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Lawinen auf Samos

Samos ist nicht nur eine griechische Insel, es ist auch ein am Institut für Strömungslehre und Wärmeübertragung der TU Wien, in Zusammenarbeit mit der Forstlichen Bundesversuchsanstalt (Insitut für Lawinen- und Wildbachforschung) und dem Grazer Hochtechnologieunternehmen AVL-List, entwickeltes Computerprogramm zur Simulation von Lawinen. Mit solchen Simulationen können lebensrettende Lawinenverbauungen effektiv geplant werden.

Abb. 1: Schichtenschema einer Trockenschneelawine

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Abb. 1: Schichtenschema einer Trockenschneelawine

Abb. 1: Schichtenschema einer Trockenschneelawine

Abb. 2: Galtür 1999. Ablagerung der Fließlawine.

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Abb. 2: Galtür 1999. Ablagerung der Fließlawine.

Abb. 2: Galtür 1999. Ablagerung der Fließlawine.

Abb. 3: Galtür 1999. Spitzendrücke der Staublawine.

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Abb. 3: Galtür 1999. Spitzendrücke der Staublawine.

Abb. 3: Galtür 1999. Spitzendrücke der Staublawine.

Abb. 4: Ischgl 1984. Gekoppelte Simulation (Real-Clip, 444 kB, 5 sec).

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Abb. 4: Ischgl 1984. Gekoppelte Simulation (Real-Clip, 444 kB, 5 sec).

Abb. 4: Ischgl 1984. Gekoppelte Simulation (Real-Clip, 444 kB, 5 sec).

Abb. 5: Profile einer mit Partikeln beladenen, turbulenten Grenzschicht.

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Abb. 5: Profile einer mit Partikeln beladenen, turbulenten Grenzschicht.

Abb. 5: Profile einer mit Partikeln beladenen, turbulenten Grenzschicht.

Thomas Zwinger

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Thomas Zwinger

Thomas Zwinger

Die fortschreitende Erschließung der Bergregionen durch den Tourismus, die Industrie (z.B. Kraftwerke) und auch als Siedlungsraum hat zur Folge, dass Menschenleben, Bauwerke und Verkehrswege in zunehmendem Maße einer zusätzlichen  Lawinengefahr ausgesetzt sind. Der Experte ist in Entscheidungsfällen meist auf seine subjektive Erfahrung angewiesen, was im Falle von seltenen Ereignissen (Wiederholungszeiten von mehreren hundert Jahren) vor allem bei nicht vorhandenen historischen Aufzeichnungen (Lawinenchroniken) zu Fehleinschätzungen führen kann. Berechnungsmethoden für Lawinen können hier mehr Objektivität einbringen und somit dem Experten in der Entscheidungsfindung helfen. Das gekoppelte Simulationsmodell SAMOS® (Snow Avalanche MOdeling and Simulation) soll diesem Anspruch nachkommen. SAMOS wurde am Institut für Strömungslehre und Wärmeübertragung der TU Wien in Zusammenarbeit mit dem Institut für Lawinen- und Wildbachforschung und dem Grazer Hochtechnologieunternehmen AVL-List entwickelt und vom Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft initiiert.

In der hier angewendeten physikalischen Modellierung der Lawinendynamik werden die wichtigsten physikalischen Mechanismen der Lawine direkt in einem mathematischen Modell erfaßt. Die Gleichungen sind dann nicht mehr von subjektiven Größen (wie z.B. für unterschiedliche Hangformen festzulegende Reibungsparameter) sondern nur mehr von prinzipiell objektiv meßbaren Eigenschaften der die Lawine bildenden Materialien abhängig. Dies ist eine Grundvoraussetzung für die Anwendung eines Modelles in der Prognose. Physikalische Modelle unterscheiden daher naturgemäß zwischen verschiedenen Fließzuständen des Gemisches Luft-Schnee (siehe Abb. 1):

