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]
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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)
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Mikro- und mesoskalige Prozesse der Sedimentmobilisierung, -ströme und
-depositionen infolge des Betriebs von Offshore-Windenergieanlagen
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
HZG-Küstentagung Hamburg, 05.03.2013 | A. Stahlmann, T. Schlurmann
Strömungssystem am schlanken Pfeiler, Sumer (2002)
Relative Gleichgewichtskolktiefe S/D gegenüber KC-Zahl,
Zanke et al. (2011)
S/D
Nur
für
Pfe
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Mikro- und mesoskalige Prozesse der Sedimentmobilisierung, -ströme und
-depositionen infolge des Betriebs von Offshore-Windenergieanlagen
Zielstellungen in Forschung und Entwicklung
HZG-Küstentagung Hamburg, 05.03.2013 | A. Stahlmann, T. Schlurmann
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
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Mikro- und mesoskalige Prozesse der Sedimentmobilisierung, -ströme und
-depositionen infolge des Betriebs von Offshore-Windenergieanlagen
Numerisches Strömungs- und Kolkmodell
HZG-Küstentagung Hamburg, 05.03.2013 | A. Stahlmann, T. Schlurmann
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)
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Mikro- und mesoskalige Prozesse der Sedimentmobilisierung, -ströme und
-depositionen infolge des Betriebs von Offshore-Windenergieanlagen
Kolkbildung am zylindrischen Pfeiler
HZG-Küstentagung Hamburg, 05.03.2013 | A. Stahlmann, T. Schlurmann
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)
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Mikro- und mesoskalige Prozesse der Sedimentmobilisierung, -ströme und
-depositionen infolge des Betriebs von Offshore-Windenergieanlagen
Kolkbildung am zylindrischen Pfeiler
HZG-Küstentagung Hamburg, 05.03.2013 | A. Stahlmann, T. Schlurmann
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
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Mikro- und mesoskalige Prozesse der Sedimentmobilisierung, -ströme und
-depositionen infolge des Betriebs von Offshore-Windenergieanlagen
HZG-Küstentagung Hamburg, 05.03.2013 | A. Stahlmann, T. Schlurmann
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
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Mikro- und mesoskalige Prozesse der Sedimentmobilisierung, -ströme und
-depositionen infolge des Betriebs von Offshore-Windenergieanlagen
HZG-Küstentagung Hamburg, 05.03.2013 | A. Stahlmann, T. Schlurmann
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)
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Mikro- und mesoskalige Prozesse der Sedimentmobilisierung, -ströme und
-depositionen infolge des Betriebs von Offshore-Windenergieanlagen
Tripod OWEA-Gründung, 1:1
HZG-Küstentagung Hamburg, 05.03.2013 | A. Stahlmann, T. Schlurmann
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
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Mikro- und mesoskalige Prozesse der Sedimentmobilisierung, -ströme und
-depositionen infolge des Betriebs von Offshore-Windenergieanlagen
Tripod OWEA-Gründung, 1:40
HZG-Küstentagung Hamburg, 05.03.2013 | A. Stahlmann, T. Schlurmann
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)
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Mikro- und mesoskalige Prozesse der Sedimentmobilisierung, -ströme und
-depositionen infolge des Betriebs von Offshore-Windenergieanlagen
Tripod OWEA-Gründung, 1:40
HZG-Küstentagung Hamburg, 05.03.2013 | A. Stahlmann, T. Schlurmann
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
Erhöhungsfaktor α der Bodenschubspannungen [-] (Kombination):
0° 30° 60° Stahlmann & Schlurmann (2012a)
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Mikro- und mesoskalige Prozesse der Sedimentmobilisierung, -ströme und
-depositionen infolge des Betriebs von Offshore-Windenergieanlagen
Tripod OWEA-Gründung, 1:40
HZG-Küstentagung Hamburg, 05.03.2013 | A. Stahlmann, T. Schlurmann
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
Kolkentwicklung (250 Wellenzyklen):
Wellen Wellen + Strömung
max. S/D = 0,51-0,77 max. S/D = 0,53-1,42
Stahlmann & Schlurmann (2012b)
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Mikro- und mesoskalige Prozesse der Sedimentmobilisierung, -ströme und
-depositionen infolge des Betriebs von Offshore-Windenergieanlagen
Schwerkraftfundament STRABAG (2010)
HZG-Küstentagung Hamburg, 05.03.2013 | A. Stahlmann, T. Schlurmann
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)
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Mikro- und mesoskalige Prozesse der Sedimentmobilisierung, -ströme und
-depositionen infolge des Betriebs von Offshore-Windenergieanlagen
Schwerkraftfundament STRABAG, 1:50
HZG-Küstentagung Hamburg, 05.03.2013 | A. Stahlmann, T. Schlurmann
Hydrodynamische Parameter (M1:50, 50-Jahres Ereignis):
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)
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Mikro- und mesoskalige Prozesse der Sedimentmobilisierung, -ströme und
-depositionen infolge des Betriebs von Offshore-Windenergieanlagen
Tide-Modell Nordsee, Zorndt (2012)
Mittel –und großräumige Modellierung
HZG-Küstentagung Hamburg, 05.03.2013 | A. Stahlmann, T. Schlurmann
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)
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Mikro- und mesoskalige Prozesse der Sedimentmobilisierung, -ströme und
-depositionen infolge des Betriebs von Offshore-Windenergieanlagen
SELFE, Beispiel Weserästuar
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Modell Weser-Ästuar, Zorndt (2012)
• Strömungen, Wasserstände, Salzkonzentration
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Mikro- und mesoskalige Prozesse der Sedimentmobilisierung, -ströme und
-depositionen infolge des Betriebs von Offshore-Windenergieanlagen
Übergreifende Modellierung und Integration
HZG-Küstentagung Hamburg, 05.03.2013 | A. Stahlmann, T. Schlurmann
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
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Mikro- und mesoskalige Prozesse der Sedimentmobilisierung, -ströme und
-depositionen infolge des Betriebs von Offshore-Windenergieanlagen
Zusammenfassung & Ausblick
HZG-Küstentagung Hamburg, 05.03.2013 | A. Stahlmann, T. Schlurmann
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
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Mikro- und mesoskalige Prozesse der Sedimentmobilisierung, -ströme und
-depositionen infolge des Betriebs von Offshore-Windenergieanlagen
Literaturquellen & Veröffentlichungen
HZG-Küstentagung Hamburg, 05.03.2013 | A. Stahlmann, T. Schlurmann
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
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Mikro- und mesoskalige Prozesse der Sedimentmobilisierung, -ströme und
-depositionen infolge des Betriebs von Offshore-Windenergieanlagen
HZG-Küstentagung Hamburg, 05.03.2013 | A. Stahlmann, T. Schlurmann
Foto: alpha ventus Pressebild
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