Stand der großskaligen Untersuchung mit Navier-Stokes-Solvern

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Margarethe Fried
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1 zurück zum Inhaltsverzeichnis zur Kurzfassung Stand der großskaligen Untersuchung mit Navier-Stokes-Solvern Jann Strybny GEORG-SIMON-OHM FACHHOCHSCHULE NÜRNBERG University of Applied Sciences

2 Einleitung

3 Auftragslage Hochwasserabfuhr durch Schleusen (n-1)-fall an Wehren Hochwasserneutralität

4 Forderungen Hydrodynamik der Um- und Durchströmung der Bauwerke hochauflösend abbilden Auswirkungen auf das Flussgebiet mit Genauigkeit weit über wasserbautechnische Notwendigkeiten hinaus

5 Skalen klein groß Modellskalen Genauigkeit hoch niedrig

6 Skalen klein groß Modellskalen Genauigkeit hoch hoch

7 Skalen Konsequenz:... alles müsste in extrem großen Gebieten dreidimensional und sehr hochauflösend über Ort und Zeit untersucht werden...

8 Aufwand ausufernder Berechnungsaufwand ausufernder Bereitstellungsaufwand

9 Berechnungsaufwand 2DH 3D 1 Impulserhaltungsgleichung mehr: 1.33 Vertikaldiskretisierung mind. 10 Ebenen: mindestens, da eine 3D-Modellierung in der Regel mit einer Zunahme der untersuchten Prozesse einher geht: Implementierung von Transportgleichungen etc.

10 Berechnungsaufwand Eine Verfeinerung im gesamten Gebiet z.b. Verdoppelung der Elemente bedeutet: n x 2 n y 2 n z 2 Halbierung des Zeitschritts doppelte Anzahl Zeitschritte bis zum Ende des Modellierungszeitraums n t 2 16-facher Berechnungsaufwand

11 Bereitstellungsaufwand

12 Bereitstellungsaufwand

13 Bereitstellungsaufwand vollständige und in sich konsistente Eingangsdaten bestehend aus Bestandsplänen der Bauwerke topographischen Daten des Flusses hydrometrischen Daten aus der WSV

14 Modellbildung Aufwand für Auftragnehmer und Auftraggeber nicht ausufern lassen Vermeidung des sogenannten Vollmodells Modellbildung

15 Modellbildung vier Beispiele zum Thema 3D-Modellbildung: Elde-Müritz Hochwasserabfuhr Neckar (n-1)-fall Weser (n-1)-fall Mosel Hochwasserneutralität

16 Ort: Elde-Müritz-Wassserstraße Schleuse Neustadt-Glewe Fragestellung: Hochwasserteilabfuhr durch die Schleuse

17 Elde-Müritz

18 Elde-Müritz

19 Elde-Müritz

20 Elde-Müritz Q = 5,25 m³/s

21 Elde-Müritz Q = 5,25 m³/s Ist dafür überhaupt eine numerische 3D-Modellrechnung notwendig?

22 Elde-Müritz Q = 5,25 m³/s Nein! Handrechnung Gerinnehydraulik

23 Turbulenz

24 Ort: Neckar alle Staustufen im Bereich des WSA Stuttgart Fragestellung: (n-1)-fall

25 Neckar

26 Neckar Nr.: Variante Fall A Untertürkheim a n S l S r Wf 1 Wf 2 Wf 3 Wf 4 B Untertürkheim b (n-1) S l S r Wf 1 Wf 2 Wf 3 Wf 4 C Aldingen a n KW Wf 1 Wf 2 S l S r D Aldingen b (n-1) KW Wf 1 Wf 2 S l S r E Marbach a n S l S r Wf 1 Wf 2 Wf 3 KW F Marbach b (n-1) S l S r Wf 1 Wf 2 Wf 3 KW

27 Neckar

28 Neckar

29 Neckar

30 Neckar Ikone Wasserstands- und Abflussrandbedingungen

31 Neckar

32 Neckar

33 Neckar

34 Neckar

35 Neckar

36 Neckar

37 Neckar

38 Neckar

39 Neckar Ikone

40 Neckar 214,0 213,0 m ü NN 212,0 211,0 210,0 n Fall n-1 Fall 209,0 208,0 171,5 172,5 173,5 174,5 175,5 176,5 177,5 178,5 Neckar - km Aldingen HQ 100 = 1210 m³/s

41 Neckar Aufstau direkt oberes Ende am Wehr der Stauhaltung Untertürkheim 0,9 m Aldingen 1,2 m Marbach 1,1 m 0,30 m 0,25 m 0,10 m

42 Ort: Weser Staustufe Langwedel Fragestellung: (n-1)-fall

43 Weser Extrem große Vorländer Umläufigkeiten

44 Weser extrem große Überflutungsflächen: keine ausreichenden Wasserspiegelfixierungen im Hochwasserfall vorhanden Kalibrierung der Reibungsansätze erfordert viele Berechungen Modellgebiet > 25 Millionen Knoten zu groß für die hohe Zahl der Varianten

45 Weser 3D-Teilmodell

46 Weser blockiertes Wehr

47 Weser 1 n-fall (n-1)-fall 13.2 Verlusthöhe am Wehr [m] Oberwasserstand [m+nn] Abfluss über das W ehr [m^3/s] konzentrierter Verlust des Wehres in Abhängigkeit von Q

48 Weser Verknüpfung 3D mit 1D-Betrachtungen: untere Wasserstand fix Zufluss fix Umläufigkeiten über die Vorländer reduzieren Abfluss übers Wehr Aufteilung der Abflüsse Wehr/Vorland die dann zu gleichem oberen Wasserstand führt

49 Ergebnis: Weser 0.25 Unterschied (n-1)-fall zu (n-0)-fall [m] Q=2800 m^3/s Q=3000 m^3/s Q=3200 m^3/s k_st [m^(1/3)/s]

50 Ort: Mosel Neubau der 2. Schleuse Trier Fragestellung: Hochwasserneutralität

51 Trier

52 Trier Modellierung eines Kanals Wasserstandsrandbedingungen am Ein- und Ausströmrand Welches Q resultiert bei den verschiedenen Varianten?

54 Trier 350,00 Durchfluss [m³/s] 300,00 250,00 200,00 150,00 alt zu alt zu + neu auf alt zu + neu zu 100,00 0,00 200,00 400,00 600,00 800, , , ,00 Modell-km

55 Trier

56 500 m² Zusammenfassung m² m² m²

57 Ausblick Können wir dieser Entwicklung durch die Erweiterung der Rechnerressourcen standhalten? Kann die WSV dieser Entwicklung hinsichtlich der Lieferung von Eingangsdaten folgen?

58 Ausblick Lösungen sind mit FuE-Aufwand verbunden: Bidirektionale Kopplung von 1D- und 2D-Flussgebietsmodellen mit 3D-Bauwerksmodellen

59 zurück zum Inhaltsverzeichnis zur Kurzfassung Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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