CFD-Simulation rettet die Floßlände für das Surfen in München

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Surfen in der Stadt? In München ist das nicht nur seit Anfang der 1970er Jahre möglich, sondern die bayerische Landeshauptstadt ist auch noch bekannt dafür und gilt heute als „the Capital of Riversurfing“. Neben dem Eisbach ist auch die Floßlände in München-Thalkirchen bei Einheimischen und Touristen beliebt: Die Welle ist wunderschön gelegen mit Wiese und unter großen Bäumen am Campingplatz.
Während die Surfer untereinander im Gespräch sind, verweilen viele Passanten, jung und alt, Spaziergänger und Radfahrer, um dem Treiben eine Zeit lang zu folgen. Jeder Besucher des Campingplatzes kommt mindestens einmal vorbei, um zuzuschauen oder sich selbst ein Brett auszuleihen, um es zu versuchen.
Bevorzugt sind dies Australier und Ende September Italiener, die zu Besuch zur „Wiesn“ sind. Somit kann man von einem wertvollen Kristallisationspunkt sprechen für die Kommunikation in der Gesellschaft und zwischen Kulturen. Die Besucher kommen, um München kennenzulernen. Am Floßlände erhalten sie einen entspannten Einblick in die Münchener Wertewelt.

Surfer an der Floßlände bei traumhaften Bedingungen.

 

Die perfekte Welle

Die Rahmenbedingungen an der Floßlände sind in Grunde optimal: Wenn die Welle steht, ist sie nahezu perfekt mit ausreichend Kraft für Surfer mit einem Körpergewicht zwischen 30 und 100 Kilo. Zudem ist sie sicher, da die Strömung wenige Meter nach der Welle in das Becken der Floßlände mündet und dadurch praktisch auf Null reduziert wird.
Hier ist im Gegensatz zu den meisten anderen Spots weltweit der Surfer nach kurzer Zeit keinen Wirbeln oder starker Strömung ausgesetzt, was das Restrisiko für alle Beteiligten deutlich reduziert. Auch für potenzielle Helfer ist es im Fall eines Falles deutlich einfacher, Hilfe zu leisten. Die Welle ist wahrscheinlich die ungefährlichste der Welt, sowohl für die Surfer als auch für Begleiter, Lehrer und Helfer.

Die Welle bröckelt

Diese Surf-Idylle inmitten in der Stadt erhielt jedoch in den letzten Jahren tiefe Risse. Zwischen 2005 und 2010 ist die Welle durch eingeschränkte Wassermengen und Umbaumaßnahmen stromaufwärts und -abwärts gestört worden, so dass heute kaum noch richtig gesurft werden kann. Mittlerweile ist die Welle nur noch eine „Weißwasserwalze“, die starke Turbulenzen aufweist und kaum Auftrieb hat, so dass Surfen gar nicht mehr möglich ist. Nicht zuletzt deshalb wurde im letzten Winter der Verein „Interessen Gemeinschaft Surfen in München e.V.“ (IGSM) gegründet.
Eines der Kernziele der Vereinsarbeit ist es, die Welle an der Floßlände wieder surfbar zu machen. In Gesprächen mit der Stadt München will der Verein nun eine Lösung finden. Dabei sind jedoch viele Interessen zu berücksichtigen. Die Stadtwerke wollen Strom produzieren, Schwimmern und Badegästen macht zu starke Strömung Angst und auch die Flößer, die Kanuten und natürlich die Surfer haben ihre Ziele.

Mit CFD zum Konsens

Mit Unterstützung von Computational ­Fluid Dynamics (CFD) und in enger Zusammenarbeit mit der Stadt München wurden die Zusammenhänge analysiert und Vorschläge erarbeitet, um eine sichere Lösung für möglichst alle Interessenten zu gestalten. „Damit die Örtlichkeit ihre alte Magie wieder dauerhaft entfalten kann, als Ort der Harmonie, der Freude und Freundschaft über kulturelle und gesellschaftliche Grenzen hinweg“, betont Prof. Dr.-Ing. Robert Meier-Staude von der Hochschule München. „Das Ziel der Arbeiten ist letztlich, mit Hilfe von CFD durch geeignete bauliche Maßnahmen eine gut surfbare Welle bei minimalem Wassereinsatz und maximaler Stabilität zu gestalten.“

