Experimente und Simulationen zur Untersuchung aquatischer Vegetationsschichten mit langen flexiblen Elementen

Description: Aquatische Ökosysteme sind wegen ihrer Allgegenwart und ihren zahlreichen Funktionen auf unterschiedlichen Skalen von hoher Relevanz. Die Interaktion zwischen der Strömung und den flexiblen Blättern einer aquatischen Vegetationsschicht bestimmen das hydraulische Verhalten, sowie den Transport von Sediment, Nährstoffen und Verunreinigungen. Während Konfigurationen mit starren Elementen in vielen Laboruntersuchungen analysiert wurden, ist bisher wenig für den Fall sehr flexibler Strukturen bekannt, d.h. für den Fall hoher Cauchy-Zahlen. Dieses Defizit wird durch das vorliegende Projekt adressiert, bei dem sorgfältig abgestimmte Simulationen und Experimente eingesetzt werden, um deren hydromechanische Eigenschaften bei Rekonfiguration zu untersuchen, sowie deren Auswirkungen auf den Transport skalarer Größen. Ein wesentliches Feature des Projekts ist die enge Kopplung an ökologisch-relevante Bedingungen. Experimente und Simulationen werden für drei Typen von Konfigurationen durchgeführt: (1) Testkonfigurationen mit einer einzelnen Struktur oder mit wenigen zur Methodenentwicklung und Validierung, (2) homogene Anordnungen mit gleichartigen Strukturen hoher Flexibilität, (3) Konfigurationen mit Lichtungen, die die Patch-Skala adressieren. Daten zur Charakterisierung realer schlanker Wasserpflanzen und Patches werden im Projekt ermittelt, so dass eine optimale Wahl der Parameter in Experiment und Simulation gewährleistet ist. Diese werden zum Teil für dieselbe Konfiguration durchgeführt, wobei Simulationen z.B. nicht messbare Größen bereitstellen können. Zusätzlich werden die jeweiligen Vorzüge von Experiment und Simulation eingesetzt, um komplementäre Bereiche des Parameterraums abzutasten. So entsteht eine sehr verlässliche und reichhaltige Datenbasis. Für Experiment wie Simulation werden neuartige Methoden eingesetzt. Im Experiment werden PIV, PLIV eingesetzt, sowie ein Akustik Doppler Profilsensor. Damit ist die simultane Vermessung von Konzentrationen, Fluidgeschwindigkeiten und Strukturen möglich. Speziell der Profilsensor wurde bisher nicht für derartige Aufgaben verwendet. Er erlaubt die Messung instantaner Geschwindigkeitsprofile über der künstlichen Vegetationsschicht wie auch in ihrem Inneren simultan mit der Position der Strukturen. Überzeugende Simulationen von Vegetationsschichten mit flexiblen Elementen existieren bisher nicht. Hier wird eine innovative Methode verwendet, die eine IBM mit einem eigenen semi-impliziten Kopplungsalgorithmus und einem hoch effizienten Cosserat-Modell kombiniert. Damit können Simulationen für tausende Strukturen durchgeführt werden, die einen großen Datenreichtum liefern. Die gemeinsame Auswertung der Daten durch die Projektpartner erlaubt die ideale Kombination der interdisziplinären Kompetenz. Die Vision ist, ein detailliertes Verständnis der komplexen Prozesse zu generieren, die Vegetationsschichten mit hoher Cauchy-Zahl dominieren, und dieses Wissen für aquatische Ökosysteme bereitzustellen.

SupportProgram

Origins: /Bund/UBA/UFORDAT

Tags: Akustik ? Nährstoff ? Hydrogeologie ? Wasserpflanze ? Hydrochemie ? Limnologie ? Aquatisches Ökosystem ? Siedlungswasserwirtschaft ? Simulation ? Simulationsmodell ? Strömungsmechanik ? Sediment ? Datenbank ? Hydrologie ? Kenngröße ? Laboruntersuchung ? Verunreinigung ? Integrierte Wasser-Ressourcen Bewirtschaftung ? Lichtung ? Ubiquität ? Validierung ? Vermessung ?

Region: Saxony

Bounding boxes: 13.25° .. 13.25° x 51° .. 51°

License: cc-by-nc-nd/4.0

Language: Deutsch

Organisations

• Agence Nationale de la Recherche , The French National Research Agency (Mitwirkung)
• Deutsche Forschungsgemeinschaft (Finanzielle Förderung)
• Ecole Centrale de Lyon, Laboratoire de Mecanique des Fluides et Acoustique (URA 263) (Mitwirkung)
• Technische Universität Dresden, Institut für Strömungsmechanik (Projektverantwortung)
• Umweltbundesamt (Bereitstellung)
• Universite Lyon 1, Laboratoire d'Ecologie des Hydrosystemes Naturels et Anthropises (Mitwirkung)

Time ranges: 2016-01-01 - 2025-08-18

Alternatives

• Language: Englisch/English
  Title: Experiments and simulations for the study of submerged aquatic canopies consisting of long flexible blades
  Description: Aquatic ecosystems constitute a topic of high relevance due to their abundance and their various roles on different scales, ranging from the quality of drinking water taken from the local river to the large-scale impact on climate change. The fluid mechanical interaction between the flow and the flexible plants in an aquatic canopy determines hydraulics as well as transport of sediment, nutrients and pollutants. While canopies with rigid elements have been investigated in many laboratory studies, far less is known about canopies with very flexible blades, i.e. high Cauchy number. This lack of knowledge is addressed in the project by a judicious combination of simulations and experiments to investigate their hydromechanics in the presence of reconfiguration and their impact on the transport of scalar quantities. A key feature is the tight connection to ecologically-relevant conditions by involving a specialist for aquatic plants and ecohydraulics. Experiments and simulations are performed for three types of configurations: (1) test configurations of a single blade and a small number of blades to develop and validate methods, (2) homogeneous canopies with uniform blades of high flexibility, (3) canopies with clearances mimicking patch-scale issues. Data for characterization of real, blade-like, aquatic plants and patches are gathered by the ecohydraulics specialist ensuring an optimal choice of parameters for the fluid mechanics experiments and simulations conducted. These partly address exactly the same configuration with, e.g., simulations providing data which cannot be measured. In addition, the respective advantages of experiments and simulations are exploited by performing complementary variations of parameters. This yields a very sound and large database. In both, experiment and simulation, innovative technologies are employed. For the experiments, PIV, PLIF and ADVP are adapted for simultaneous measurements of scalar concentration, fluid velocity and instantaneous position of blades. In particular, the Acoustic Doppler Velocity Profile sensor has not yet been used for this task before. It allows measuring instantaneous velocity profiles both above and inside the canopy simultaneously with blade motion. Convincing simulations of canopies made of flexible elements do not exist up to now. Here, an innovative method is employed combining a highly efficient immersed boundary method with an own semi-implicit coupling algorithm and an extremely efficient scheme for a Cosserat rod. In this way, highly resolved simulations for canopies with thousands of blades are possible furnishing a huge wealth of data. The collaborative assessment of these data, also involving the ecohydraulics specialist, provides an ideal combination of interdisciplinary knowledge. The vision is to generate detailed understanding of the complex processes in and over high-Cauchy number canopies and to turn that into information relevant for aquatic ecosystems. https://ufordat.uba.de/UFORDAT/pages/PublicRedirect.aspx?TYP=PR&DSNR=1083815

Resources

• Webseite zum Förderprojekt

  https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/316798177 (Webseite)

Status

Aktiv

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