ExTraWaG

ExTraWaG – Generierung extremer transienter Wellen im experimentellen Modell (Extreme transient wave generation)

Die Übertragung von natürlichen Wellen- und Seegangsereignissen in klein- und großmaßstäbliche Modellversuche ist eine essentielle Voraussetzung für die Planung und Durchführung von Experimenten im Küsteningenieurwesen. Die für ein bestimmtes Versuchsszenario jeweils erzeugbare Kombination aus Wellenhöhe und Wellenperiode hängt jeweils von der Art und Weise der Wellengenerierung (Art und Hub des Wellenblattes), dem Wasserstand sowie der Form und damit der Nichtlinearität der zu erzeugenden Wellen ab. Das Ziel des Projektes ist es jeweils, im Wellenkanal an einem bestimmten Punkt, dem sog. Übergabepunkt, vor einem Bauwerk oder Uferschutzwerk die vorgegebenen Wellen zu erzeugen. Dabei muss berücksichtigt werden, dass die am Wellenpaddel erzeugte Welle ihre Form auf dem Weg bis zu diesem Übergabepunkt verändert. Mittels verschiedener Wellentheorien kann dann zurückberechnet werden, welche Wellen an der Wellenmaschine erzeugt werden müssten, um die gewünschten Wellen am Übergabepunkt zu erhalten.

Dieses übliche Verfahren ist leider auf einfache regelmäßige Wellen sowie einfachen Seegang beschränkt. Sobald extreme Wellenbedingungen im Modell erzeugt werden sollen, wie z.B. langperiodische Schiffswellen, Tsunami-Boren, hochgradig nichtlineare Freakwellen oder beliebige Wellenformen, die nicht üblichen Wellentheorien oder Seegangsspektren entsprechen, stößt diese herkömmliche, auf linearen Ansätzen basierende Form der Wellengenerierung schnell an ihre Grenzen. Die Ursache hierfür liegt in den nichtlinearen Wellen-Wellen-Interaktionen, die diese extremen Wellenerscheinungen dominieren, die jedoch in den herkömmlichen Wellentheorien nicht berücksichtigt werden können. Diese Methoden sind daher nicht in der Lage, die benötigten extremen Wellenformen am vorgegebenen Übergabepunkt zu generieren. Die nichtlineare Fourier-Transformation (NLFT) ist jedoch in der Lage diese nichtlinearen Interaktionen zwischen den Wellen ausdrücklich zu berücksichtigen und erlaubt daher die analytische Berechnung der Wellenausbreitung auch hochgradig nichtlinearer Wellen im Tief- und Flachwasser zwischen Wellenblatt und Übergabepunkt. Damit ist es nun möglich, an der Wellenmaschine solche Wellen zu erzeugen, die dann, nach entsprechender Transformation während ihrer Ausbreitung am Übergabepunkt die geforderten Wellen als transiente Wellen bilden. „Transient“ bedeutet hierbei, dass die gewünschte Welle nur am vorausgeberechneten Ort auftritt. Vor und nach diesem Punkt besitzt die freie Oberfläche aufgrund der Interaktionen eine andere Form.

Im Rahmen des Projektes wird die NLFT daher für die Generierung von Flachwasserwellen im Wellenkanal implementiert und anhand von Modellversuchen validiert und verifiziert. Somit ist auch die Generierung extremer, mit herkömmlichen Methoden nicht darstellbarer Wellenformen als transiente Wellen an einem bestimmten Punkt möglich und der Umfang der im Großen Wellenkanal (GWK) des Forschungszentrum Küste (FZK) darstellbaren Wellenparameter wird erheblich erweitert.