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Mikro- und mesoskalige Prozesse der Sedimentmobilisierung,

-ströme und -depositionen infolge des Betriebs

von Offshore-Windenergieanlagen

Dipl.-Ing. Arne Stahlmann

Prof. Dr.-Ing. Torsten Schlurmann

mit Beiträgen u.a. von Dipl.-Ing. Mayumi Wilms, Dipl.-Ing. Anna Zorndt

Franzius-Institut für Wasserbau und Küsteningenieurwesen

Fakultät für Bauingenieurwesen und Geodäsie,

Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover

www.franzius-institut.de, [email protected]

Mikro- und mesoskalige Prozesse der Sedimentmobilisierung, -ströme und

-depositionen infolge des Betriebs von Offshore-Windenergieanlagen

FZK (2007) Scroby Sands, UK (2006)

Überblick: Kolkbildung an Offshore-Strukturen

HZG-Küstentagung Hamburg, 05.03.2013 | A. Stahlmann, T. Schlurmann

Strukturen im Offshore-Bereich

• Offshore-Windenergieanlagen, Umrichtstationen

• Pipelines, Seekabel, Technische UW-Anlagen

Kolkbildungsprozesse

• Lokale (und globale) Erosion des Meeresbodens

• Komplexe Strömungsphänomene: Interaktion

Seegang, (Tide-)Strömungen, Bauwerk, Boden

Kolkbildungseffekte

• Verringerte Einbindung, Freilegung

Standsicherheit, Gebrauchstauglichkeit

Suspension, Verdriftung und Akkumulation

Prozesse meist nicht direkt vorhersehbar!

Gegenmaßnahmen: Kolkschutz & Monitoring

Offshore Centre Denmark (2006)



Bemessungsrichtlinien für Kolktiefenannahme

S/D = 1.3 (DNV)

S/D = 1.4 – 1.9 (CERC)

S/D < 2.5 (GL)

Sumer & Fredsoe (2002)

S/D = 1.3·(1-e(-m·(KC-6)))

Melville & Coleman (2000)

S/D = 2·(1-e(-0.03·(KC-6)))

Zanke et al. (2011)

S/D = 2.5·(1-0.5·u/uc)·xrel

Kolkbildung an Pfeilerstrukturen


Strömungssystem am schlanken Pfeiler, Sumer (2002)

Relative Gleichgewichtskolktiefe S/D gegenüber KC-Zahl,

Zanke et al. (2011)

S/D

Nur

für

Pfe

ilers

truktu

ren g

ültig

!



Zielstellungen in Forschung und Entwicklung


Ingenieurtechnische Fragestellungen (Bauwerk)

• Physikalisch-exakte Herleitungen zur Kolkgenese nur bedingt vorhanden

Besseres Prozessverständnis der Wechselwirkungen Wasser-Boden-Struktur für

beliebige Strukturgeometrien und Belastungsgrößen

Ableitung praktischer Bemessungsansätze

(bisher meist empirisch)

F&E Erkenntnisse und in-situ Erfahrungen Offshore

unentbehrlich!

Regionale und ökologische Beeinflussung

(Bauwerk und Umfeld)

• Strömungsveränderungen, Sedimentverdriftung:

u.a. BSH StUK3 –“ Untersuchung der Auswirkung von

Offshore-Windenergieanlagen auf die Meeresumwelt“,

Anlagen und Kabel (Bau, Betrieb und Rückbau)

Voruntersuchungen und Monitoring



Numerisches Strömungs- und Kolkmodell


Numerisches 3D CFD Modell: OpenFOAM® (1.6-ext)

Hydrodynamik, Bodenschubspannungen:

Wellen, (Tide-) Strömungen,

kombinierte Belastungen, Richtungsvariation

Kolk-Modellierung (bewegliche Sohle):

bodennaher und suspendierter Transport

Detailuntersuchungen, Strukturoptimierung,

Parameterstudien

Hydrodynamische Komponente:

VOF-Ansatz (Zweiphasen), freie Oberfläche

RANS, k-ω SST Turbulenz-Modell

Wellengenerierung und Dämpfung (Jacobsen (2011)): Blending-Funktionen (Soll-Ist)

Bodenschubspannungen: aus van Driest (1956) Geschw.-Profil inkl. Bodenrauheit

Stahlmann (2011)



Kolkbildung am zylindrischen Pfeiler


Validierung nach Roulund et al. (2005): phys. und numerische Modellierung

• Konstante Strömung mit vm=0,46m/s; D=10cm, d=0,4m (0,2m)

• Bodennaher und

suspendierter

Transport

• Instationär

• Kenngrößen:

d50 = 0.26 mm

θc = 0.05

μd = 0.51

μs = 0.63

n = 0.4

φ = 33°

Stahlmann (2013)



Kolkbildung am zylindrischen Pfeiler


Validierung nach Roulund et al. (2005): phys. und numerische Modellierung

• Konstante Strömung mit vm=0,46m/s; D=10cm, d=0,4m (0,2m)

