Development of a numerical modeling approach for large-scale fluid mud flow in estuarine environments

Abstract

Die vorliegende Arbeit erweitert die Ästuarmodellierung um die Möglichkeit der großräumigen numerischen Modellierungen von Flüssigschlick in RANS-Modellen und entsprechend großer räumlicher und zeitlicher Skalen. Ein besonderer Fokus liegt auf dem bisher nicht ausreichend bekannten Einfluss des nicht-Newtonschen Fluids auf die vertikale Turbulenzausbreitung, sowie der Fähigkeit zum zeitabhängigen laminaren Fließen (Thixotropie). Der hier entwickelte Ansatz erlaubt die gleichzeitige Modellierung newtonscher, turbulenter und nicht-newtonscher, laminarer Fließvorgänge innerhalb eines Rechengitters mit stetigem Übergängen zwischen beiden Zuständen. Anhand umfangreicher, teils zielgerichtet für die Validierung des Modellansatzes erhobener Feldmessdaten aus dem Ems-Ästuar konnte dieser belastbar validiert werden. Die Verifizierung zeigt, dass der hier erweiterte Modellansatz in der Lage ist, sowohl die Dynamik des Wasserkörpers, als auch der hoch-konzentrierten Suspension hinreichend genau abzubilden. Des Weiteren wird auf Basis der Modellergebnisse der Einfluss von Flüssigschlick auf die Hydrodynamik und Ästuarzirkulation am Beispiel des Ems-Ästuars verdeutlicht. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass eine Berücksichtigung der Eigenschaften des Flüssigschlick in numerischen Modellen erforderlich ist um eine realistische Abbildung der Hydrodynamik und Ästuarzirkulation, sowie des großräumigen Sedimenttransportes erreichen zu können. Mit dem nun vorliegenden Modell steht ein Werkzeug bereit, das unmittelbar für die Klärung weitergehender Fragen zum Systemverständnis Flüssigschlick-geschichteter Ästuare oder auch zur Prüfung und Umsetzung konkreter behördlicher Maßnahmen eingesetzt werden kann.