  • Die Lawine startet immer als dichte Fließlawine (DFA - Dense Flow Avalanche). Diese ist durch einen hohen Anteil an Eispartikeln, der eine Modellierung als einphasige granulare Strömung (Savage-Hutter Modell) ermöglicht, charakterisiert. Die zwischengelagerte Luft spielt also in der Dynamik dieser Schicht keine nennenswerte Rolle.
  • Bei genügend hoher Relativgeschwindigkeit der Fließlawine zur umgebenden Luft können Eispartikel aufgrund aerodynamischer Kräfte von deren freier Oberfläche abgetragen werden. In diesem Fall bildet sich oberhalb der Fließlawine eine Suspension (Anm.01) von Eispartikeln in Luft aus. Diese wird als Staublawine (PSA - Powder Snow Avalanche) bezeichnet. Die Dynamik dieser Schicht ist im Wesentlichen durch die turbulente Strömung  einer als - im Vergleich zu reiner Luft - schweres Gas zu betrachtenden Luft-Teilchensuspension charakterisiert. Diese Schicht wird mit dem hinsichtlich Teilchensuspension erweiterten Simultationsprogramm für turbulente Strömungen FIRE® der Frima AVL-List berechnet.
  • Zwischen diesen beiden eindeutig unterscheidbaren Schichten findet innerhalb eines zu den übrigen Höhenausdehnungen schmalen Bereiches der Massenübergang, die sogenannte Resuspension(Anm.02), statt. Dieser als Resuspensionsschicht (RES) bezeichnete Bereich wird als partikelbeladene turbulente Grenzschicht (Anm.03) betrachtet. Der Gültigkeitsbereich der in der Simulation zur Beschreibung des Massenüberganges angewendeten Analogiebetrachtungen (Reynoldsanalogie) konnte durch asymptotische Theorien (Anm.04) für wandnahe Scherströmungen bei hohen Reynoldszahlen (Anm.05) bei zusätzlich schwacher Teilchenbeladung abgeschätzt werden (siehe Abb. 5).

Das granulare Fließlawinenmodell wird mittels des aus der Reynoldsanalogie erhaltenen Massenstrom und der logarithmischen Wandprofilen als Randbedingungen an das Staublawinenmodell gekoppelt. Das resultierende Simulationsprogramm ergab bei sämtlichen zur Verfügung stehenden Datensätzen von tatsächlich in Österreich abgegangenen Katastrophenlawinen hervorragende Übereinstimmung. Dies zeigen die Abb. 2 und 3 anhand der Lawine von Galtür 1999 und die Animation zu Abb. 4 für den Abgang in Ischgl 1984. Mittlerweile wird SAMOS® auch als Werkzeug zur Risikoanalyse innerhalb der Wildbach- und Lawinenverbauung (WLV) verwendet.

  • Anm.01, Suspension: Fluid (Flüssigkeit oder Gas) mit festen Bestandteilen. In unserem Fall Eispartikel.
  • Anm.02, Resuspension: (Wieder-)Aufnahme von Teilchen in die Fluidströmung. In unserem Falle passiert das durch aerodynamische Kräfte.
  • Anm.03, turbulente Grenzschicht: wandnahe turbulente Scherströmung bei großen Reynoldszahlen: Strömung, welche sich durch asymptotische Entwicklung der Navier-Stokes Gleichungen (das sind die Gleichungen, welche die Dynamik eines Fluides - d.h. Flüssigkeit oder Gas - beschreiben) für sehr große Reynoldszahlen beschreiben läßt.
  • Anm.04, asymptotische Methoden: Analytische (durch klassische mathematische Methoden) Untersuchung von Gleichungen (in diesem Fall von Differentialgleichungen) bei sehr kleinen oder großen Werten der darin vorkommenden Parameter (in unserem Fall der Reynoldszahl). Dadurch vereinfachen sich die Gleichungen in den meisten Fällen und werden leichter lösbar.
  • Anm.05, Reynoldszahl: Kennzahl, die das Verhältnis von Trägheits- zu Reibungskräften beschreibt. Ist sie groß, ist die Strömung trägheitsdominiert; ist sie klein, reibungsdominiert.