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Numerische Modellierung

Modellierung freier Oberflächengewässer

Aufgrund der Komplexität und Dynamik der Strömungsvorgänge in Natursystemen spielt die numerische Modellierung in diesem Gebiet eine immer wichtigere Rolle. Mögliche Anwendungen numerischer Modelle im Bereich des Küsteningenieurwesens sind die

  • Hydrodynamische Simulation von Ozeanen, Schelfmeeren, Ästuaren, Flussabschnitten und Häfen
  • Simulation von Stofftransporten
  • Simulation von Morphodynamik

Mit Hilfe der numerischen Modellierung ist es möglich, komplexe Fragestellungen wissenschaftlich zu beantworten, wie beispielsweise:

  • Welche Änderungen der Wasserspiegel, Strömungsgeschwindigkeiten und Salzgehalte ergeben sich in einem Ästuar durch eine klimabedingte Änderung des Binnenwasserabflusses aus dem Flusseinzugsgebiet?
  • Welche Auswirkungen haben konkrete geplante Flussbaumaßnahmen auf die Hydrodynamik eines Flusses?
  • Welche konstruktiven Maßnahmen in einem Hafen sind erfolgreich zur Reduzierung der Sedimentation in bestimmten Bereichen?

Am Franzius-Institut wird an solchen und ähnlichen Fragestellungen zur Zeit in verschiedenen Forschungprojekten gearbeitet. Das am Institut verwendete Simulationswerkzeug ist das frei verfügbare und quelloffene SELFE, ein semi-implizites Euler-Lagrangesches Finite Elemente Modell, welches von Zhang und Baptista (2008) für die Vorhersage der Berechnung der Hydrodynamik des Columbia River entwickelt wurde. SELFE ist aufgrund des unstrukturierten Berechnungsgitters, der semi-impliziten Zeitschrittberechnung und des Eulerisch-Lagrangeschen Berechnungsschemas speziell für die effektive Simulation von 3D baroklinener Zirkulation in Ozean-Schelf-Ästuar Systemen geeignet und ist gut parallelisiert.

SELFE wurde von den Entwicklern und Nutzern ausführlich durch Anwendung auf Starndard-Benchmarks und diverse Buchten und Ästuare weltweit getestet. Neben der Berechnung der Hydrodynamik und Salinität wurde SELFE unter anderem um Module für die Berechnung von Tsunami und Sturmfluten, Sedimenttransport, Küstenökologie und gekoppelter Wave-Current Modellierung ergänzt und ständig weiter entwickelt (www.stccmop.org/CORIE/modeling/selfe/).

Unstrukturiertes Dreiecksgitter
Hybride Koordinaten (Zhang, 2008)