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Ethohydraulische Modellierung

Bensing, Katharina (2023)
Ethohydraulische Modellierung.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00024347
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/24347

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die Ethohydraulik hat als vergleichsweise junge Transdisziplin zum Ziel, einen reproduzierbaren, kausalen Zusammenhang zwischen dem Verhalten aquatischer Lebewesen (Ethologie) und der Strömungscharakteristik (Hydraulik) zu finden. Diese Grundlagen werden dazu eingesetzt, die anthropogen beeinflussten und querverbauten Gewässer für die Fischfauna wieder durchgängig zu gestalten und deren Biodiversität zu erhalten. Unter ethohydraulischer Modellierung wird in dieser Arbeit die Verknüpfung genannter Disziplinen in sowohl physikalischen als auch hydrodynamisch-numerischen Modellen verstanden, bei denen auch vielfältige Methoden angrenzender Fachgebiete mit einfließen. Die Modelle selbst decken verschiedene Skalen von neuroethologischen Untersuchungen über kleinräumige schwimmkinematische Betrachtungen der Körperbewegung bis hin zu langen Wanderrouten entlang unserer Binnengewässer ab.

Um Fische gezielt zu leiten, ist ein Verständnis ihrer Sinneswelt ebenso wichtig wie ein Verständnis für den verhaltensauslösenden Strömungsreiz. Daher wird in dieser Arbeit zunächst ein tiefgehender Einblick in die Biologie von Fischen mit ihren sensorischen Systemen, in ihr vielfältiges Verhalten sowie in mögliche Beobachtungsmethoden zur Verhaltensanalyse gegeben. Anschließend wird detailliert auf die kinematischen und dynamischen Grundlagen der Strömung sowie deren messtechnische und numerische Analyse eingegangen. Diese umfangreiche Zusammenstellung ethohydraulischer Grundlagen bildet ein Kernstück der Arbeit. Damit sollen neue Denkanstöße gegeben und Analysemöglichkeiten dargelegt werden.

Außerdem werden die ethohydraulischen Untersuchungen an einem Schrägrechensetup (55° und 30° zur Anströmung) im wasserbaulichen Forschungslabor der TU Darmstadt dargelegt. Dort wurden zum einen die hydromechanischen Signaturen mithilfe einer neuartigen fischförmigen Druckmesssonde (FSS; Fischsinnessonde) und einem Acoustic Doppler Velocimeter (ADV) aufgezeichnet. Zum anderen wurde das Verhalten potamodromer Fischarten beobachtet.

Basierend auf den durchgeführten Tests werden zunächst die Messungen mit der FSS auf unterschiedlichste Weise ausgewertet. Dabei wird deutlich herausgearbeitet, dass der Fischkörper als eine Art Geschwindigkeits-Druck-Wandler wirkt. Nicht nur der frontal auftreffende Geschwindigkeitsanteil ist in Form des Staudrucks detektierbar, sondern auch der auf die Flanken auftreffende, senkrecht zur Oberfläche wirkende Geschwindigkeitsanteil korreliert mit dem dort vorhandenen Druck sowie dessen bilateralem Gradienten. Dies gilt sowohl für die konvektiv transportieren Wirbelstrukturen als auch für den mittleren, lokal wirkenden Druckwert. Neben neuen, auf den FSS-Messungen basierenden Hypothesen bezüglich der hydrodynamischen Bildgebung des betrachteten Setups mit dem Seitenlinienorgan, dem Strömungssinn der Fische, werden außerdem Empfehlungen für die weitere Optimierung der Sonde gegeben.

Weiterhin werden in bisherigen fischökologischen Untersuchungen analysierte und für die Ethohydraulik relevante Verhaltensweisen zusammengestellt. Diese sollen einen ersten Ansatz zur Vereinheitlichung der Terminologie darstellen. Zudem wird auf die mögliche Quantifizierung und Operationalisierung des Fischverhaltens und abschließend auf einige, für ethohydraulische Untersuchungen relevante, hydrodynamische Parameter eingegangen sowie deren Relevanz diskutiert.

Die Erkenntnisse aus diesen Analysen werden in abschließenden Empfehlungen zur gezielten Weiterentwicklung von Methoden zur ethohydraulischen Modellierung zusammengefasst, wobei Strömungs- und Verhaltensgradienten eine bedeutende Rolle einnehmen.

