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In-situ Messungen im Testfeld alpha ventus und in Ästuaren

07. Juni 2013 – DVW Geodätentag | Arndt Hildebrandt

In-situ Messungen im Testfeld alpha ventus

und in Ästuaren

Sensorik und Messergebnisse am OWEA Prototyp AV7 sowie

Ausstattung und Naturmessungen mit dem FI Boot

Arndt Hildebrandtwww.fi.uni-hannover.de

Übersicht

Franzius-Institut für Wasserbau und Küsteningenieurwesen

Methode & Ausstattung

Offshore Messungen

Messboot

Feldeinsatz

Zusammenfassung

Gegründet 1831 – seit 2006 Gottfried Wilhelm Leibniz Universität

Universität mit starkem technik- und naturwissenschaftlich geprägten Profil

Neun Fakultäten – Naturwissenschaften, Mathe und Physik, Elektrotechnik und Informatik, Maschinenbau, Bauingenieurwesen und Geodäsie, Philosophie, Architektur und Landschaft, Juristische Fak. und Wirtschaftswissenschaftiche Fak.

Mitglied der TU9 – Allianz führender technischer Universitäten in Deutschland, ca. 2/3 aller Absolventen in den Ingenieurwissenschaften (TU9 Universitäten)

Mitglied der NTH – Allianz der Universitäten in Brauschweig, Clausthal und Hannover

Franzius-Institut

Gegründet 1914 – Traditionelles universitäres Forschungsinstitut

Weltbekannte Laboreinrichtungen(GWK, WBM, WKS, TwinFlume, etc.)

Umfangreiche Kompetenzen in der numerischen Modellierung zur vollständigen 3D Simulation von Strömungen und gekoppelten Prozessen,

Mitarbeiter/innen: 1 Prof, 3 PostDocs, 10 Assistent/innen, 6 MTV, 20 Studentische Mitarbeiter, Extern akquiriertes Forschungsbudget ca. 0.8 Mio €/a

Starker Industriebezug und -vernetzung, z.B. Offshore Windenergie ForWind, GMT, HTG, BSH, und HOCHTIEF, VATTENFALL, EON, STRABAG/ZÜBLIN, SME, etc.

Instrumente & Methoden

PhysikalischeModelle (PM)

NumerischeModelle (NM)

TheoretischeAnalyse (TA)

Feldstudien,-experimente

PhysikalischePhysikalischePhysikalischeModelle (PM)Modelle (PM)Modelle (PM)

TTTheoretischeAnalyse (TA)Analyse (TA)Analyse (TA)

Standorte

Außengelände Marienwerder• Großer Wellenkanal• Wellenbecken• Schiffsschlepprinne• Umlaufrinne• Twin-Flume

Versuchshalle Schneiderberg• Wellenkanal• Strömungsrinne• Hydraulische Modelle• Lehrlabor• Werkstätten

Wellenkanal Schneiderberg

Reguläre und irreguläre Wellen max. Wellenhöhe: 0,4 m Länge: 110 m Breite: 2,2 m Tiefe: 2 m

| Arndt Hildebrandt| Arndt Hildebrandt

16.800 m² überdachte Versuchsfläche24.000 m² Freifläche für hydraulische Modelle

Außengelände Marienwerder

07. Juni 2013 – DVW Geodätentag | Arndt Hildebrandt| Arndt Hildebrandt| Arndt Hildebrandt

In-situ Messungen im Testfeld alphaund in Ästuaren

alpha ventus

Wellenbecken

Wellengenerierung: Regelmäßige Wellen Solitäre Wellen Wellenspektren (Jonwap, PM, TMA) Reproduktion von Seegang aus Naturmessungen Fokussierte Wellengruppen (Freak Waves) Individuell (z.B. schiffsinduzierte Wellen)

Richtungsseegang (5 - 175 ) Kurzkämmiger Seegang

Wellenbecken

Abmessungen: 25 m x 40 m max. Wassertiefe: 1,0 m max. Wellenhöhe: H = 0,47 m, Hs = 0,32 m Antriebsart: Servomotoren (elektr.) Anzahl Wellenblätter: 72 (je 0,4 m x 1,8 m)

max. Stroke: 1,2 m ( 0,6 m) max. Geschwindigkeit: 3 m/s Wellenabsorption: aktiv bis 6 Hz

Großer Wellenkanal

Abmessungen: 310 m x 5,0 m Tiefe: 7,0 m max. Wassertiefe: 5,0 m max. Wellenhöhe: H = 2,0 m, Hs = 1,3 m Antriebsart: hydraulisch Anzahl Wellenblätter: 1, Piston mit Flap

max. Stroke: 4,2 m ( 2,1 m) max. Geschwindigkeit: 1,7 m/s Wellenabsorption: ja

07. Juni 2013 – DVW Geodätentag | Arndt Hildebrandt07. Juni 2013 07. Juni 2013 DVW DVW DVW DVW GeodätentagGeodätentagGeodätentag | Arndt Hildebrandt| Arndt Hildebrandt| Arndt Hildebrandt