Zeit [min]

Re

lative

Ko

lktie

fe S

/D [

-]

max. 1,24 S/D=1,18




Offshore-Testfeld alpha ventus

Forschungsprojekt Gigawind alpha ventus

Seegangsrandbedingungen u.a. FINO1

Physikalische Modellierung

zu Kolkphänomenen in Wellenkanälen:

M1:40 (WKS) und M1:12 (GWK)

Kalibrierung/Verifizierung numerische Modelle

In-situ Messdaten

Kolkmessungen im Testfeld (BSH)

Numerische Modellierung: OpenFOAM®

Kopplung von Strömungsprozessen,

Bodenschubspannungen und Kolkentwicklung

Modellfamilien und Datenbasis

Tripod OWEA-Gründung

Stiftung Offshore Windenergie/DOTI (2008)

1:40 1:12

1:1




Tripod OWEA-Gründung, 1:12

0°, 3000

RW: d=2,5m, Hm=0,76m, Tm=5,48s

JONSWAP: d=2,5m, HS=0,72m, Tp=5,52s

0°, 3000 60°, 3000

JONSWAP: d=2,5m, HS=0,72m, Tp=5,52s

S/D

1P: 0,66

3P: 1,10

MC: 1,16

S/D

1P: 1,13

3P: 0,82

MC: 1,11

3P

S/D

1P: 0,93

3P: 0,88

MC: 1,08

RW: d=2,5m, Hm=0,76m, Tm=5,48s

1P

2P≈1P

MC

0°, 3000

3P 1P

2P≈1P

MC

3P

1P

MC

2P≈1P

1P

3P

2P≈1P MC

a) a)

b) c)

Stahlmann & Schlurmann (2010)





Time

Sco

ur

dep

th [

m]

2,70

4,10

7,20

W

N

S

MC

E09

E03

E15

E17

E18

BSH (2010)

Multi beam survey, Oktober 2011, BSH (2011)

Messkampagne des Bundesamts für Seeschifffahrt und Hydrographie:

Punktecholote (permanent) und Fächerecholot (Intervalle)

Tripod M07: Messwerte Kolktiefen 03/2012

Multi beam survey April 2010, 1x1m Gitter, unkorrigierte Werte Lambers-Huesmann & Zeiler, BSH (2010)

W-WSW

Erosion

Deposition

Gute Übereinstimmung mit phys. Modellversuchen





Hydrodynamische Parameter (M1:40, 50-Jahres Ereignis):

Stokes 2. Ordnung (regelmäßig), Hm=0,234m, Tm=1,94s, d=0,75 m, vm=0,206 m/s

Hm~0.9 Hs, Tm~0.9 Tp

Bodenschubspannungen [N/m²]:

Strömung Wellen Kombination Stahlmann & Schlurmann (2012a)








Erhöhungsfaktor α der Bodenschubspannungen [-] (Kombination):

0° 30° 60° Stahlmann & Schlurmann (2012a)








Kolkentwicklung (250 Wellenzyklen):

Wellen Wellen + Strömung

max. S/D = 0,51-0,77 max. S/D = 0,53-1,42

Stahlmann & Schlurmann (2012b)



Schwerkraftfundament STRABAG (2010)


Kolkphänomene und Kolkschutz für STRABAG Schwerkraftfundament,

physikalische Modellierung unter Wellenbelastung, M1:50 (WKS) + M1:17 (GWK)

Kolkuntersuchungen im GWK, 5000 Wellen, Wilms et al. (2012)

Strabag Schwerkraftfundament, Wahrmund et al. (2011)



Schwerkraftfundament STRABAG, 1:50



Stokes 5. Ordnung (regelmäßig), Hm=0,216 m, Tm=1,95 s, d=0,75 m, vm=0,106 m/s

Bodennahe Strömungsgeschwindigkeiten [m/s], Wellenberg:

Wellen Wellen + Strömung

max. 0,45 m/s max. 0,6 m/s

Wilms et al. (2012)



Tide-Modell Nordsee, Zorndt (2012)

Mittel –und großräumige Modellierung


SELFE - 3D barokline, mehrskalige

Fluss-Ästuar-Shelf-Ozean Zirkulation,

Zhang et al. (2008)

Unstrukturiertes Gitter (horizontale),

sz-Diskretisierung (vertikale) Domain

Semi-implizites Zeitschrittverfahren,

hoch parallelisiert

Hybride Koordinaten, Zhang (2008) Unstrukturiertes Rechengitter

3D barokline,

mehrskalige

Fluss-Ästuar-Shelf-

Ozean Zirkulation

Sturmfluten

Ökologie &

Wasser-

qualität

Stoff-

ausbreitung

Tsunami-

Modelle

Sediment-

transport

Seegang-

Strömungs-

Interaktion

SELFE Modellierung und Anwendungsbereiche

(http://www.stccmop.org/CORIE/modeling/selfe)



SELFE, Beispiel Weserästuar


Modell Weser-Ästuar, Zorndt (2012)

• Strömungen, Wasserstände, Salzkonzentration



Übergreifende Modellierung und Integration


Modellkette und Kopplungen zur Untersuchung lokaler und regionaler Effekte von

Sedimenttransportprozessen durch Betrieb von Offshore-Windenergieanlagen

Modellierung regionaler Effekte

• Integration lokaler Prozesse, Effekte und Wechselwirkungen

• Kurzfristige, lokale Effekte auf das Ökosystems?

