Artificial reefs for wave damping

Die Dissertation präsentiert die numerische und experimentelle Analyse von "Künstlichen Riffen" zur Wellendämpfung. Zum Schutz von erosionsgefährdeten Küstenabschnitten, an denen die einlaufende Seegangsenergie auf ein tolerierbares Mass reduziert werden soll, stellen die vorgestellten Unterwasser-Filtersysteme als Künstliche Riffe ein innovatives und vorteilhaftes System gegenüber konventionellen Lösungen dar. Die Filtersysteme bestehen aus getauchten, hintereinander gestaffelten Einzelfiltern unterschiedlicher Porosität, die den einlaufenden Seegang zum Teil transmittieren, zum Teil reflektieren und dissipieren. In der Arbeit werden zunächst globale Kennwerte anhand systematischer Modellversuche ermittelt. Bei den Experimenten in Wellenkanälen verschiedener Größe - beispielsweise dem grossen Wellenkanal in Hannover (GWK) mit einer Länge von 324 m - wird vorwiegend eine spezielle Versuchstechnik mit transienten Wellenzügen eingesetzt, die eine zeitsparende Analyse über ein breites Frequenzspektrum erlaubt. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wird ein lineares semi-empirisches Berechnungsmodell vorgeschlagen, das durch modifizierte Randbedingungen, eine deutliche Verbesserung bestehender Verfahren darstellt. Zur detaillierten Analyse der Künstlichen Riffe wird in dieser Arbeit eine neue nichtlineare numerische Berechnungsmethode zur instationären viskosen Berechnung von getauchten Filtern im Seegang unter Berücksichtigung der freien Oberfläche vorgestellt. Sie basiert auf einer Kopplung der Reynolds Averaged Navier-Stokes Gleichungen (RANSE) mit der Volume of Fluid (VOF) Methode. Aufbauend auf dem RANSE/VOF Verfahren wird eine effektive Vorgehensweise zur Geometriemodellierung und Diskretisierung des Rechengebietes vorgestellt. Die zur Erzeugung der Wellen erforderliche Kinematik am Wellenblatt wird im Rahmen der Arbeit entwickelt und in das vorhandene Strömungsprogramm integriert. Der Vergleich der Berechnungen mit experimentellen Versuchsergebnissen beweist die hohe Genauigkeit des Verfahrens bezüglich der ermittelten Wellenauslenkungen, Geschwindigkeiten und Strukturkräfte. Die anschliessende Analyse lokaler und nichtlinearer Strömungsphänomene getauchter Strukturen unterstützt die Entwicklung optimierter Künstlicher Riffe. Zusammenfassend werden in der Arbeit Ergebnisse für lokale Strömungsphänomene und globale Größen ermittelt. Sie liefern neue Erkenntnisse bezüglich des Übergangs vom Nahfeld zum Fernfeld, der Abschätzung von Energieverlusten, der nichtlinearen Transformation von Energieanteilen aus langperiodischen Wellen in hochfrequente Komponenten sowie des Transmissions- und Reflexionsverhaltens von getauchten Strukturen. Als Schlussfolgerung der Analysen werden Kriterien für die Gestaltung innovativer Künstlicher Riffe für den Einsatz im Küstenschutz festgelegt.This thesis presents a numerical and experimental analysis of artificial reefs in waves. Underwater filter systems are an innovative and favourable solution to reduce the energy of incident waves efficiently and can be used as artificial reefs to avoid erosion of unprotected coasts and beaches. Artificial reefs consist of multi-layer filters with different porosity which partly transmit, reflect and dissipate the incoming wave energy. Firstly an experimental analysis is conducted to obtain global values. For experiments in wave flumes of different scale - for example the huge wave flume of Hannover (GWK) with a length of 324 m - a special test procedure with transient wave trains is used, which allows a time efficient analysis for broad frequency spectra. On the basis of these results an improved linear semi-empirical model with modified boundary conditions is presented. For a detailed analysis of artificial reefs a new non-linear numerical method for transient viscous computation of submerged filters in waves is presented. It is based on the coupling of the Reynolds averaged Navier-Stokes equations (RANSE) with the volume of fluid (VOF) method. Using the RANSE/VOF module an efficient method for geometric modelling and grid generation is presented. The kinematics at the wave paddle for generating waves is developed, and integrated into the existing flow solver. The comparison of computed results with experimental data demonstrates the good agreement of the method concerning wave elevations, velocities and structure forces. The analysis of local non-linear flow phenomena of submerged structures helps to develop optimised artificial reefs. In summary this thesis presents results for local flow phenomena and global values. New knowledge is obtained on the transition of the near-field to the far-field, the non-linear transformation of energy from low-frequency waves to high-frequency components, and the transmission and reflection characteristics of submerged structures. In conclusion, design criteria for the construction of innovative artificial reefs for coastal protection are presented