SpannfeldGrundbau-Versuchsgrube

Messboot

Umfangreiches Equipment für In-Situ Messungen

Relativer Messbereich: 0,75m bis 100m

Absoluter Messbereich: 3,5m bis 600m

Temperaturbereich: -20 bis 60 Grad Celsius

Kompensierter Temperaturbereich: -2 bis 30 Grad Celsius

Drucksensorik im Testfeld

Quelle: REpower

Drucksensorik im Testfeld

Relativer Messbereich: 0,75m bis 100m

Absoluter Messbereich: 3,5m bis 600m

Temperaturbereich: -20 bis 60 Grad Celsius

Kompensierter Temperaturbereich: -2 bis 30 Grad CelsiusQuelle: REpower

• 1660 m Kabellänge

• Ca. alle 20-30 cm Kabelsicherung mit Kabelbindern

• 112 m Spannringe, V4A

• 56 m Zurrgurte

• 112 m Spannbänder, V4A

• Keine Bohrung

• Kein Schweißpunkt

19 + 32 = 51 acceleration meters

67 + 46 = 113 strain gauges

30 water pressure sensors (WPS)=> 2 vertical profiles: 6 and 4 WPS=> 1 horizontal profile: 22 WPS

Current velocity meter=> ADCP + FINO 1

Wave recording=> Wave buoy + FINO 1

Video camera=> Wave run up

Wind data

dz=50 cmdz=70 cm

dx=78 cm

Recording: October 2009 Data: 2010

• Spektrum der

Wasserdruck-

sensoren

• Intensität über

Frequenz und

Umfang

• Sturmentwicklung

bzw. Reaktion auf

Windeinfluss

Auswertungen

• Spektrum der

Wasserdruck-

sensoren

Frequenz und

Umfang

bzw. Reaktion auf

Windeinfluss

Auswertungen

• Spektrum der

Wasserdruck-

sensoren

Frequenz und

Umfang

bzw. Reaktion auf

Windeinfluss

Auswertungen

• Spektrum der

Wasserdruck-

sensoren

Frequenz und

Umfang

bzw. Reaktion auf

Windeinfluss

Auswertungen

• Spektrum der

Wasserdruck-

sensoren

Frequenz und

Umfang

bzw. Reaktion auf

Windeinfluss

• Dämpfung durch

Bewuchs?

Mariner Bewuchs 11 Monate nach der Installation – August 2010

Quelle: BSH, 2010

Mariner Bewuchs 17 Monate nach der Installation – Februar 2011

Exemplarische Druck-verteilung mit 1s Intervallenzwischen den Plots gemessen am 12. Nov 2011 an der unterstenManschette im Testfeld(Position: ca. 26.7 m überdem Seeboden)

Aus der Druckverteilung über den

Umfang lässt sich die Resultierende

über die Zeit bzw. Wellenperiode

bestimmen (schwarz: gemessen,

blau: theoretisch)

Auswertungsmethodik

Model scale 1:10 GWK modelTripod height = 4.5 mWater depth = 3.0 m

1,500,000 nodes2,000,000 elements

50 s simulationwith dt = 0.1 s

72h calculation time

K-Epsilon turbulence model, smooth walls, moving wall

Ansys CFX v13

Ausblick

Seegangslasten – Brechende Wellen

20-30% Hb Hb

Brechende Wellen im GWK Modell

Kalibrietes 3D Strömungs-modell (CFD)

Zeitreihen der Drücke in der „Impact-Area“ auf Höhe des Wellenkamms (zeitlich versetzt aufgetragen).

• Druckschlagfläche beträgt

20-30% der Brecherhöhe.

• Druckschlagfläche reicht 10-

15% von Hb oberhalb des

Wellenkamms und nimmt

Einfluss auf die Position der

Resultierenden.

• Gemessene Druckspitzen

betragen bis zu 25m Wasser-

säule bei 1.5m Brecherhöhe

(Faktor 17)

0 , 3000

: d=2.5m, Hm=0.76m, Tm=5.48s

: d=2.5m, HS=0.72m, Tp=5.52s

0 , 3000 60 , 3000

: 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

S/D 1P: 0,93 3P: 0,88 MC: 1,08

: d=2.5m, Hm=0.76m, Tm=5.48s

2P≈1P

0 , 3000

2P≈1P

MC 2P≈1P

2P≈1P MC

Scour monitoring in the test site (field data)

Measuring campaign by the German Maritime and Hydrographic Agency (BSH)

19 single beam echo sounders (few minutes measuring interval)

Surveys using multi beam echo sounders in the near-field

Source: BSH, 2009 Source: Stiftung Offshore Windenergie/alpha ventus, 2008

Scour monitoring in the test site (field data)

Single Beam data 12/2009 – 01/2011

Original source: BSH, 2010

Multi beam survey 2011, scour depths exaggerated. Source: BSH 2011

Physical model (1:12) vs. Prototype (1:1)

