische Experimente in Verbindung mit numerischen Modellen eine unverzichtbare Rolle spielen (Sindelar et al. 2019). Umso mehr ist die Kenntnis über Skalierungsfehler für die zukünftige Versuchsplanung und die Interpretation von bisherigen Ergebnissen aus physikalischen Modellversuchen bedeutend. Das im Jahr 2023 fertiggestellte Wasserbaulabor der Universität für Bodenkultur Wien (Habersack 2024, in diesem Heft) hat in diesem Zusammenhang die besten Voraussetzungen, diesen Anforderungen auch in Zukunft gerecht zu werden. In dieser Studie, durchgeführt im Rahmen des Interreg-Projekts SEDDON II, wurden die Skalierungsfehler für verschiedene Buhnenvarianten anhand eines 1:1-Versuchs und eines skalierten Versuchs im Maßstab 1:5 mittels numerischer Modelle untersucht.

Buhnen haben aufgrund ihrer Anordnung und Geometrie im Fluss einen komplexen Einfluss auf die Hydrodynamik und in weiterer Folge auf Sedimenttransport, Morphologie und Ökologie. In dieser Studie wurde der Einfluss von verschiedenen Buhnenhöhen im Zusammenhang mit variablen Wassertiefen auf Skaleneffekte bezüglich hydrodynamischer Variablen (Fließgeschwindigkeit, Turbulenz) mithilfe eines 3D-hydrodynamischen Modells, welches die RANS-Gleichungen löst, untersucht. Dabei konnte anhand der durchgeführten Versuche im Naturmaßstab und im Maßstab 1:5 festgestellt werden, dass im Gegensatz zur Fließgeschwindigkeit ein deutlicher Hinweis auf Skaleneffekte bezüglich der turbulenten kinetischen Energie k zwischen dem Versuch im Naturmaßstab (1:1) und jenem im Maßstab 1:5 besteht. Dieser Hinweis auf Skaleneffekte wurde auch anhand von ausgewählten Messwerten validiert und für Variante 1 auch in Sindelar et al. (2024, in diesem Heft) im Detail ausgeführt. Bezüglich der untersuchten Buhnengeometrien ergab sich, dass der Skaleneffekt bei der turbulenten kinetischen Energie k größer wird, wenn die Buhnenhöhe bei gleichbleibendem Wasserstand erhöht wird, bzw. wenn der Wasserstand bei gleichbleibender Buhnenhöhe reduziert wird. Anders ausgedrückt: Je mehr die Buhne den Fließquerschnitt beeinflusst, desto größer ist der Skaleneffekt. Diese Ergebnisse bestätigen, dass im Zuge der physikalischen Modellierung ein möglichst großer Modellmaßstab (oder wenn möglich der Naturmaßstab) gewählt werden sollte, um diese Skaleneffekte möglichst klein zu halten. Das neue Wasserbaulabor der Universität für Bodenkultur Wien schafft dafür die besten Voraussetzungen (Habersack 2024, in diesem Heft). Die Überprüfung und Vertiefung der bisherigen Skalenuntersuchungen kann an der großen Fließrinne „Big Flume“ im neuen Wasserbaulabor, welcher bezüglich der Zuströmung aufgrund der möglichen Länge kaum Grenzen gesetzt sind, in Verbindung mit genaueren numerischen Methoden im Rahmen weiterer Projekte vertieft werden. In Zukunft sind auch detaillierte numerische und physikalische Untersuchungen von Skaleneffekten bezüglich anderer Aspekte, wie z. B. Sedimenttransport, Morphodynamik und Ökologie zu empfehlen, um für künftige flussbauliche Maßnahmen auch die richtigen Methoden bereitstellen zu können.