Typ des Eintrags:

Dissertation

Erschienen:

2023

Autor(en):

Bensing, Katharina

Art des Eintrags:

Erstveröffentlichung

Titel:

Ethohydraulische Modellierung

Sprache:

Deutsch

Referenten:

Lehmann, Prof. Dr. Boris ; Eichhorn, Prof. Dr. Andreas

Publikationsjahr:

28 September 2023

Ort:

Darmstadt

Kollation:

xiv, 387 Seiten

Datum der mündlichen Prüfung:

13 Juli 2023

DOI:

10.26083/tuprints-00024347

URL / URN:

https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/24347

Kurzbeschreibung (Abstract):

Alternatives oder übersetztes Abstract:

Alternatives Abstract

Sprache

As a rather young transdiscipline, ethohydraulics aims to establish a reproducible and causal correlation between behaviour of aquatic animals (ethology) and fluid mechanics (hydraulics). These fundamentals are subsequently being applied to preserve the biodiversity and to restore connectivity of the river system, which is highly fragmented and affected by man-made structures. In this work, ethohydraulic modelling is understood as a combination of above-named disciplines within the frame of physical as well as hydrodynamic-numerical models, wherein versatile methods of adjacent research fields are applied. In this scope, ethohydraulic models are also considered at different scales: from neuroethological studies and small scale studies of swimming kinematics up to large scale investigations of fish migration along the rivers.

For a goal-oriented guidance of fish, we need to understand not only their sensory world but also the behaviour-triggering flow stimuli. Therefore, this work gives a broad insight into the biology of fishes, including their sensory systems, their versatile behaviour and potential observation methods for behavioural analysis. Subsequently, kinematic and hydrodynamic fundamentals of fluid flow as well as flow measurement techniques and basics of computational fluid dynamics (CFD) are explained in detail. This comprehensive summary of ethohydraulic fundamentals represents one key element of the present work – intending to provide new thought-provoking impulses and to present new possibilities for future analyses.

Furthermore, ethohydraulic studies are presented, which have been conducted at an angled rack setup (55° and 30° to the bulk flow) at the hydraulic laboratory at the Technical University of Darmstadt. Hydrodynamic signatures were recorded using a novel fish shaped probe (FSS; fish sensory sonde) for measuring the pressure simultaneously in three different points and an acoustic Doppler velocimeter (ADV). Additional behavioural analyses were carried out to analyse the behaviour of potamodromous fish species.

Based on these tests, the FSS measurements were evaluated in various ways. As a result, the fish body acts as a kind of velocity-pressure-converter. Velocity is converted into stagnation pressure not just at the most upstream point, but also at the flanks, where the surface normal velocity component correlates with the pressure as well as with the bilateral pressure gradient. This applies for the convective vortex structures and likewise for the local mean value. Besides new FSS-based hypotheses regarding a possible hydrodynamic imaging of the considered rack-setup using their lateral line, the fish’s sense of flow, recommendations for the optimisation of the probe are summed up.

Furthermore, different fish behaviours are extracted from several ecological studies and merged in a collection for future ethohydraulic studies, aiming to make a first step towards a standardised terminology. After discussing potential ways to quantify and operationalise fish behaviour, finally, some essential hydrodynamic parameters for ethohydraulic studies are named and their relevance is discussed in a sensory context.

The findings of the above mentioned analyses are summarised in final recommendations for a systematical development of methods for ethohydraulic modelling, wherein flow gradients just like behavioural gradients play a significant role.

Englisch

Status:

Verlagsversion

URN:

urn:nbn:de:tuda-tuprints-243475

Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC):

500 Naturwissenschaften und Mathematik > 590 Tiere (Zoologie)
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 624 Ingenieurbau und Umwelttechnik

Fachbereich(e)/-gebiet(e):

13 Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften
13 Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften > Institut Wasserbau und Wasserwirtschaft
13 Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften > Institut Wasserbau und Wasserwirtschaft > Fachgebiet Wasserbau und Hydraulik

Hinterlegungsdatum:

28 Sep 2023 12:06

Letzte Änderung:

16 Okt 2023 07:14

PPN:

Referenten:

Lehmann, Prof. Dr. Boris ; Eichhorn, Prof. Dr. Andreas

Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung:

13 Juli 2023

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