Large Wood Dynamics in Sharp River Bends: Experimental and Numerical Investigations

Autor: Innocenti, Lorenzo
Přispěvatelé: Aberle, Jochen, Solari, Luca
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2021
Předmět:
Popis: In last decades, the role of large wood (LW) in rivers was largely investigated due to the ecological importance for river habitats, and due to the associated potential hazards to humans and infrastructures, resulting an additional component of fluvial hydraulics. Despite recent research, knowledge of the dynamics of transported wood elements is still incomplete, particularly in modelling the effect of secondary currents on the LW dynamics. The present PhD research aims to enhance the knowledge on the transport of LW in sharp river bends by finding answers to the two main research questions: the identification of the main variables that influence the phenomenon, and assessing the capability of 2D depth-averaged models in reproducing effects of secondary currents on wood trajectories. A combined physical and numerical approach is used for this purpose. Physical model tests were performed in order to investigate the influence of (i) LW element dimensions, (ii) the approaching position of LW to the curve, and (iii) the initial orientation of LW, on the wood trajectories in a sharp bend. The analysis of experiments was conducted by considering the trajectories of wood pieces along the bend and providing statistical results. Moreover, experiments were analyzed by applying a mathematical model in order to provide the drag coefficient for floating LW subjected to a helical flow. For the simulation of secondary current effects, the 2D depth-averaged model “Iber-Wood” was enhanced and tested by simulating two experimental setups and a river-scale case study. The main results of the present work include the individuation of the main variables that influenced the LW trajectories in sharp river bends, the calculation of drag coefficients for a floating LW, and the improvement of the Iber-Wood model in simulating secondary current effects. In addition, two nondimensional coefficients are provided: the coefficient of variation for expressing the trajectory deviation along a bend, and the coefficient of similarity for expressing the similarity between two trajectories. Laboratory experiments particularly highlighted the influence of the wood length which is the main variable determining the trajectory of single wood pieces. Moreover, the approaching position of LW to the curve determined the impact of the wood against the outer bank towards which the wood pieces are pushed by the secondary current. The mathematical model defined for calculating the drag coefficient provides values ranging between 0.3 and 1.2 dependent on the orientation of the wood pieces with respect to the flow direction. Finally, the enhanced Iber-Wood model allowed to simulate the drift to which LW is subjected while transported along a river bend due to the presence of the helical flow.
In den letzten Jahrzehnten wurde die Schwemmholzdynamik in Flüssen wegen der ökologischen Bedeutung für Flusslebensräume und wegen der damit verbundenen potenziellen Gefahren für Menschen und Infrastrukturen weitgehend untersucht, was zu einer zusätzlichen Komponente der Flusshydraulik führte. Trotz neuerer Forschungen ist das Wissen über die Dynamik der transportierten Holzelemente immer noch unvollständig, insbesondere bei der Modellierung der Auswirkungen von Sekundärströmungen auf die Schwemmholz. Die vorliegende Doktorarbeit zielt darauf ab, das Wissen über den Transport von Schwemmholzdynamik in scharfen Flussbiegungen zu erweitern, indem Antworten auf die beiden wichtigsten Forschungsfragen gefunden werden: die Identifizierung der Hauptvariablen, die das Phänomen beeinflussen, und die Bewertung der Fähigkeit von 2D-Tiefenmittelungsmodellen bei der Reproduktion der Auswirkungen von Sekundärströmungen auf die Holzflugbahnen. Zu diesem Zweck wird ein kombinierter physikalischer und numerischer Ansatz verwendet. Physikalische Modellversuche wurden durchgeführt, um den Einfluss (i) der Abmessungen des Schwemmholzdynamik, (ii) der Position der Annäherung des Schwemmholz an die Kurve und (iii) der anfänglichen Ausrichtung des Schwemmholzdynamik auf die Holzflugbahnen in einer scharfen Biegung zu untersuchen. Die Analyse der Experimente erfolgte unter Berücksichtigung der Flugbahnen der Holzstücke entlang der Biegung und lieferte statistische Ergebnisse. Außerdem wurden die Experimente mit Hilfe eines mathematischen Modells analysiert, um den Widerstandskoeffizienten für schwimmende Schwemmholz in einer schraubenförmigen Strömung zu ermitteln. Für die Simulation von Sekundärströmungseffekten wurde das 2D-tiefengemittelte Modell "Iber-Wood" erweitert und durch die Simulation von zwei Versuchsaufbauten und einer flussweiten Fallstudie getestet. Zu den Hauptergebnissen der vorliegenden Arbeit gehören die Bestimmung der Hauptvariablen, die die Trajektorien von Schwemmholz in scharfen Flussbiegungen beeinflussen, die Berechnung von Widerstandskoeffizienten für ein schwimmendes Schwemmholzdynamik und die Verbesserung des Iber-Wood-Modells bei der Simulation von Sekundärströmungseffekten. Darüber hinaus werden zwei nichtdimensionale Koeffizienten angegeben: der Variationskoeffizient, der die Abweichung der Flugbahn entlang einer Kurve ausdrückt, und der Ähnlichkeitskoeffizient, der die Ähnlichkeit zwischen zwei Flugbahnen ausdrückt. In den Laborexperimenten wurde besonders der Einfluss der Holzlänge hervorgehoben, die die Hauptvariable ist, die die Flugbahn einzelner Holzstücke bestimmt. Darüber hinaus bestimmte die Annäherung von Schwemmholzdynamik an die Kurve den Aufprall des Holzes auf das äußere Ufer, auf das die Holzstücke durch die Sekundärströmung gedrückt werden. Das mathematische Modell, das für die Berechnung des Widerstandskoeffizienten definiert wurde, liefert Werte zwischen 0,3 und 1,2, abhängig von der Orientierung der Holzstücke in Bezug auf die Strömungsrichtung. Schließlich konnte mit dem erweiterten Iber-Wood-Modell die Drift simuliert werden, der Schwemmholz während des Transports entlang einer Flussbiegung aufgrund des Vorhandenseins einer spiralförmigen Strömung ausgesetzt ist.
Databáze: OpenAIRE
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