Modellierung der Verformung alluvialen Materials durch Strömungen mit Hilfe der Level Set Methode

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Die Sohle eines Fließgewässers besteht meist aus feinen kohäsionslosen Lockersedimenten und ist somit nicht formstabil. Kann die Sohle den durch die Strömung erzeugten Wandschubspannungen nicht standhalten wird Sediment flussabwärts transportiert (Erosion). In strömungsschwächeren Gebieten, wo die Schwerkraft der Teilchen überwiegt lagern sich die Sedimente an der Sohloberfläche an (Sedimentation). Die Erosion und Sedimentation führen zu Verformungen der Sohle, die sich auf die Strömung und die damit verbundene Sedimenttransportrate auswirken. Unter bestimmten Strömungsbedingungen bilden einige Materialen sogenannte Riffel aus, dies sind kohärente regelmäßige Oberflächenstrukturen. Die Riffel besitzen einen dynamischen Gleichgewichtszustand, das bedeutet, dass die Riffel ihre Gestalt behalten jedoch nicht ortsfest sind, sondern eine Wanderungsgeschwindigkeit besitzen, die relativ gesehen klein zur Strömungsgeschwindigkeit ist. Riffelbildung kommt ubiquitär als natürlicher Prozess sowohl in binnen als auch in marinen Strömungen vor. Es besteht ein großes wissenschaftliches und wirtschaftliches Interesse dieses Phänomen genau modellieren zu können, um anthropogene Eingriffe in Gewässern vorhersagen zu können. Als Neuerungen bei der Modellierung sollen zwei spezielle Methoden eingesetzt werden. Zum einen ist für die o.g. dynamische Grenzfläche zwischen Wasser und Sediment die Level Set Methode anzuwenden, die sich als besonders genaue und flexible Methode bei der Abbildung von Grenzflächen zwischen Medien etabliert hat. Darüber hinaus soll erstmalig für diesen Bereich die Large-Eddy Simulation zur Beschreibung der Turbulenz verwendet werden.