Multi beam survey April 2010, 1x1m grid, uncorrected values Source: Lambers-Huesmann & Zeiler, BSH 2010

[m] S/D S/D S/D S/D

1:12 0,19 0,93 - 0,88 1,08

1:1 2,3 1,42 1,08

JONSWAP spectrum: d=2.5m, HS=0.72m, Tp=5.52s

0 , 3000

Real depths locally underestimated:

scaling effects (esp. model sediment)

unidirectional wave loads

wave-only conditions (no tide)

Überproportionale

Erhöhung der Kräfte

mit zunehmendem

Verbaugrad

Messboot

Umfangreiches Equipment für In-Situ Messungen

Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP)

Strömungsgeschwindigkeit

600 Hz

Impulsrate 2 Hz

Vier Schwinger

Zellgrößen

Messbereich +/- 5 m/s

Zwei Frequenz Echolot

Multi-Sonde

Messausrüstung

lNiedrige Frequenz: 15 kHz

Hohe Frequenz: 200 kHz

Bathymetrie

Bodenschichten (Stein; Schlick)

Tiefenauflösung ~ 1cm

Multi-Sonde

Messausrüstung

transducer Litu Box

Multi-Sonde

Trübung

Dichte

Salzgehalt

Sauerstoffgehalt

Temperatur

Messausrüstung

Multi-Probe

Differential-GPS (positioning)

base station

~ 1 dm Genauigkeit

GPS-Compass

Software

Positioning System

base stationrover

GPS-Compass (oriantation)

Zwei Antennen

primary and secondary

Abgleich/Kompensierung

gyroscope

magnetic compass

Software

Positioning System

GPS-Compass

GPS-Compass (oriantation)

Software

running on linux

graphical user interface (GUI)

saving incoming data with timestamp

UTC-time from GPS-satellite

Positioning System

In-Situ Messungen am Emssperrwerk

Problem:

Asymetric tidal evolution due to large depth of the river Ems

import of sediment

Use the Ems River Barrage to influence the tidal evolution

Reducing the strength of the flood current by closing five of the seven

gates of the barrage during the start of flood stream

Objective:

Collect data of turbulence parameters near the barrage to calibrate

numerical and physical models

Overview of Surveys

(NLWKN, 2013)

Measurements:

Horizontal flow

velocity with ADCP

Vertical salinity

profiles

Local turbulence

measurement with

Velocity Measurements

All gates open

5 of 7 gates closed

Uniform velocity field Narrow flow cross-section

Large eddy with backflow on

the right side of the river

Vertical Salinity Measurements

Post Tsunami Survey Mentawai 18.11. – 01.12. 2010

• Messung von maximalem Wellenauflauf, Eindringtiefe und Wellenanlaufrichtung

• Topographische und bathymetrische Messungen zur Aufnahme des küstennahen Geländeprofils

• Messung der Schichtdicke der Sedimentablagerungen

• Sammeln von Informationen über Schäden an Gebäuden und Infrastruktur

• Befragung von Augenzeugen

GeodätentagGeodätentag | Arndt Hildebrandt| Arndt Hildebrandt| Arndt Hildebrandt07. Juni 2013 07. Juni 2013 –– DVW DVW DVW DVW GeodätentagGeodätentag

dGPS Messungen

Results (Tsunami measurement):

1-1.3m

2.2-3.7m

2.3-3.5m

1.5-4m

SiporaIsland

North PagaiIsland

South PagaiIsland

4.5-8.5m

4m2.4-

5.6m8m

8m2-5.5m7.6m

6-12.4m 2.8-8.3m7-11.1m

2.8-6.7m

3.5-7.6m

•At 26 locations, 72 points of tsunami measurements•Sipora Is. (1-4 m)•North Pagai Is. (2.4-8 m)•South Pagai Is. (2.5-12.4 m)•Less height tsunami found in the bays•The highest found in the islands off Pagai Is.

Bathymetrie

Results (Bathymetric measurement):

SiporaIsland

North PagaiIsland

South PagaiIsland

•At 7 locations•Asahan bay (1.7-16.2 m)•Betumonga (2.8-16.4 m)•Bosua (2.2-22.3 m)•Malakopa (2.1-16.2 m)•Makaroni (1.2-16 m)•Sabeugunggung (3.9-30 m)•Tumale (2.1-13.4 m)

Betumonga

Geologie

Results (Tsunami Deposit):

SiporaIsland

North PagaiIsland

South PagaiIsland

•At 20 locations•Tsunami deposit 1.5-12 cm•Less than expected, due to coral reef morphology•Huge coral boulders (~>80 ton) found at Kasi Is.

2-3.5m

1-4.2m

4-6m 8m

7.5m 5.7 – 12 m 8.4m

11.4m 7.6m

6.2m 3.4m

Tsunami-Auflaufhöhen

Zusammenfassung & Herausforderungen

Wir brauchen Sie und Ihre Entwicklungen.

Sensorik & (Analyse):

Kolkschutz Tracking

Wellendetektierung

Erfassung von „inneren“ Bauwerksverformungen

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.

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