Stand der großskaligen Untersuchung mit Navier-Stokes-Solvern

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

Einleitung

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

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

Skalen klein groß Modellskalen Genauigkeit hoch niedrig

Skalen klein groß Modellskalen Genauigkeit hoch hoch

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

Aufwand ausufernder Berechnungsaufwand ausufernder Bereitstellungsaufwand

Berechnungsaufwand 2DH 3D 1 Impulserhaltungsgleichung mehr: 1.33 Vertikaldiskretisierung mind. 10 Ebenen: 10 13.3 mindestens, da eine 3D-Modellierung in der Regel mit einer Zunahme der untersuchten Prozesse einher geht: Implementierung von Transportgleichungen etc.

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

Bereitstellungsaufwand

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

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

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

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

Elde-Müritz

Elde-Müritz Q = 5,25 m³/s

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

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

Turbulenz

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

Neckar

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

Neckar

Neckar Ikone Wasserstands- und Abflussrandbedingungen

Neckar

Neckar Ikone

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

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

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

Weser Extrem große Vorländer Umläufigkeiten

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

Weser 3D-Teilmodell

Weser blockiertes Wehr

Weser 1 n-fall (n-1)-fall 13.2 Verlusthöhe am Wehr [m] 0.8 0.6 0.4 0.2 13 12.8 12.6 12.4 Oberwasserstand [m+nn] 0 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 Abfluss über das W ehr [m^3/s] konzentrierter Verlust des Wehres in Abhängigkeit von Q

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

Ergebnis: Weser 0.25 Unterschied (n-1)-fall zu (n-0)-fall [m] 0.2 0.15 0.1 Q=2800 m^3/s Q=3000 m^3/s Q=3200 m^3/s 0.05 15 20 25 30 35 40 k_st [m^(1/3)/s]

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

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

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 1000,00 1200,00 1400,00 Modell-km

500 m² Zusammenfassung 3 31 200 m² 90 000 m² 180 000 m²

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

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

zurück zum Inhaltsverzeichnis zur Kurzfassung Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit