Roman Gabl

Anregungen zur Qualitätssicherung in der 3-D-numerischen Modellierung mit FLOW-3D@@@Contribution to Quality Standards for 3D-Numerical Simulations with FLOW-3D@@@Предложения по обеспечению качества в трехмерном численном моделировании с использованием FLOW-3D

FLOW-3D ist eine leistungsfahige 3-D-numerische Stromungssimulationssoftware fur Freispiegelabflusse. Das strukturierte und entlang der Koordinatenachsen ausgerichtete Berechnungsnetz stellt eine Besonderheit der Software dar. Dadurch ergeben sich zusatzliche Freiheiten, wie die Implementierung von bewegten Objekten oder die vereinfachte Variationsuntersuchung von Einbauten. Im Hinblick auf die Qualitatssicherung muss die Adaptierung der Geometrie an das Berechnungsnetz im Detail kontrolliert werden. Dies und weitere Modellierungsaspekte werden in diesem Beitrag behandelt

Numerical Simulations in Hydraulic Engineering

The main focus of the chapter is to present various case studies, showing the link between Computational Fluid Dynamics (CFD) and traditional scale model tests in the laboratory. The goal is to illustrate the possibilities and limitations when coupling these two different methods in the context of hydraulic engineering applications. The topics range from hydraulic investigations where numerical simulations are a vital tool for model validation (optimisation and quantification of local head losses, the capacity of a spillway and as a third example impulse waves caused by an avalanche), to modelling of debris flow and log jam processes, including bed load transport issues. The use of such hybrid approaches can contribute to cost-saving and realisation of more complex investigations in shorter time.

Design criteria for a type of asymmetric orifice in a surge tank using CFD

ABSTRACT An asymmetric orifice can be added to a surge tank of a hydro power plant to dampen the mass oscillation. This allows a reduction of the required volume and a more stable behavior of the overall hydraulic system. In this paper, the advantage of a typical asymmetric orifice is shown in comparison with a sharp-edged geometry with two different pipe diameters. The software ANSYS-CFX is used to investigate the influence of the individual geometry parameters (radius, length, angle at the forefront) on the local head loss coefficients and the ratio of the two flow directions. Furthermore, a coefficient is analyzed based on an equation from the literature for the sharp-edged structure, which can be used comparably for the asymmetric orifice. This allows us to reach preliminary assumptions of the losses at an early state of the design process. The following adaptation can be supported by the presented guidance for the optimization process, so that a suitable geometry for the specific boundary conditions can be found.

Alternativer hydraulischer Schutz des Triebwasserwegs — Konzept, Modellversuch und numerische 3-D-Simulation@@@Alternative hydraulic protection of penstocks — Concept, scale model test and numerical 3D simulation

Für den hydraulischen Schutz des Triebwasserweges einer (Hochdruck-) Wasserkraftanlage kann neben einem Schnellschlussorgan auch ein fester Einbau (Wand im Triebwasserweg) herangezogen werden. Im vorliegenden Beitrag wird dieses alternative Konzept basierend auf einem Forschungsprojekt an der Universität Innsbruck vorgestellt. Dabei wird anhand eines Modellversuchs das stationäre und instationäre Verhalten dieses Einbaues untersucht und die Funktionsfähigkeit geprüft. Zudem dienen die Ergebnisse dazu, dass die numerischen Berechnungen validiert werden können.

Validierung experimenteller und 3-D-numerischer Untersuchungen zur Einwirkung hydrodynamischer Fließprozesse auf Objekte@@@Validation of physical and 3D numerical modelling of hydrodynamic flow impacts on objects

Der vorliegende Beitrag befasst sich mit der kombinierten Anwendung eines physikalischen und eines 3-D-numerischen Modells zur Messung und Berechnung von Belastungen aus hydro dynamischen Fließprozessen auf vertikale Platten, welche der vereinfachten Abbildung von Gebäudestrukturen dienen. Unter Verwendung der Software FLOW-3D werden die Messungen aus umfangreichen Experimenten mit verschiedenen Fließzuständen und Plattenstrukturen numerisch nachgebildet. Damit wird die Übertragbarkeit der Versuchsergebnisse auf die Natur unter Verwendung des Froudeschen Modellgesetzes numerisch nachgewiesen.

Bruch der Druckrohrleitung als ein Extremlastfall bei Hochdruckwasserkraftanlagen@@@Failure of a penstock as an example of an extreme load-case as part of dimensioning of hydro power plants

Der Beitrag liefert Überlegungen zum Katastrophenlastfall des Versagens einer oberirdisch verlegten Druckrohrleitung einer Wasserkraftanlage. Dabei werden Ursachen, Ablauf und Maßnahmen zur Verminderung des Schadens angesprochen. Für die Abschätzung des Bruches werden Modellierungskonzepte mit der 1-D-numerischen Software WANDA verglichen, was durch das mögliche Auf treten von Kavitation im System erschwert wird. Durch den Beitrag sollen Impulse für zukünftige Untersuchungen an realen Anlagen und der Forschung geben werden.

