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Influence of bed forms on stage discharge relations in compound channels

T. Branß, J. Aberle & F. Núñez-González

Abstract

The relationship between stage and discharge can be rather complex in compound channels due to the influence of numerous factors such as channel geometry, vegetation, or varying bed roughness. The latter aspect is of particular interest for sand rivers with bed forms, as the bed roughness changes with the bed form dimensions depending on flow depth and bed shear stress. However, the particular impact of the varying size of lower regime bed forms on the stage-discharge relation in compound channels has not yet been investigated in detail. This work addresses this issue by presenting results of a flume study using a cross-section of a half trapezoidal compound channel and two different floodplain roughness. The experiments were carried out with fixed and mobile main channel bed and the experimental data were used to derive stage-discharge curves highlighting the effect of main channel bed forms on the stage-discharge relationship in compound channels.

Boundary conditions

*all experiments conducted with quasi uniform flow conditions
Experimental flume	Model:
30 m length	20 m length
2 m width	1 m floodplain width
0.8 m height	0.2 m floodplain height
0.0025 slope	0.8 m channel bed width
	0.85 mm sand grain size

Compound channel geometry

cahnnel cross section — Investigated compound channel geometry and maximal water level. Dimensions are given in meters.

Investigated set ups

smooth floodplain rigid bed — Experimental setup (SF): Smooth floodplain, Fixed main channel bed

rough floodplain rigid bed — Experimental setup (RF): Rough floodplain, Fixed main channel bed

smooth floodplain mobile bed — Experimental setup (RM): Rough floodplain, Mobile main channel bed

rough floodplain mobile bed — Experimental setup (SM): Smooth floodplain, Mobile main channel bed

Results

The presence of bed forms revealed a high impact on the stage discharge relation in the tested compound channel model.
For example, bed forms reduced the conveyance capacity of the channel by 45% for bank full conditions. Whereas at the highest investigated water stages bed forms reduced the conveyance capacity by:

32% in case of a rough floodplain (RF)
45% in case of a smooth floodplain (SF)

Timelapse of bedform formation (rough floodplain, fixed water level of 32 cm, required discharge 238 l/s)

Impact of bed forms on the water level at fixed discharge. (Additional experiment conducted beyond the scope of the extended Abstract)

This work was funded by the Lower Saxony Water Management, Coastal Defense and Nature Conservation Agency (NLWKN), Germany.

Identifizierung von Wanderkorridoren auf naturnahen unstrukturierten Sohlengleiten durch die holistische Analyse von Fischtrajektorien und Strömungsbedingungen

R. Eikenberg & J. Aberle

Laufzeit

12/2020 - 05/2023

Förderung

Deutsche Bundesstiftung Umwelt

Kooperationspartner

Kurzbeschreibung

Dieses Projekt zielt darauf ab, Wanderkorridore von aufsteigenden Fischen auf naturnahen unstrukturierten Sohlengleiten durch die Verknüpfung von Fischtrajektorien, Sohlentopographie, und lokalem Strömungsfeld zu identifizieren und zu quantifizieren. In Zusammenarbeit mit den Projektpartnern werden kombinierte fischbiologische und hydraulische Untersuchungen über einer bestehenden Sohlengleite an der Ilme in Niedersachsen und an einem 1:1 Modell dieser Sohlengleite im Laxelerator, in einer weltweit einzigartigen Forschungseinrichtung für ethohydraulische Versuche im Vattenfall-Wasserbaulabor in Älvkarleby (Schweden), durchgeführt.

Da über die Quantifizierung der hydraulischen Verhältnisse auch Turbulenzmuster entlang der identifizierten Wanderkorridore und die von Fischen bei der Passage gemiedenen Bereiche beschrieben werden, tragen die Ergebnisse zur Entwicklung neuer und verbesserter Dimensionierungskriterien für naturnahe unstrukturierte Sohlengleiten bei und somit zur Verbesserung der ökologischen Durchgängigkeit der Fließgewässer als wesentliche Voraussetzung zur Erreichung der Ziele der Wasserrahmenrichtlinie.

