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Forschungsbereiche

Hier erfahren Sie mehr über die Forschungsbereiche, die Sie an unserem Lehrstuhl finden können. Diese bauen auf dem Fachwissen auf, das das Team in den letzten mehr als 10 Jahren gesammelt hat.

Forschungsschwerpunkte

  1. Urbane Hochwasservorhersage und Frühwarnsysteme
  2. Risiko-Resilienz und Kaskadeneffekte in kritischen Infrastrukturen
  3. Numerische Modellierung
  4. Entwurf von Wasserbauwerken 
  5. Statistische und numerische Analysen
  6. Hydraulische Modellversuche

 

Urbane Hochwasservorhersage und Frühwarnsysteme

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ANN - 2D FORECAST

Wir haben ein Werkzeug zur Durchführung von 2D-Mehrschrittprognosen entwickelt, die durch einen Prognoseschwellenwert ausgelöst werden. Ein ANN mit einer hohen räumlichen Auflösung (4 m × 4 m) wird unter Anwendung von Resilient Backpropagation entwickelt, um Mehrfachprognosen für ein Gebiet von 12 km2 zu ermöglichen. Vorhersagen mit einer Vorlaufzeit von bis zu 5 Stunden werden in wenigen Sekunden erstellt.

Lesen Sie mehr: https://www.mdpi.com/2073-4441/12/12/3568

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FLOODEVAC TOOL

Ein großer Fortschritt war die Möglichkeit, Hochwasservorhersagen unter Berücksichtigung einer Kette von Unsicherheiten zu erstellen, vom Niederschlag über den Abfluss bis hin zu den 2D-Überschwemmungskarten: Das FloodEvac-Tool ist in Matlab kodiert, um die Übertragbarkeit zu erleichtern. Das Tool wurde am Oberen Main mit einer Gesamtfläche von 4000 km² getestet und validiert.

Lesen Sie mehr: https://www.mdpi.com/2076-3263/8/9/346

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UNCERTAINTY

Die Hochwasservorhersage von Flussabflüssen ist eine komplexe Aufgabe mit mehreren Quellen der Unsicherheit. Um die Unsicherheit in den Prognosen zu reduzieren, konzentrieren wir uns ausschließlich auf die Vorhersage des oberen und unteren Bereichs der Unsicherheitsbänder. Hierin entwickeln wir drei Vorhersagemethoden, in denen wir nach den Indizes der oberen und unteren Vorhersagemitglieder eines Ensembles (als Best-Pairs bezeichnet) suchen, die die höchste Vorhersagefähigkeit bieten. Die neuartigen Ansätze sind im Flood Evac Tool implementiert.

Lesen Sie mehr: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0022169419305992

 

Risiko-Resilienz und Kaskadeneffekte in kritischen Infrastrukturen

 

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SCALABLE FLOOD-RESILIENCE-INDEX

Der Klimawandel wirkt sich weltweit auf die Häufigkeit und Intensität von Niederschlagsextremereignissen aus. Trotz des wachsenden globalen Bewusstseins hat sich die Entwicklung hochwasserresistenter Städte als große Herausforderung erwiesen. Hier untersuchen und entwickeln wir einen ereignisbasierten skalierbaren Flood Resilience Index (FRI) zur Bewertung der Anpassung an den Klimawandel. Die Hochwasserwiderstandsfähigkeit wird durch drei Dimensionen dargestellt: physisch, sozial und wirtschaftlich. Der FRI kann erfolgreich Haushalte und Bezirke identifizieren, die: a) am meisten von Starkregen betroffen sind, b) am meisten von der Klimaanpassung profitieren und c) am widerstandsfähigsten sind.

Lesen Sie mehr: https://www.mdpi.com/2073-4441/11/4/830

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ELECTRICAL NETWORK FLOOD RESILIENCE MODEL

Von den vielen definierenden Merkmalen für eine hochwasserresistente Stadt und ihre Infrastrukturnetze sind die Abschwächung der Überschwemmungsauswirkungen und die schnelle Wiederherstellung des Zustands vor der Überschwemmung als besonders wichtig anzusehen. Hier wurde ein Flood Resilience Model für elektrische Netze entwickelt, um den Zeitpunkt und den Ort des Ausfalls von Netzkomponenten aufgrund von Überschwemmungen und die Anzahl der betroffenen Personen ohne Strom zu bewerten.

Lesen Sie mehr: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/feart.2021.572925/full

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TRANSPORT NETWORK FLOOD RESILIENCE MODEL

Ein hochwasserresistentes Verkehrsnetz ist definiert durch seine Fähigkeit, den Auswirkungen eines Hochwasserereignisses zu widerstehen, die Mobilität während des Ereignisses aufrechtzuerhalten und die Funktionalität schnell und effektiv wiederherzustellen. In diesem Artikel entwickeln wir eine Methodik zur Quantifizierung der Hochwasserresilienz eines Verkehrsnetzes und wenden sie auf das Untersuchungsgebiet Accra, Ghana, an.

