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Bibliographic Metadata

Title
Optimization and evaluation approaches in computational snow avalanche dynamics : connecting simulation results with field and laboratory data / Jan-Thomas Fischer
AuthorFischer, Jan-Thomas
CensorMiller, Stephen A.
Thesis advisorFellin, Wolfgang
Published2014
DescriptionVIII, 126 S. : Ill., graph. Darst., Kt.
Institutional NoteInnsbruck, Univ., Diss., 2014
Date of SubmissionApril 2014
LanguageEnglish
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (DE)Lawine / Schnee / Lawinendynamik / Lawinensimulation / Schneenetze / GranulareExperimente / Schutzmaßnahmen / Auslauflänge
Keywords (EN)Snow / Computational / avalanche / dynamics / Simulation / software / velocity / net / Protection / measure / Granular / experiment / Runout / Snow - Computational - avalanche - dynamics - Simulation - software - velocity - net - Protection - measure - Granular - experiment - Runout
Keywords (GND)Lawine / Berechnung / Simulation
URNurn:nbn:at:at-ubi:1-1356 Persistent Identifier (URN)
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Optimization and evaluation approaches in computational snow avalanche dynamics [2.48 mb]
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Abstract (German)

Schneelawinen werden gravitativen, geophysikalischen Fließprozessen zugeordnet. Erkenntnisse aus dem Forschungsbereich der Lawinendynamik dienen der Verbesserung von Werkzeugen, welche zur Abschätzung des Zerstörungspotentials von Lawinen genutzt werden. Forschungsansätze in der Lawinendynamik sind unter anderem die theoretische, rechnergestütze Prozesssimulation, sowie die experimentelle, auf Messungen beruhende Herangehensweise. In der vorliegenden Arbeit werden Entwicklungen zur Verbindung dieser Ansätze präsentiert.

Im ersten Kapitel (Fischer, 2013) wird eine neue Methode zur Analyse und Interpretation von Lawinensimulationsergebnissen vorgestellt. Eine große Anzahl von Ergebnissen einer Lawimensimulationssoftware, basierend auf einem deterministischen Fließmodell, wird anhand von neu definierten Meßgrößen, welche Lawinenreichweite und Zerstörungskraft entlang des Pfades beschreiben, quantitativ ausgewertet. Die Auswertung von rechnergestützen Lawinensimulationen ist auch zentrales Thema im zweiten Kapitel (Fischer et al., 2013). Es wird eine neue Methodik zum Vergleich von Simulation und Messung präsentiert. Der Vergleich wird anhand von Lawinengeschwindigkeiten, welche in unterschiedlichen europäischen Lawinentestgebieten mit Hilfe eines Doppler Radars gemessen wurden, durchgeführt. Diese Methode erlaubt unter anderem eine Parameteroptimierung des verwendeten Lawinensimulationsmodells. Die Ergebnisse zeigen, dass trotz intensiver Analyse eine Diskrepanz zwischen Messung und Simulation bestehen bleibt, welche weiterer Erklärung bedarf. Im dritten Kapitel (Teich et al., 2013) wird eine weitere Lawinensimulationssoftware im Hinblick auf die Interaktion zwischen Wald und Lawinen untersucht. Es wird der Zusammenhang von Simulationsparametern mit der untersuchten Waldstruktur dargestellt. Die entsprechenden Parameter werden mit der in den vorangegangenen Kapiteln präsentierten Methode im Hinblick auf Lawinenreichweiten optimiert. Ausgehend von Lawinensimulationen und Feldmessungen, werden im vierten Kapitel (Gleirscher and Fischer, 2013) Laborexperimente zur Untersuchung der Interaktion zwischen Auffangnetzen und granularem Fließmaterial genauer betrachtet. Zur Beschreibung der Effektivität des Auffangnetzes wird die Reduktion der Lawinenfrontgeschwindigkeit als Funktion von Aufprallgeschwindigkeit, Netzwinkel und Netzmaschenweite identifiziert.

Abstract (English)

Snow avalanches are geophysical mass flows on complex topographies driven by the gravitational force. Knowledge of the dynamics of avalanches is important to enhance tools that provide estimates of the avalanches hazard potential. There are two main approaches to obtain information on the dynamics of avalanches: computational and experimental. In the following computational avalanche dynamics mainly refer to simulation software based on deterministic flow models, operating in three dimensional terrain. Experimental avalanche dynamics include observations and measurements on field or laboratory scale.

This thesis summarizes developments that connect computational and experimental snow avalanche dynamics; primarily utilizing a novel method for the analysis and interpretation of computational simulation results, described in chapter 1 (Fischer, 2013), exhausts the initial conditions and parameters by analyzing large numbers of simulation runs. We are able to quantitatively extract and compare the main simulation features. In chapter 2 (Fischer et al., 2013) we focus on the evaluation of computational snow avalanche simulation results with avalanche velocities obtained by Doppler radar measurements. We provide estimates on the optimal parameter distributions with respect to the underlying flow model. However, while exploring the entirety of parameter space, we find currently implemented flow models lack correspondence with experimental data necessitating a deeper understanding on the physics of snow avalanches. We investigate a different simulation environment with an extended flow model in chapter 3 (Teich et al., 2013), specifically taking into account the effects of forests on snow avalanches. The model input, correlated to certain forest characteristics, is optimized with respect to observed avalanche run outs, analogous to the method presented in the previous chapters. Departing from numerical simulations, chapter 4 (Gleirscher and Fischer, 2013) describes scaled laboratory experiments of granular flow interactions with a permeable net barrier. As measure of barrier effectiveness we find the decrease of front velocities to be a function of initial flow velocity, barrier inclination angle and barrier mesh size.

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