MigRamp project concept — Konzept des Projektes MigRamp

Arbeitspakete

WP 1: Feldmessungen I – Digitales Höhenmodell der Ilme-Sohlengleite

WP 2: Laborexperimente

Die Laborexperimente wurden im Herbst 2021 im Labor des Projektpartner Vattenfall Research & Development AB in Älvkarleby (Schweden) durchgeführt.

[Laxelerator, Vattenfall Research & Development AB]

MigRamp - Fischtests — Impressionen von den ethohydraulischen Tests im Laxelerator.

MigRamp - Labor Q2 — 1:1-Modell der Sohlengleite in Betrieb.

WP 3: Feldmessungen II und III

Fischbeobachtungen im Feld

MigRamp - Fish observations field — Fischbeobachtungen im Feld (Kamera, rechts oben: Elritzenschwarm, rechts unten: adulte Bachforelle)

Geschwindigkeitsmessungen auf der Ilme-Sohlengleite

MigRamp - Field measurements, hydraulics — Hydraulische Messungen auf der Sohlengleite in der Ilme (von links: ADV-Sonde, Messrahmen, Vektoren des Oberflächenströmungsfeldes)

WP 4: Holistische Analyse - Zusammenführung der Ergebnisse und Schlussfolgerungen

Kolkbildung infolge schraubstrahlinduzierter Sohlschubspannungen.

F. Núñez-González, A. I. Llull Marroig, J. A. Macías Lezcano & J. Aberle

Laufzeit

12/2021 - 11/2024

Förderung

Bundesministerium für Digitales und Verkehr

Kooperationspartner

Kurzbeschreibung

Das sich hinter Schiffspropellern ausbildende turbulente Strömungsfeld hat ein großes Potential, die Sohle von Flüssen, Wasserstraßen und Häfen zu erodieren und somit Schäden an der Gewässersohle sowie an Bauwerken in Häfen zu verursachen. Die Vergrößerung der Schiffsantriebe und die daraus resultierende Leistungssteigerung sorgt seit den letzten Jahrzehnten für größere hydraulische Belastungen an Hafenstrukturen, sodass die Gefahr des Versagens infolge von Erosionserscheinungen steigt.

Schematische Abbildung — Geschwindigkeitsfeld Propellerstrahl.

Das Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung eines Modells zur Beurteilung der Interaktion zwischen Schiff und Hafensohle, um lokale Erosionstiefen vorherzusagen und Maßnahmen gegen Erosion ergreifen zu können. Hierzu werden die Eigenschaften des Propellerstrahls sowie die damit verbundenen Erosionserscheinungen an Hafenanlagen ermittelt. Die gewonnenen Erkenntnisse werden zur Weiterentwicklung eines am LWI abgeleiteten Berechnungsansatzes herangezogen.

Das Projekt umfasst Feldmessungen, Laborexperimente und numerische Simulationen. Die Abteilung für Wasserbau und Gewässermorphologie am Leichtweiß-Institut wird in Kooperation mit dem Lübecker Hafen Feldmessungen zur Bestimmung der hydrodynamischen Belastungen, der Kolkbildung und hydroakustischer Belastungen durchführen. Versuche in einem gegenständlichen Modell des Hafens werden in der Versuchshalle des Leichtweiß-Instituts durchgeführt, um die zeitabhängige Kolkentwicklung, das Geschwindigkeitsfeld des Propellerstrahls und die Drucklasten auf die Kaimauern zu ermitteln. Ergänzend zu den Feld- und Labormessungen wird eine numerische Simulation des Geschwindigkeitsfelds des Propellerstrahls vom Institut für Fluiddynamik und Schiffstheorie der TU-Hamburg durchgeführt. Durch die zusätzlichen numerischen Simulationen können die Veränderungen der verschiedenen Kolkmessungen im Experiment, Kolkphänomene und deren Entwicklung tiefgreifend verstanden werden und die Effekte verschiedener Antriebssysteme auf die Ausformung von Kolken im Hafengebiet untersucht werden.