Lesen Sie mehr: to be submitted.

 

Numerische Modellierung

 

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2D P-DWAVE

Überlandströmung in städtischen Gebieten ist ein typisches Beispiel für die Strömung in offenen Gerinnen. Diese können mit einer vereinfachten Form der Flachwassergleichungen (SWE) effizient simuliert werden. Hier haben wir ein vollständig massenkonservatives Finite-Volumen-Schema entwickelt, indem wir eine Zwangsvariable psi, direkt in die Flüsse einführen. Anstelle der Lösung der vollständigen SWE wird hier ein paralleles diffusives Wellenmodell (P-DWave) mit vorteilhafter Stabilität und Rechenffizienz implementiert.

Lesen Sie mehr: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0022169414003849
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2D P-DWAVE
1D SWMM

Bei der Betrachtung von Stadtentwässerungssystemen muss der mögliche Übergang zwischen Druck- und Freispiegelströmung berücksichtigt werden. Die Storm Water Management Models (SWMM) implementieren den Preissmann-Schlitz. Dabei handelt es sich um einen Schlitz auf dem Rohr, der einen nahtlosen Übergang zwischen den beiden Bereichen ermöglicht, während die Gleichungen für den Durchfluss im offenen Gerinne beibehalten werden. Um die nahtlose Kommunikation zwischen dem SWMM und P-DWave zu erleichtern, wurden dynamische Link-Bibliotheken entwickelt, um ein effizientes Dual-Drainage (DD) Modell zu erstellen.

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URBAN HYDR

In städtischen Gebieten haben wir erkannt, dass es nicht ausreicht, nur das Dual-Drainage-System zu betrachten. Daher haben wir das DD-Modell um urbane Schlüsselfunktionen erweitert: I) und ein physikalisch basiertes Infiltrationsmodell, als Funktion von offenen Straßenkarten, und II) ein konzeptionelles Niederschlags-Abfluss-Modell für Gebäude. In ersterem berücksichtigen wir die Hypothese, dass die Böden durch das Befahren mit Menschen und Maschinen ihre Kapazität erhöhen und somit die Feldkapazität künstlich reduziert wird. Letzteres kann leicht an verschiedene Gebäudetypen und Dachanschlüsse an das Entwässerungssystem angepasst werden. Ein echtes urbanes Hochwassermodell.

Lesen Sie mehr: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0022169416000780
3dmodell.png

3D MODELL

In einem städtischen Entwässerungssystem sind das Oberflächensystem und das unterirdische System durch mehrere Verbindungselemente wie Gullys und Schächte miteinander verbunden. Hier wird das Programm interFoam mit VOF-Fähigkeit unter der Open-Source-CFD-Toolbox OpenFOAM® verwendet, um die Auswirkungen auf den Druckverlustkoeffizienten von Inline-Schächten und die Gullyströmung aufgrund von Änderungen der Schachtauflast zu untersuchen.

Lesen Sie mehr: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1570644316303914

 

Entwurf von Wasserbauwerken

 

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HYDRAULIC JUMP

Ein Wechselsprung ist ein plötzlicher Übergang von überkritischer zu unterkritischer Strömung. Er ist mit Energieverlusten verbunden. Es handelt sich um eine hochturbulente Strömung mit hohen Reynolds-Zahlen. Der Einzug von Luft erfolgt in der Rezirkulationszone. Bis zu dieser Veröffentlichung wurde die Luftkonzentration punktuell mit einer Sonde gemessen. Die bahnbrechende Idee hierin war, durch die Entwicklung von eingriffsfreien Strömungsvisualisierungstechniken eine sofortige Messung der räumlichen Luftkonzentration zu ermöglichen: Das Bildverarbeitungsverfahren (IPP).

Lesen Sie mehr: https://link.springer.com/article/10.1007/s00348-011-1257-1
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STEPPED SPILLWAY

estufte Hochwasserentlastungen haben eine höhere Energiedissipation als glattere hydraulische Strukturen, die zur Ableitung von Hochwasserabflüssen verwendet werden. Für große Abflussmengen und für gerade gestufte Überläufe kann das Regime der Glatten Strömung als zweidimensional angenommen werden; dies ist ein attraktives Merkmal für die Anwendung von nicht-intrusiven Strömungsvisualisierungstechniken (IPP und BIV).

Lesen Sie mehr: https://link.springer.com/article/10.1007/s00348-014-1732-6
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ALTERNATING SKIMMING

Die Untersuchung von gestuften Überläufen im Labormaßstab hat sich im wesentlichen auf zwei getrennte Subregime innerhalb der glatten Strömung konzentriert. In dieser Arbeit untersuchen wir das Auftreten einer unklassifizierten alternierenden glatten Strömung in einem 0,5 m breiten Stufenüberlauf, die nicht in diese früheren Definitionen passt und die in einem 0,3 m breiten Überlauf nicht auftritt. In diesem Artikel verwenden wir numerische 3D-Modellierungstechniken, um die Entstehung dieser unklassifizierten Strömung zu erklären, die in der physikalischen Stufenentlastungsanlage visualisiert wird.