• Langfristige, regionale irreversible Veränderungen?

Modellierung lokaler Prozesse

• Bau-, Betriebs- und Rückbauphasen Einzelanlagen OWEA

• Bemessung, Standsicherheit & Gebrauchstauglichkeit (Kolk)

• Eingangsgrößen für regionale Modellierung

OpenFOAM,

Modellversuche

und Monitoring

SELFE,

Kalibrierungs- und

Validierungsgrößen

Modell- und Erkenntnisintegration

• Schnittstellen zu langfristigen Monitoringkonzepten,

Prozesse und Wechselwirkungen OWEA mit Meeresumgebung

• z.B. COSYNA, DeMarine

Großräumige

Modelle



Zusammenfassung & Ausblick


Planung, Installation und Betrieb von OWEA als herausfordernde Aufgabe

Erste Erfahrungen zu Kolkbildungsprozessen an OWEA gesammelt:

Physikalische, numerische Modellierung und Naturmessdaten

Entwicklung eines numerischen Sedimenttransportmodells zur Untersuchung von

Fragestellungen mit Bezug zu Kolkbildungsprozessen (an Offshore-Bauwerken)

Ingenieurtechnische Modellierungsschwerpunkte:

• Kolkentwicklung, Kolkausdehnung, Kolkschutz

• Randbedingungen, (Strömung, Wellen, Kombination, Richtungsüberlagerung

• Komplexe Strukturen, Detailoptimierungen

Regionale Auswirkungen von Prozessen durch OWEA weitestgehend unbekannt

Ausblick

Kopplung numerischer Ansätze (Mikro- und Mesoskala)

• Mögl. Schnittstellen zu langfristigen Monitoring-Konzepten: Erfassung von

Prozessen und Wechselwirkungen zwischen marinem Ökosystem und OWEA



Literaturquellen & Veröffentlichungen


Jacobsen, N.G., Fuhrmann, D.R., Fredsøe, J. 2012. A Wave Generation Toolbox for the Open-Source CFD Library:

OpenFoam®. Int. J. Numerl. Meth. Fluids, 70(9):1073-1088.

Roulund, A., Sumer, B.M., Fredsøe, J. 2005. Numerical and experimental investigation of flow and scour around a

circular pile. Journal of Fluid Mechanics, 534:351-401.

Stahlmann, A., Schlurmann, T. 2010. Physical Modeling of Scour around Tripod Foundation Structures for Offshore

Wind Energy Converters, Coastal Engineering Proceedings, 1(32), Shanghai.

Stahlmann, A., Schlurmann, T. 2012a. Kolkbildung an komplexen Gründungsstrukturen für Offshore-

Windenergieanlagen: Untersuchungen zu Tripod-Gründungen in der Nordsee. Bautechnik 89(5):293-300.

Stahlmann, A., Schlurmann, T. 2012b: Investigations on Scour Development at Tripod Foundations for Offshore

Wind Turbines: Modeling and Application, Coastal Engineering Proceedings, 1(33),

doi:10.9753/icce.v33.sediment.90.

Sumer, B.M., Fredsøe, J. 2002. The Mechanics of Scour in the Marine Environment. World Scientific Publishing

Co. Pte. Ltd.

Wahrmund, H., Wilms, M., Stahlmann, A., Heitz, C., Schlurmann, T. 2011. Kolkbildung und Dimensionierung des

Kolkschutzes eines OWEA-Schwerkraftfundaments (in German). 8. FZK-Kolloquium, S. 93-104, Hannover, 10.

März 2011.

Wilms, M., Stahlmann, A., Schlurmann, T. 2012. Investigations on Scour Development around a Gravity Foundation

for Offshore Wind Turbines, Coastal Engineering Proceedings, 1(33).

Zanke, U.C.E., Hsu, T.-W., Roland, A., Link, O., Diab, R. 2011. Equilibrium scour depths around piles in

noncohesive sediments under currents and waves. Coastal Engineering, Vol. 58, 986-991.

A. Zorndt, K. Krämer, J. Saalbach, T. Schlurmann (2012): An integrated approach for investigating the impacts of

climate change on the Weser Estuary, Physics of Estuaries and Coastal Seas Symposium, 13.08.2012, New York




Foto: alpha ventus Pressebild

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