Gemessen und geglaubt

Für sehr viele wasserbauliche Fragestellungen ist der Laborversuch der etablierte Standard und die Numerik muss diesem Vergleich standhalten. Ärgerlich ist aber, wenn nicht objektive Bewertungsgrundlagen herangezogen werden. Immer mal wieder werden flächige Farbplots, welche aus ein paar Handvoll Messungen interpoliert wurden, bewundert und im Gegenzug dazu Auswertungen, welche auf tausenden von Datenpunkten basieren, als bunte Bilder abgetan. Ist eine numerische Modellannahme nicht sofort einsichtig, wird sie einfach als Spielerei am Computer abgetan und die haptischen Vorteile des Modellversuches werden herausgestrichen. Die Wahl des Turbulenzmodelles, Rundungsfehler, aber auch numerische Randbedingungen werden kritisch hinterfragt, aber bei den Messungen werden mangelnde Genauigkeit und mögliche Fehler wohlwollend ignoriert oder einfach hingenommen. Einer Messung wird grundsätzlich eher vertraut als der Berechnung. Stimmen dann die Ergebnisse bei einem Validierungsversuch sehr gut überein, wird immer mal wieder mit einem Augenzwinkern gefragt, wie lange man da wohl an der Numerik drehen musste. Natürlich gibt es auch das andere Extrem. Dabei wird die Numerik hochgelobt, welche scheinbar auf einem einfachen Rezept basiert: Man nehme die Geometrie, vermische diese mit einem Netz und streue noch ein paar Randbedingungen darüber. Dies wird dann der Software übergeben und schon nach einer kurzen Wartezeit hat man die fertigen Ergebnisse. Einen Nachweis der Netzunabhängigkeit, Kontrolle der Sensitivität der gewählten Modelle und der Randbedingungen brauche es nicht. Es wird von manchen der Eindruck vermittelt, dass man jegliche wasserbauliche Fragestellung schneller und günstiger numerisch simulieren kann und der Modellversuch wird zum reinen Anschauungsmodell für Besuchergruppen degradiert. Meiner Ansicht nach sind beide Herangehensweisen nicht zielführend. Sowohl Numerik als auch der Laborversuch sind Modelle, die versuchen die Wirklichkeit bestmöglich nachzubilden. Eine gesunde Dosis an Skepsis gehört bei beiden dazu, denn jeder Ansatz bringt Vorteile, aber auch Vereinfachungen mit sich. Diese gehören offensiv kommuniziert, untersucht und sollten im Vorfeld gegeneinander abgewogen werden. Die Möglichkeit, dass sich Fehler einschleichen, ist bei beiden Methoden gegeben: sei es, dass ein zu kleiner Zulaufbehälter stark schwankt, eine Randbedingung zu früh abgeschnitten wurde, ein Messgerät nicht bzw. falsch kalibriert ist, Eingaben fehlerhaft sind oder beim Messgerät Bedienungsfehler gemacht werden. Die Liste könnte noch lange fortgeführt werden und als wirksames Gegenmittel zur Verhinderung solcher Fehler hilft nur eine gute Vorplanung der Untersuchung in Kombination mit einer entsprechenden Verifikation. Beides benötigt Zeit sowie Erfahrung und besonders ersteres ist häufig ein rares Gut, da die Verifikation eines Modells keine neuen projektrelevanten Ergebnisse liefert. Eine umfangreiche Qualitätssicherung ist aber nicht verzichtbar, beginnt schon bei der Überprüfung der zu Grunde liegenden Eingangswerte und sollte die gesamte Untersuchung begleiten. Das aktuelle Heft beschäftigt sich mit den Unterschieden, Gemeinsamkeiten, Vorund Nachteilen sowie mit den Chancen der Kombination von numerischen Berechnungen mit Laborversuchen. Die präsentierten Beispiele zeigen den Nutzen und den Wert beider Modellansätze und sollen dazu anregen, besonders von dem Mehrwert von hybriden Modellen zu profitieren. Dr. Roman Gabl Fakultät für Naturwissenschaften und Technik, Universität Bozen

Modellversuch und Numerik — Gegner oder Partner?@@@Numerics and scale model tests — opponents or partners?

Der Beitrag vergleicht numerische Methoden und Modellversuch für wasserbauliche Fragestellungen. Dabei werden die jeweiligen Vorund Nachteile gegenübergestellt sowie grundlegende Überlegungen zu Kostenund Zeitaufwand angestellt. Anhand des Beispiels der Bestimmung des Verlustbeiwertes eines Einbaus in eine Rohrleitung werden die Vorteile einer kombinierten Anwendung beider Methoden veranschaulicht. Eine solche hybride Modellierung bringt deutliche Vorteile mit sich und wird deshalb vermehrt eingesetzt.