Lesen Sie mehr: https://link.springer.com/content/pdf/10.1007/s10652-016-9484-x.pdf
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AIR ENTRAINMENT

Die genaue Vorhersage der selbstbelüfteten Strömung ist nicht immer einfach zu erreichen, insbesondere wenn die Rechenleistung im Vordergrund steht. Die Zwei-Fluid-Formulierung ist geeignet, um die dispergierte Luft in einer kontinuierlichen Wasserphase (z. B. blasige Strömungen) in einem feinen Netz zu simulieren, während die Grenzflächenverfolgungsmethoden für scharfe Grenzflächen mit zwei kontinuierlichen und zusammenhängenden Phasen (z. B. Freiflächenströmungen) verwendet werden. Es gibt mehrere Ansätze, beide Methoden zu kombinieren; alle fanden jedoch eine Lücke im Übergang zwischen aufgelösten und unaufgelösten Skalen der Luft an der Grenzfläche. Die Einbeziehung eines Quellterms, der den Selbstbelüftungsprozess vorhersagt, wird als ein vielversprechender Schritt zur Überwindung dieser Schwierigkeit angesehen. Hierfür haben wir der Flüssigkeitsvolumen-Formulierung eine zusätzliche Advektions-Diffusions-Gleichung hinzugefügt, die mit einer Luftquelle an der freien Oberfläche verbunden ist, um die dispergierte Blasenphase zu simulieren. Die freie Oberfläche, die durch das Air-Entrainment-Modell gegeben ist, stimmt sowohl in der unbelüfteten als auch in der belüfteten Zone des Überlaufs gut überein.

Lesen Sie mehr: https://www.degruyter.com/document/doi/10.1515/ijnsns-2017-0015/html

 

Statistische und numerische Analysen

 

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 STATISTICAL AND NUMERICAL ANALYSES

In times of high available computing and storage capacities, the importance of computational statistical analysis in any engineering field is growing. This development is reinforced by the increasing digitization of current and historical data sets, so that we align heterogeneous data sets within the framework of our data warehouse in order to generate new data sets (data mining). We apply a wide range of analysis methods on data sets ranging from a few KB up to single-digit terabytes (Big Data). This includes but is not limited to extreme-event statistics, geo- and multivariate statistical analyses, as well as different statistical procedures such as Gaussian process regressions, trend calculations, various interpolation methods, principal component analyses, harmonic analyses, and wavelet transformations.

 

Hydraulische Modellversuche

 
Der Bau und Betrieb von physikalischen Modellversuchen ist nach wie vor eine geeignete Methode zur Optimierung von hydraulischen Strukturen, die (aufgrund ihrer Komplexität und internen Wechselwirkungen) nicht oder nur mit unwirtschaftlich hohem Aufwand direkt berechnet werden können. Als Beispiele aus einer Vielzahl von Projekten wurden Modelle für die Umgestaltung der Sieg in der Siegener Innenstadt (Maßstab 1:30) und für eine neue Brücke in der Osnabrücker Innenstadt (Maßstab 1:16) durchgeführt. Diese Modelle werden häufig benötigt, um Randbedingungen für detaillierte 2D- oder 3D-Berechnungen zu definieren ("Hybridmodelle"). Bei sicherheitsrelevanten Bauteilen z.B. bei Talsperren verlangt die Genehmigungsbehörde oft einen hydraulischen Modellversuch im "großen Maßstab". So wurde für die Talsperre Malter (in Sachsen) ein Vollmodell mit allen hydraulischen Hauptkomponenten für den Ausbau der Hochwasserentlastung im Maßstab 1:25 erfolgreich erstellt (Beispiele siehe Bilder unten).

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A-B-Vergleich ("vorher/nachher") zur Ermittlung der Wasserstands- und Fließgeschwindigkeitsänderungen im Flussabschnitt der Sieg in der Innenstadt von Siegen (Maßstab 1:30). Variante A (linkes Bild): Parkplatzkonstruktion mit 38 Betonstützpfeilern im Fluss. Flussbett mit glattem Sohlenpflaster. Variante B (rechtes Bild): Umgestaltung mit einer naturrauen Sohle.

 

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Linkes Bild: die reale Hochwasserentlastung der Talsperre Malter bei ca. 185 m³ / s
Rechtes Bild: ähnliche Abflussverhältnisse im Modellmaßstab 1:30

 

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Linkes Bild: Abfluss von ca. 185 m³/s im Entlastungskanal (Blick gegen die Fließrichtung)
Rechtes Bild: ähnliche Situation im Modellmaßstab 1:30