Relevante Publikationen früherer Untersuchungen

Aberle, J., Söhngen, B. (2008). Analysis of propeller jet induced scours. Proc. Int. Conf. on Fluvial Hydraulics River Flow 2008, 3-5 September 2008, Cesme, Turkey. Edited by M. Altinakar, M.A. Kokpinar, Aydin, I., Cokgor, S., and S. Kirkgoz, Kubaba, Vol. 3, pp. 1991-2000.
Geisenhainer, P., Aberle, J. (2013). Scale model study of propeller induced scour development. In Springer Series: GeoPlanet: Earth and Planetary Sciences Series, Experimental and Computational Solutions of Hydraulic Problems, 119-131, doi:10.1007/978-3-642-30209-1_7
Niewerth, S., Núñez-González, F., Llull, T., Lempa, S. (2021) A novel shear plate for direct measurements of bottom shear stress induced by a model ship propeller. Webinar on Experimental Methods and Laboratory Instrumentation in Hydraulics April 13-15, 2021, Publications of the Institute of Geophysics, Polish Academy of Sciences
Núñez-González, F., Koll, K., Söhngen, B., Spitzer, D. (2017) Scour geometry and flow velocities induced by an experimental ship propeller jet. In River Sedimentation: Proceedings of the 13th International Symposium on River Sedimentation (Stuttgart, Germany, 19-22 September, 2016), CRC Press, 1229-1236.
Núñez-González, F., Koll, K., Spitzer, D. (2018). Experimental study of the velocity field induced by a propeller jet in an inland ship model and the related bed scour. In E3S Web of Conferences (Vol. 40, p. 03029). EDP Sciences

Bundesministerium für Digitales und Verkehr — BMDV

Erosionserscheinungen im Hafenbereich durch Voith-Schneider-Propeller

C. Schwartpaul & J. Aberle

Laufzeit

01/2023 - 12/2025

Förderung

Bundesministerium für Digitales und Verkehr (BMDV)

Kooperationspartner

Kurzbeschreibung

Für den Antrieb eines Schiffs beschleunigen Propeller das umgebende Wasser, ein Propellerstrahl entsteht. Bei niedriger Wassertiefe kann dieser Propellerstrahl auf die Sohle treffen. Lockeres Sohlmaterial, wie etwa Sand, wird bei Überschreiten der kritischen Sohlschubspannung erodiert, sodass sich ein Kolk ausbildet. In Häfen können Kolke zur Beeinträchtigung der Standsicherheit von Kaianlagen führen.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Schraubenpropellern gibt es bisher keine Untersuchungen zur Kolkentwicklung durch Voith-Schneider-Propeller (VSP). VSP unterscheiden sich von Schraubenpropellern insbesondere durch die vertikale Rotationsachse. Durch die anpassbare Anstellung der Propellerflügel zur Strömung können außerdem Betrag und Richtung der erzeugten Schubkraft sehr schnell verändert werden.

Im Projekt Eros-VSP sollen Kenntnisse des VSP-induzierten Strömungsfeldes erweitert, sowie Sohlbeanspruchungen und -veränderungen quantifiziert werden. Ein am Leichtweiß-Institut für Wasserbau (LWI) entwickelter Ansatz zur Bestimmung der zeitlichen Entwicklung von Schraubenpropeller-Kolken soll für Voith-Schneider-Propeller modifiziert werden.

Zur Zielerreichung werden Laborversuche (LWI TU BS, Voith), Feldmessungen (LWI TU BS) sowie numerische Untersuchungen (FDS TU HH) durchgeführt.

