Projekt 12071/01

Einfluss der Geometrie von Sockelwällen auf die Wirksamkeit von Windschutzpflanzungen

Projektträger

Universität Fridericiana Karlsruhe (TH)Institut für HydromechanikLaboratorium für Gebäude- und Umweltaerodynamikund Forschungsgruppe Strömungsmeßtechnik
Kaiserstr. 12
76128 Karlsruhe
Telefon: 0721/608-3897

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Windschutzpflanzungen werden in Form von Gehölzschutzstreifen zunehmend von Landes-, Städte- und Straßenplanern vorgesehen, um z.B. Produktionsstätten, bei deren Betrieb Schwebstoffe erzeugt und aufgewirbelt werden, windzuberuhigen und damit angrenzende Wohngebiete vor einer zu großen Immissionsbelastung zu schützen. Das Wissen über die Wirksamkeit von Gehölzschutzstreifen beschränkt sich im wesentlichen auf Streifen, die flach auf dem Boden gepflanzt wurden. Die für einen wirksamen Windschutz benötigte Bewuchshöhe reicht vielfach nicht aus, weswegen die Streifen häufig auf Sockelwälle gepflanzt werden. Der Einfluss der Sockelwälle auf die strömungsphysikalische Wirksamkeit von Windschutzstreifen wurde jedoch noch nie systematisch untersucht, was nun im vorliegenden Projekt durchgeführt werden soll.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm Rahmen von experimentellen Modelluntersuchungen in einem atmosphärischen Grenzschichtwindkanal sollen systematische Versuchsreihen gefahren werden, bei denen die relevanten strömungsphysikalischen Einflussparameter dünner Windschutzstreifen variiert werden. In Abhängigkeit von den Geometrieparametern der Sockelwälle sowie von der Höhe und der Porosität des Schutzstreifens werden hochpräzise Strömungsgeschwindigkeitsmessungen im umgebenden Strömungsfeld durchgeführt. Zum Einsatz kommt ein laseroptisches Strömungsgeschwindigkeitsmesssystem (2-d-Laser-Doppler-Anemometer), das nicht nur Strömungsgeschwindigkeiten, sondern auch turbulente Schubspannungen und damit Austauschgrößen zu messen erlaubt.

Durch die Analyse des Windfeldes um unterschiedlich ausgeprägte wallbehaftete Windschutzstreifen können der jeweils untersuchten Konfiguration Schutzfaktoren zugeordnet werden, die eine Klassifizierung der Wirksamkeit des Streifens in Bezug auf die Windberuhigung zulassen. Auf diese Weise werden sich optimale Anordnungen herausbilden, die für den in der Praxis tätigen Städte- und Straßenbauingenieur wichtige Entscheidungshilfen darstellen.


Ergebnisse und Diskussion

Durch systematische Variation von Einflussparametern wie Wallgeometrie, Böschungswinkel, Wallhöhe, Bewuchshöhe und Streifenporosität konnten hinsichtlich des Windschutzes wichtige Beziehungen und optimale Konfigurationen gefunden werden, was für die Praxis eine wertvolle Information darstellt. So zeigte sich beispielsweise bei der Variation von Wall- zu Bewuchshöhe, dass größte Schutzvolumina dann zu erwarten sind, wenn die Bewuchshöhe ca. 2/3 der Gesamthöhe des wallbehafteten Windschutzstreifens beträgt. Im Vergleich zu einem gleich hohen Streifen ohne Wall (so er von der Bewuchshöhe her realisierbar wäre) schnitte diese Konfiguration sogar besser ab. Die Ergebnisse belegen ferner, daß im Gegensatz zum direkten bodennahen (landwirtschaftlich interessanten) Windschutzverhalten eines walllosen Streifens, wo eine mittlere Porosität den besten bodennahen Windschutz bewirkt, hinsichtlich ganzer Schutzvolumina, d.h. hinsichtlich des räumlichen Windschutzes, die Schutzwirkung eindeutig mit abnehmender Porosität eines wallbehafteten Streifens zunimmt. Da aber nicht nur die Größe des Schutzvolumens, sondern auch die Bodennähe der Windreduktion berücksichtigt werden muß, liefern auch hier häufig mittlere Porositäten den besten Windschutz. Aus Variationsexperimenten, bei denen der Böschungswinkel des Walls verändert wurde, zeigte sich, dass im wesentlichen der steilere Winkel zu einem größeren Schutzvolumen im Lee führt. Extrem schlechte Windschutzwerte im Lee ergaben sich für den unbepflanzten Wall.

Der in der Praxis tätige Ingenieur kann nun dieses Wissen, das noch durch weitere Publikationen ver-breitet werden soll, nutzen.

Die Arbeiten sollen in einer 2. Förderungsphase fortgeführt und zum Abschluss gebracht werden. Gegenstand der 2. Förderungsphase soll nicht mehr die Schutzwirkung eines einzelnen wallbehafteten Windschutzstreifens sein, sondern die Wechselwirkung zweier (luv- und leeseitig) angeordneter Streifen. Die Ausbildung dieser beiden Streifen (Wallgeometrie, Streifenporosität usw.), die Rückwirkung des lee-seitigen Streifens (Aufstau- und Verdrängungswirkung) auf den Windschutz in der dazwischen liegenden Industriefläche und die Verhinderung von kontraproduktiven Wirbelsystemen über dieser Fläche wird der Hauptuntersuchungsgegenstand der 2. Förderperiode darstellen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Donat, J., Ruck, B., 2000: Influence of Mound Geometry on the Efficiency of Shelterbelts,
eingereicht und angenommen, 4th International Colloquium on Bluff Body Aerodynamics & Applications, September 11-14, Ruhr-Universität Bochum
Donat, J., Elsäßer, B., Ruck, B., 2000: Einfluss der Geometrie von Sockelwällen auf die Wirksamkeit von Windschutzpflanzungen, eingereicht und angenommen, METTOOLS, April 2000, Stuttgart
Donat, J., Ruck, B., 2000: Aerodynamic Studies on the Efficiency of Mound-Mounted Shelterbelts, eingereicht zur Veröffentlichung an Atmosperic Environment
Donat, J., Elsäßer, B., Ruck, B.: 1999: Flow Around a Mound Mounted Porous Shelterbelt, Proc. of Euromech Colloquium 391, Prag, 13.-15.9.1999


Fazit

Die Untersuchungen konnten hinsichtlich aller gesteckten Ziele erfolgreich durchgeführt werden. Es ist damit gelungen, die umweltaerodynamische Bemessung von wallbehafteten Windschutzstreifen auf eine solide Basis zu stellen. Phänomenologische Abläufe konnten diskretisiert und hieraus funktionale Zusammenhänge abgeleitet werden, die nicht nur den bodennahen Windschutz sondern nun auch dreidimensionale Schutzvolumina zu berechnen erlauben. Damit kann nun erstmals der Windschutz über einer industriellen Betätigungsfläche genau geplant, ausgelegt oder prognostiziert werden, was eine nicht unerhebliche umweltschutzrelevante Bedeutung haben dürfte.