Die Simulationssoftware Ansys CFD spielt bei der Erzeugung einer neuen stehenden Welle eine zentrale Rolle – zumal folgende Fixpunkte zu berücksichtigen sind: Die Welle …

  • … soll mit festen Einbauten gestaltet werden.
  • … darf Schwimmer, Badende, Schlauchbootfahrer usw. nicht gefährden.
  • … darf die Flößer nicht behindern.
  • … sollte auch für Kajakfahrer interessant sein.
  • … sollte mit einer minimalen Wassermenge Q stabil grün sein: Q kleiner 9 Kubikmeter pro Sekunde.
  • … sollte auch für Surfer mit hohem Gewicht (bis 100 Kilo) gut surfbar sein.

Mit CFD lässt sich eine eingebrachte Geometrie (hier ein Keil) so auslegen, dass eine „perfekte Welle“ entsteht.

 

Simulation-Driven Wellen-Design

Nach der Voruntersuchung zum richtigen Setup sowie zur Gitterunabhängigkeit der Lösung wurden die für die Wellenerzeugung wesentlichen Parameter systematisch variiert: Diese sind Wassermenge, Unterwasserhöhe, Stufenhöhe und die Steilheit der Rampe. Wie nach der Theorie zu erwarten, reagiert die Welle sehr sensibel auf Parameterschwankungen. Ohne entsprechende Einbauten ist es schwierig, eine stabile wie ortsstabile druckstarke Welle zu erzeugen.
Mit einem relativ einfachen Keil lässt sich diese hingegen umsetzen. Der Einbau wurde erfolgreich nach der Idee des „virtuellen Prototypen“ beziehungsweise des „Simulation Driven Product Design“ entwickelt. In der Praxis zeigte der Einbau in den Ländenkanal Anfang Juli, dass die Welle perfekt surfbar und die Übereinstimmung zwischen CFD-Modell und Experiment sehr zufriedenstellend ist.
Wichtig ist aber vor allem, dass auch die Flößer mit dem Einbau gut zurechtkommen und auch Schwimmer völlig problemlos darüber hinweggleiten.
Die mit Hilfe des virtuellen Prototyps gefundene Lösung kommt mit 75 Prozent der ursprünglich benötigten Wassermenge aus, so dass keine Gefährdung im Kanal für Schwimmer entsteht und ausreichend Wasser für die grüne Stromerzeugung in München bleibt. Seit Anfang August ist der Einbau als Dauerversuch installiert und liefert nicht immer optimale, aber stabile Bedingungen für alle Nutzer. Der magische Ort lebt wieder.
Fazit: „Mit Hilfe von CFD und FEM konnte eine Geometrie gefunden werden, die die Zielsetzung vollständig erfüllt. Die so als „virtueller Prototyp“ gestaltete und ausgelegte Welle wurde installiert und getestet“, fasst Prof. Dr.-Ing. Robert Meier-Staude zusammen. „Die Übereinstimmung der CFD-Resultate mit der tatsächlich erzeugten Welle sowie im Blick auf die anderen Rahmenbedingungen zur Stabilität der Welle ist hervorragend.“ (jbi)

  • Mit CFD lässt sich eine eingebrachte Geometrie (hier ein Keil) so auslegen, dass eine „perfekte Welle“ entsteht.
  • Der vertikale dynamische Druck der Welle: Nur der richtige „Y-Impuls“ sorgt für minimale Wassermenge und maximalen Unterwasserstand. Mit 3000 pa ist diese Welle auch für schwere Surfer geeignet.
  • Die Form der Welle für unterschiedliche Unterwasserstände bei identischer Wassermenge und Einbaugeometrie. Die optimale Welle ergibt sich für den mittleren Unterwasserstand von 90 Zentimetern (zweitniedrigster Pegel).
  • 3D-Ansicht der surfbaren Welle mit dahinterliegender Weißwasserwalze.
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