Partikelaufgelöste Simulationen der Dynamik von kohäsivem Sediment

A. Metelkin, F. Kleischmann, B. Vowinckel & A. Khodabakshi

Laufzeit

2020 - 2026

Förderung

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Kurzbeschreibung

Die Gruppe PRO-MUD am Leichtweiß-Institut für Wasserbau der Technischen Universität Braunschweig führt partikelaufgelöste Simulationen des Transports von Sediment in Oberflächengewässern und Küstenbereichen durch. Die in diesen Bereichen vorherrschenden Sedimente sind feinkörnig und kohäsiv und werden gemeinhin als Ton und Schluff bezeichnet. Die Dynamik von kohäsivem Sediment wird durch das Zusammenspiel von gravitativen, elektrostatischen und hydrodynamischen Kräften bestimmt, was hydrodynamische Prozesse gegenüber kohäsionslosen Sedimenten (z.B. Sand und Kies) substantiell verändert. Der Fokus wird dabei auf der Flokkulierung auf Grund von van-der-Waals-Kräften, dem Absetzverhalten, sowie der Erosion in offenen Gerinnen liegen. Dadurch wird ein besseres Verständnis für die Vorhersage der Ausbreitungen von Nähr- und Schadstoffen, die sich an diese Sedimente binden, erzeugt. Die gewonnenen Erkenntnisse sind relevant für die Erforschung von aquatischen Ökosystemen, die Modellierung des globalen Kohlenstoffkreislaufs, die Bindung von CO₂ durch feinkörnige Sedimente und die Erkundung von Kohlenwasserstofffeldern.

Publikationen

E. Krahl, B. Vowinckel, L. Ye, T.-J. Hsu & A.J. Manning (2022) Impact of the Salt Concentration and Biophysical Cohesion on the Settling Behavior of Bentonites. Frontiers Earth Science, 10:886006. doi: 10.3389/feart.2022.886006

Y. Yao, E. Biegert, B. Vowinckel, T. Köllner, E. Meiburg, S. Balachandar, C. S. Criddle & O.B. Fringer (2022). Particle‐resolved simulations of four‐way coupled, polydispersed, particle‐laden flows. International Journal for Numerical Methods in Fluids. 2022; 1-31. doi: 10.1002/fld.5128

R. Zhu, Z. He, K. Zhao, B. Vowinckel, & E. Meiburg (2022). Grain-resolving simulations of submerged cohesive granular collapse. Journal of Fluid Mechanics, 942, A49. doi:10.1017/jfm.2022.404

B. Vowinckel, K. Zhao, L. Ye, A.J. Manning, T. Hsu, E. Meiburg, B. Bai (2022). Physics of Cohesive Sediment Flocculation and Transport: State-of-the-Art Experimental and Numerical Techniques. In (Ed.), Sediment Transport - Recent Advances [Working Title]. IntechOpen. doi.org/10.5772/intechopen.104094

C. Rettinger, S. Eibl, U. Rüde, B. Vowinckel (2022). Rheology of mobile sediment beds in laminar shear flow: Effects of creep and polydispersity. Journal of Fluid Mechanics, 932, A1 (PDF verfügbar).

B. Vowinckel, E. Biegert, E. Meiburg, P. Aussillous, É. Guazzelli. Rheology of mobile sediment beds sheared by viscous, pressure-driven flows. Journal of Fluid Mechanics, 921, A20, 2021 (PDF verfügbar).

K. Zhao, F. Pomes, B. Vowinckel, T.-J. Hsu, B. Bai, E. Meiburg. Flocculation of suspended cohesive particles in homogeneous isotropic turbulence. Journal of Fluid Mechanics, 921, A17, 2021 (PDF verfügbar).

Vowinckel, B. Incorporating grain-scale processes in macroscopic sediment transport models. Acta Mech (2021). https://doi.org/10.1007/s00707-021-02951-4

Zhao, K., Vowinckel, B., Hsu, T. J., Köllner, T., Bai, B., & Meiburg, E. (2020). An efficient cellular flow model for cohesive particle flocculation in turbulence. Journal of Fluid Mechanics, 889, R3 (PDF verfügbar).

