Numerical simulation of the influence of circular cylinders on mixing and entrainment in natural density currents
Zugl.: Hannover, Univ., Diss., 2007
Gespeichert in:
| 1. Verfasser: | |
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| Format: | UnknownFormat |
| Sprache: | eng |
| Veröffentlicht: |
Hannover
Inst. f. Strömungsmech. u. Elektronisches Rechnen im Bauwesen
2008
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| Schriftenreihe: | Bericht / Institut für Strömungsmechanik und Elektronisches Rechnen im Bauwesen der Leibniz Universität Hannover
75 |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | Inhaltsverzeichnis |
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Tag hinzufügen | Zusammenfassung: | Zugl.: Hannover, Univ., Diss., 2007 The present work is concerned with the determination of the impact of circular cylinders on the dilution of density currents, motivated by the planned errection of offshore wind farms in the Baltic Sea. The analysis is mainly based on fully three-dimensional numerical simulations and the physical background of the model with Special emphasis on the nature and modeling of turbulence is explained in detail first. Additionally the numerical methods used to solve the governing equations are shortly described.The core of the work begins with a discussion of the basic principles of the cy linder flow and a first validation of the numerical model with laboratory measurements from the literature for the neutral density shear-free flow around a circular cylinder. Afterwards the general effects of stratification on the flow will be introduced and essential parameters to describe these effects are worked out. By the example of wind-induced mixing of a stably stratified fluid essential parameters for the numerical Simulation of density currents are determined. A thoroughly derived depth-integrated theory provides the basis for an analysis of undisturbed density currents and for the validation of the numerical model to simulate these currents. Additional simulations of fundamental flow configurations and the comparison with field measurements in the Arkona Basin in the Baltic Sea provide the necessary credibility for the present numerical model to simulate the additional cylinder induced entrainment rates.The impact of a circular cylinder on the dilution of a density current is finally investigated by numerical simulations on a natural scale. The resulting flow field, entrainment rates and mixing efficiencies are analyzed and the influence of the governing parameters for the flow are investigated.' The cylinder Reynolds number in the present order of magnitude shows up to be an unimportant parameter but entrainment clearly depends on the densimetric Froude number and the current depth to cylinder diameter ratio. If earth rotation and Coriolis forces are considered the Ekman number is a further governing parameter. By a principal analysis it is shown that the local impact of the cylinder is quite significant but the global effect of offshore wind farms on density currents in the Baltic Sea turns out to be rather small. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Bestimmung des Einflusses von Kreiszylindern auf die Durchmischung von Dichteströmungen, motiviert durch die geplante Errichtung von Offshore Windparks in der Ostsee. Der Schwerpunkt liegt auf voll dreidimensionalen numerischen Simulationen, so dass zunächst die physikalischen Grundlagen des Modells und insbesondere das Phänomen von Turbulenz und deren Modellierung ausführlich erläutert werden. Zusätzlich werden die numerischen Methoden zur Lösung der Grundgleichungen kurz beschrieben.Der eigentliche Kern der Arbeit beginnt mit einer Betrachtung der grundlegenden Prinzipien der Zylinderumströmung und einer ersten Validierung des numerischen Modells anhand von Labormessungen aus der Literatur für eine dichteneutrale, ungescherte Strömung um einen Kreiszylinder. Anschließend wird der generelle Einfluss einer Dichteschichtung auf die Strömung vorgestellt und die wesentlichen Parameter zu deren Beschreibung herausgearbeitet. Anhand der windinduzierten Durchmischung einer stabilen Dichteschichtung werden entscheidende Größen für die numerische Simulation von Dichteströmungen bestimmt. Die Herleitung einer tiefenintegrierten Theorie bildet schließlich die Grundlage für eine prinzipielle Analyse unbeeinflusster Dichteströmungen und für die Validierung des numerischen Modells. Zusätzliche Prinzipstudien und der Vergleich mit Naturmessungen im Arkona Becken in der Ostsee geben dem verwendeten numerischen Modell die nötige Glaubwürdigkeit für die Simulationen der zylinderinduzierten Einmischung.Der Einfluss eines Kreiszylinders auf die Durchmischung einer Dichteströmung wird schließlich anhand numerischer Simulationen im Naturmaßstab untersucht. Das Strömungsfeld, Einmischungsraten und Mischungseffizienz werden analysiert und der Einfluss der bestimmenden Parameter wird untersucht. Dabei stellt sich heraus, dass die Reynoldszahl in der vorliegenden Größenordnung einen unbedeutenden Parameter darstellt, aber die Einmischung eindeutig von der densimetrischen Froudezahl und dem Verhältnis zwischen der Dicke der Strömung und dem Zylinderdurchmesser abhängt. Die Untersuchung zeigt, dass die lokale Einwirkung des Zylinders zwar signifikant ist, der globale Einfluss von Offshore Windparks auf Dichteströmungen in der Ostsee aber eher gering ausfällt |
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| Beschreibung: | V, 289 S. Ill., graph. Darst., Kt. |