Partikel Kollisionen für beliebige glatte Objekte

Das zirka 350 Jahre alte grundlegende Werk Newtons über Mechanik erlaubt uns die Position eines Planeten genau zu berechnen. Wenn wir aber einen Stein in einen Fluss werfen und versuchen, dessen Position in einer Woche vorherzusagen, sind diese Prognosen unmöglich oder mit großen Fehlern behaftet. Bis heute ist das Verständnis der physikalischen Prozesse, wie Sedimente in Flüssen transportiert werden, begrenzt und basiert auf Erfahrungswerten. Dieses Projekt soll einen kleinen Beitrag zur Beantwortung der Frage liefern, wo sich ein ins Wasser geworfener Stein nach einer Woche befindet. Dies ist wichtig, da ein Sedimentüberschuss in Flüssen zu Hochwässern und ein Sedimentdefizit zu Eintiefungen der Flusssohle führen kann. In unserem Forschungsprojekt untersuchen wir speziell, wie sich Steinkollisionen an der Flusssohle auf den Sedimenttransport auswirken. Sedimenttransport wird durch die Interaktion von Steinen mit dem fließenden Wasser und der Interaktion von Steinen untereinander bestimmt. Um diese Interaktionen zu untersuchen, wurden bisher vereinfacht kugelförmige oder ellipsoide Steine verwendet. Diese unterscheiden sich jedoch grundlegend von Interaktionen von Steinen, die der Fluss geformt hat. Für die Untersuchung von Kollisionen mit Steinen beliebiger Form sollen deshalb mathematische und numerische Modelle entwickelt werden. Dazu werden Laborversuche mit Flusssteinen durchgeführt. Diese sind an bereits bekannte Pendelversuche mit kugelförmigen Partikeln angelehnt. Zusätzlich zur Verfolgung der Partikelbewegung vor, während und nach der Kollision wird das erzeugte Strömungsfeld mit modernen Messmethoden (4D-PTV mit shake-the-box) gemessen. Daraus wird ein mathematisches Kollisionsmodell entwickelt. Das mathematische Kollisionsmodell wird im Rahmen der Software Applikation VFS- Geophysics implementiert. Diese Software wird zur numerischen Simulation von Strömungen und ihrer Wechselwirkung mit Festkörpern (bspw. Steinen) verwendet. Sie wird um das Modul des Kollisionsmodells erweitert. Als Abschluss wird das numerische Modell anhand eines Sedimenttransportversuchs unter realen Strömungsbedingungen eines Flusses getestet.

Das zirka 350 Jahre alte grundlegende Werk Newtons über Mechanik erlaubt uns die Position eines Planeten genau zu berechnen. Wenn wir aber einen Stein in einen Fluss werfen und versuchen, dessen Position in einer Woche vorherzusagen, sind diese Prognosen unmöglich oder mit großen Fehlern behaftet. Bis heute ist das Verständnis, wie Sedimente in Flüssen transportiert werden, begrenzt und basiert auf Erfahrungswerten. Dabei ist es nicht zuletzt für Fragen der Hochwassersicherheit sehr wichtig, Sedimenttransport-Prozesse in Flüssen prognostizieren zu können. In unserem Forschungsprojekt untersuchten wir speziell, wie sich Steine an der Flusssohle, die miteinander kollidieren, auf den Sedimenttransport auswirken. Sedimenttransport wird durch die Wechselwirkung von Steinen mit dem fließenden Wasser und der Wechselwirkung von Steinen untereinander bestimmt. Um diese Wechselwirkung zu untersuchen, wurden bisher vereinfacht kugelförmige oder ellipsoide Steine verwendet. Unsere Hypothese war, dass sich Steine, die der Fluss geformt hat, anders bewegen als Kugeln und Ellipsoide. Für die Untersuchung von Kollisionen mit Steinen beliebiger konvexer Form wurde deshalb ein mathematisches und numerisches Modell entwickelt. Dazu wurden Laborversuche mit Flusssteinen durchgeführt. Dabei wurde zunächst die Bewegung der Flusssteine vor, während und nach der Kollision getrackt. Zusätzlich wurde das erzeugte Strömungsfeld mit modernen Messmethoden (3D-tr-PTV mit shake-the-box) gemessen. Wir konnten eine experimentelle Methode entwickeln, die die Wirbelstrukturen, die in der Strömung rund um die Steine entstehen, messen und visualisieren kann. Diese Methode kann allgemein verwendet werden, um beispielsweise die Wechselwirkung von Ufervegetation mit der Strömung zu untersuchen. Aus den experimentellen Daten wurde ein mathematisches Kollisionsmodell entwickelt. Dieses wurde im Rahmen der Software Applikation "VFS-Geophysics" implementiert. Diese Software wird zur numerischen Simulation von Strömungen und ihrer Wechselwirkung mit Festkörpern (bspw. Steinen, Uferböschung, Bäumen, Schiffen, etc.) verwendet. VFS-Geophysics wurde um das Modul des Kollisionsmodells erweitert. Anhand des entwickelten Kollisionsmodells konnten wir zeigen, dass sich Flusssteine in ihrer Bewegung an der Flusssohle grundlegend anders verhalten, als Kugeln oder Ellipsoide, weswegen es wichtig ist, die tatsächliche Form der Steine in den Computersimulationen richtig abzubilden. Mit diesem Projekt haben wir einen kleinen Schritt zur Beantwortung der Frage beitragen, wo sich ein ins Wasser geworfener Stein nach einer Woche befindet.