Vowinckel, B., Biegert, E., Luzzatto-Fegiz, P., & Meiburg, E. (2019). Consolidation of freshly deposited cohesive and noncohesive sediment: Particle-resolved simulations. Physical Review Fluids, 4(7), 074305 (PDF verfübar).

Vowinckel, B., Withers, J., Luzzatto-Fegiz, P., & Meiburg, E. (2019). Settling of cohesive sediment: particle-resolved simulations. Journal of Fluid Mechanics, 858, 5-44 (PDF verfügbar).

Biegert, E., Vowinckel, B., & Meiburg, E. (2017). A collision model for grain-resolving simulations of flows over dense, mobile, polydisperse granular sediment beds. Journal of Computational Physics, 340, 105-127 (PDF verfügbar).

Konferenzbeiträge

Weitere Links

Fabian Kleischmann berichtet von seinem Forschungsaufenthalt aus den USA

Ellen Krahl gewinnt den Stiftungspreis 2022 der Ingenieurskammer Niedersachsen

Bernhard Vowinckel wird Agnes-Pockels-Fellow der TU Braunschweig

Pressemitteilung der TU Braunschweig

Nachweis in der Datenbank der DFG

Youtube-Video zu Flokkulationsexperimenten auf der Internationalen Raumstation

Partikelaufgelöste Simulationen dichter Suspensionen

B. Vowinckel, P. Aussillous & S. Konidena

Laufzeit

2022 - 2025

Förderung

Agence Nationale de la Recherche & Deutsche Forschungsgemeinschaft

Kurzbeschreibung

Projektbeschreibung Die Gruppe RHINOS am Leichtweiß-Institut für Wasserbau der Technischen Universität Braunschweig führt partikelaufgelöste Simulationen dichter partikelbeladener Suspensionen am Übergang zwischen viskosem und inertialem Regime durch. Der Übergang zwischen diesen beiden Regimen wurde jedoch noch nicht systematisch untersucht und ist daher nur unzureichend verstanden. Dies kann für die prädiktive Modellierung von Situationen problematisch sein, die für technische Praktiken und natürliche Strömungen mit Sedimenttransport relevanter sind. Darüber hinaus basierten die konstitutiven Gesetze zur Beschreibung partikelbeladener Suspensionsströmungsprozesse bisher hauptsächlich auf Untersuchungen dichter Suspensionen schwimmneutraler Partikel in entweder hochviskosen Scherströmungen oder bei viel größeren Strömungsgeschwindigkeiten, bei denen Trägheitseffekte die dominierende Rolle spielen. Das aktuelle Projekt zielt darauf ab, die Lücke in der Rheologie dichter Suspensionen beim Übergang zwischen dem viskosen und dem Trägheitsregime zu schließen. Die Kampagne würde hochaufgelöste Daten von laminaren druckgetriebenen Scherströmungen über ein idealisiertes Sedimentbett für einen weiten Bereich von Stokes-Zahlen als Verhältnis von konkurrierenden Trägheits- und viskosen Effekten liefern. Diese Daten werden verwendet, um bestehende zweiphasige Modellierungsansätze zu verbessern, die für makroskopische Sedimenttransportmodelle populär geworden sind.

Publikationen

C. Rettinger, S. Eibl, U. Rüde, B. Vowinckel (2022). Rheology of mobile sediment beds in laminar shear flow: Effects of creep and polydispersity. Journal of Fluid Mechanics, 932, A1 (PDF verfügbar).

B. Vowinckel, E. Biegert, E. Meiburg, P. Aussillous, É. Guazzelli. Rheology of mobile sediment beds sheared by viscous, pressure-driven flows. Journal of Fluid Mechanics, 921, A20, 2021 (PDF verfügbar).

C. Rettinger, S. Eibl, U. Rüde, S. Konidena, B. Vowinckel (2022). Comparative Study of the Rheological Behavior of Sheared Bi- and Polydisperse Sediment Beds via Fully Resolved Simulations. (IAHR, 2022).