Modellierung im Wasserbau

Auszug

Die Modellierung ist im Wasserbau essenziell, um Probleme zu analysieren, Lösungen zu erarbeiten und Maßnahmen zu entwickeln sowie die Auswirkungen dieser abzuschätzen. In den letzten Jahrzehnten gab es große Fortschritte in der numerischen Simulation, wo sich die Rechenleistung von Computersystemen bis hin zum Einsatz von Supercomputern enorm steigerte. Dies umfasst zentral den Bereich der Hydrodynamik, aber auch beim Sedimenttransport, der Morphodynamik oder der Habitatmodellierung gab es signifikante Weiterentwicklungen. Dabei kam es z. B. im Bereich des Hochwasserrisikomanagements zur Definition von 2D-Modellen als Stand der Technik bei Abflussuntersuchungen und zunehmend finden 3D-Modelle Anwendung bei der Simulation von komplexen Strömungsverhältnissen, u. a. im Bereich der Wasserkraft. In jüngster Zeit kommen auch die Large-Eddy-Simulation (LES) oder Direkte Numerische Simulation (DNS) vor allem in der Wissenschaft zum Einsatz. Die Erhaltungsgleichungen der Physik wie Massen‑, Impuls- und Energiegleichung bedürfen einer numerischen Lösung. Dabei spielen Turbulenzmodelle eine wesentliche Rolle. Empirische Formelansätze wie Fließformeln oder Sedimenttransportformeln sind für die Hydrodynamik- und Feststofftransportmodellierung erforderlich. Diese Ansätze, aber auch das dahinterliegende Prozessverständnis, basieren vielfach auf physikalischen Modellversuchen oder auch Naturmessungen. Letztere sind jedenfalls erforderlich, um numerische Modelle aufzubauen oder zu kalibrieren. In der jüngeren Zeit stellte sich heraus, dass bei der numerischen Simulation – insbesondere betreffend die empirischen Formelansätze – Limitationen bei der Prozessbeschreibung bestehen. Dies liegt unter anderem daran, dass die Entwicklung verschiedener Formelansätze in relativ kleinen Modellmaßstäben stattfand und damit komplexe Strömungsverhältnisse in der Natur, wie beispielsweise kohärente Strukturen, im Modell nicht ausreichend auftraten. Insbesondere beim Sedimenttransport, der Morphodynamik, der Simulation von Vegetation oder auch bei Untersuchungen mit Fischen bis hin zum Menschen sind Versuche in großem Maßstab bis 1:1 notwendig. Vielfach bieten sogenannte Skalenfamilien, die von kleinmaßstäblichen Modellversuchen bis zu 1:1 reichen, eine Möglichkeit, Verbesserungen der empirischen Formeln zu erzielen. Ein weiterer Ansatz liegt darin, in sogenannter hybrider Modellierung eine Kombination aus numerischer und physikalischer Modellierung anzustreben. Letztlich dient die Verknüpfung von Theorie, Modellversuchen, numerischer Simulation und Naturmessungen dem Erkenntnisgewinn und der Ableitung von praktischen Lösungsansätzen im Wasserbau. …