TY - THES A1 - Schön, Franz-Theo T1 - Transport and waves in parametrically excited fluid layers T1 - Transport und Wellen in parametrisch angeregten Fluidschichten N2 - The transport and waves in parametrically excited fluid layers play a significant role in an understanding of non-linear surface wave phenomena and tidal resonances. In this thesis, we study resonant waves occurring in a circular channel with various obstacles under external oscillatory excitation. Typically, such sloshing experiments are conducted in rectangular, straight channels. The external excitation is implemented using a rotating table on which the entire experiment, including measurement equipment, is mounted. The excitation is either sinusoidal or ratched motion. The obstacles include a fully blocking barrier and a symmetric or asymmetric hill. The channel circumference is 4.76 m, with water depths ranging from 2 cm to 6 cm. Wave displacements within the channel are measured using 17 ultrasonic sensors equidistantly distributed along half of the channel. Particle Image Velocimetry (PIV) is employed to measure the flow. We also consider a simplified numerical model capable of reproducing the experimental results. This model is based on a long-wave approximation and vertical integration using a profile function (Kármán-Pohlhausen approach). Additionally, we use a wave attractor model to quantitatively explain the development of resonances. These resonances are distributed in bands of the excitation frequency around the linear eigenfrequency. The experimental wave attractor and numerical results are consistent with each other. The waves observed within these resonant frequency bands appear as undular bores or solitary waves. In the fully blocking case, bands of constructive and destructive interference are observed, while in the presence of hills, all eigenfrequencies exhibit resonances of varying intensity. These non-linear wave phenomena are characterized by strong transport properties, which can be studied here due to the fact that the circular channel is not fully blocked. The ratched excitation generated asymmetric wave fields, which also induced asymmetric transport in the channel, leading to the emergence of a mean flow in the channel. A similar mean channel flow is observed for the asymmetric hill; however, wave-induced transport played a lesser role in this case. This is attributed to a large separation vortex on the steep side of the hill, which created a valve effect that rectified part of the oscillatory flow. These results are of interest not only for engineering applications but also for the understanding of tidal flows over seabed topography. N2 - Der Transport und die Wellen in parametrisch angeregten Flüssigkeitsschichten spielt eine große Rolle im Verständnis von nichtlinearen Oberflächenwellenphänomenen und Gezeitenresonanzen. In dieser Arbeit werden resonante Wellen untersucht, die in einem kreisförmigen Kanal mit verschiedenen Hindernissen auftreten, wenn dieser einer externen oszillatorischen Anregung ausgesetzt wird. Normalerweise werden solche Schwapp-Experimente in rechteckigen, geraden Kanälen durchgeführt. Die externe Anregung wird durch einen Rotationstisch realisiert, auf dem sich das gesamte Experiment inklusive Messtechnik befindet. Die Anregung erfolgt entweder sinusoidal oder sägezahnförmig. Die Hindernisse sind eine völlig verschließende Barriere sowie ein symmetrischer oder asymmetrischer Berg. Der mittlere Kanalumfang hat eine Gesamtlänge von 4,76 m, während Wasserhöhen von 2 cm bis 6 cm untersucht werden. Als Messmethode für die Auslenkung der im Kanal befindlichen Wellen werden 17 Ultraschallsensoren verwendet, welche äquidistant über die Hälfte des Kanals verteilt sind. Zur Messung der Strömung wird Particle Image Velocimetry verwendet. Wir betrachten in dieser Arbeit ebenfalls ein vereinfachtes numerisches Modell, das in der Lage ist, die experimentellen Ergebnisse zu reproduzieren. Dieses Modell basiert auf einer Langwellennäherung und der vertikalen Integration über eine Profilfunktion (Kármán-Pohlhausen-Ansatz). Ein Wellenattraktor-Modell beschreibt die Entwicklung von Resonanzen qualitativ, die in Bändern der Anregungsfrequenz um die lineare Eigenfrequenz herum angeordnet sind. Die experimentellen Wellenattraktor- und numerischen Ergebnisse sind konsistent miteinander. Die Wellen, die innerhalb dieser resonanten Frequenzbänder beobachtet werden, treten als gewellter Schwall (undular bore) oder Einzelwelle (solitary wave) auf. Im vollständig blockierenden Fall werden Bänder konstruktiver und destruktiver Interferenz beobachtet, während im Fall der Berge alle Eigenfrequenzen Resonanzen unterschiedlicher Stärke aufweisen. Diese nichtlinearen Wellenphänomene zeichnen sich durch starke Transporteigenschaften aus, die wir hier aufgrund der Kreisförmigkeit des nicht komplett verschlossenen Kanals studieren können. Die sägezahnförmige Anregung erzeugt asymmetrische Wellenfelder, die ebenfalls einen asymmetrischen Transport im Kanal bewirkt, der zum Erscheinen einer Kanalmittelströmung führt. Eine ähnliche Kanalmittelströmung wird für den asymmetrischen Berg beobachtet, allerdings spielt der Transport durch Wellen hier eine untergeordnete Rolle. Dies liegt daran, dass eine große Ablöseblase an der steilen Bergseite einen Ventileffekt erzeugte, die einen Teil der oszillierenden Strömung gleichrichtete. Diese Ergebnisse sind nicht nur für ingenieurtechnische Anwendungen von Interesse, sondern auch für das Verständnis von Gezeitenströmen über Bodenformen. KW - Asymmetries KW - Asymmetrien KW - Bores KW - Sloshing KW - Transport KW - Waves KW - Bore KW - Schwappen KW - Transport KW - Wellen KW - Transport KW - Welle KW - Oberflächenwelle KW - Schwappende Flüssigkeit KW - Particle-Image-Velocimetry KW - Numerisches Modell Y1 - 2025 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-69959 ER -