Field-scale experiments and analysis of turbulent flow structures in a river reach with groynes

• Main Author: Anlanger, Christine
• Format: Master Thesis
• Language: English
• Published: 2008
• Subjects: Buhne; Strömungsmechanik; Schichtenströmung; Gemisch; Hydrodynamik; Austauschprozesse; Buhnenfelder; Turbulenz; Scherschichten; hydrodynamics; exchange processes; groyne fields; turbulence; shear layers; Stelle; DML
• Online Access: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubbw:1-9704

Die Strömung in Buhnenfeldern ist geprägt von komplexen turbulenten Strömungsvorgängen wie die Entwicklung und Interaktion von turbulenten Mischungsschichten in denen sich grossräumige kohärente Wirbelstrukturen bilden. Diese Strukturen tragen wesentlich zur Ausbreitung von Nähr- und Schmutzstoffen und zum Sedimenttransport bei. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Entstehung und die Interaktion dieser Mischungsschichten in Buhnenfeldern zu untersuchen. Mit Laborversuchen können natürlichen Strömungsbedingungen nur bedingt wiedergegeben werden. Dies war die Motivation für das Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei Berlin (IGB) ein "Labor im Feld" zu etablieren. Sieben Buhnen wurden in einem Gewässerabschnitt der Spree, nahe Berlin, eingebaut, um die mittlere und turbulente Strömung unter um- sowie überströmten Verhältnissen zu untersuchen. Die Experimente wurden mit Hilfe akustischer Strömungsmessgeräte, Particle Tracking Methoden und Tracerversuchen durchgeführt. Vektorgraphiken der mittleren Geschwindigkeiten ergaben unterschiedliche Strömungsmuster für um- und überströmte Buhnen. Im Gegensatz dazu zeigte sich, dass kohärente Strukturen in der globalen Mischungsschicht, welche aufgrund des Geschwindigkeitsgradienten zwischen der Strömung im Buhnenfeld und im Hauptgerinne entsteht, gleiche charakteristische Frequenzen aufwiesen. Diese Strukturen interagierten mit der Strömung im Buhnenfeld und dominierten die dortigen instationären Strömungsverhältnisse. Zusätzlich kam es im überströmten Fall zu einer Interaktion zwischen der Mischungsschicht, die durch die Ablösungserscheinungen an jedem Buhnenkopf hervorgerufen wird und einer vertikalen Mischungsschicht an der Lee Seite der Buhne. Daraus resultierten an dieser Stelle komlpexe 3D Strömungsmuster. The flow around groynes is controlled by many complex phenomena associated with turbulence- e.g. the occurrence and interaction of multiple mixing layers, which are created at the interface of flows of different velocities. Large-scale structures advected in the mixing layers have a significant influence on the dispersion of nutrients, pollutants and sediment transport. Thus, the aim of this thesis is to investigate mixing layer development and interaction in groyne fields. The gap between detailed lab studies which are conducted under idealised flow conditions and large-scale field studies which provide realistic but coarse data gave the motivation to establish a "lab in the field" at the Leibniz-Institute of Freshwater Ecology and Inland Fisheries Berlin (IGB). Seven groynes were placed into a reach of the river Spree near Berlin and their effects on the mean and turbulent flow patterns were investigated for submerged and emerged conditions. Measurements were conducted with acoustic Doppler velocimeters (ADV) and coherent structures were additionally visualised by particle tracking experiments and uranin dye injections. Mean velocity vector plots revealed differing flow structures for emerged and submerged conditions. Contrary, coherent structures advected in the global mixing layer (GML) which evolves from the horizontal mean velocity gradient between the main channel and the groyne fields are characterised by the same peak frequencies for both cases. These coherent structures are interacting with the flow inside the groyne field and dominating the instationary flow patterns. For the submerged case the imprints of those structures inside the groyne field were less pronounced but still recognisable. Furthermore the horizontal detached mixing layer (DML), which is created at each groyne tip, is interacting with a vertical DML at the lee-side of the groynes causing complex 3D flow structures when groynes were submerged. verfasst und eingereicht von Christine Anlanger Zsfassung in dt. Sprache Wien, Univ. für Bodenkultur, Dipl.-Arb., 2008 (VLID)1083020