Forschungskolloquium: Numerische Strömungsanalyse und Optimierung von Laufwasserkraftanlagen mit Hilfe von Flachwassergleichungen
Im Rahmen des Forschungskolloquiums für Abschlussarbeitende, Doktoranden und Habilitanden laden wir Sie herzlich ein am Donnerstag, den 20.02.2025, um 10:00 Uhr in Raum 3516 (Mönchebergstr. 7). Wir freuen uns, den Vortrag von Herrn Dr.-Ing. Lars Ostermann mit dem Titel
"Numerische Strömungsanalyse und Optimierung von Laufwasserkraftanlagen mit Hilfe von Flachwassergleichungen"
ankündigen zu können.
Zusammenfassung, Autoren Dr. Lars Ostermann und Christian Seidel
Für den wasserbaulichen Entwurf von Wasserkraftanlagen und ihre strömungsmechanische Optimierung werden neben dem rein auf Erfahrungswerten basierenden Entwurf vor allem experimentelle Untersuchungen am physikalischen Teilmodell oder Vollmodell im Wasserbaulabor eingesetzt. Strömungsmechanische Untersuchungen mit Hilfe numerischer Strömungsprogramme auf der Basis von 2D- und 3D-Verfahren kommen teilweise auch zum Einsatz. Bei den 2D-Verfahren eignen sich besonders Flachwassergleichungsbasierte Verfahren, da für diese Verfahren auf Grund ihrer weitverbreiteten Anwendung bei der Untersuchung strömungsmechanischer Fragestellungen im Wasserbau eine Vielzahl von Erfahrungswerten vorliegt, die häufig durch Insitu-Messungen verifiziert sind. Speziell für die Untersuchung von Hochwasserereignissen und bei der Untersuchung von Sedimenttransport werden die Flachwassergleichungsbasierten Verfahren erfolgreich eingesetzt.
Im Rahmen der Errichtung einer Forschungswasserkraftanlage für die an der TU Braunschweig entwickelte Schlüsseltechnologie der Hochleistungswasserräder wurde für die numerische Simulation der Wasserkraftanlage ein Strömungsmodell auf der Basis von Flachwassergleichungen mit Berücksichtigung von Sohl- und Wandreibung mit der Manning-Zahl entwickelt, mit dem sowohl die Kraftwerksströmung als auch der Einfluss der Wasserkraftanlage und ihres Betriebes auf den lokalen Flussabschnitt untersucht werden kann. Für die Diskretisierung der tiefengemittelten Flachwassergleichungen kommt ein Finite-Volumen-Verfahren zum Einsatz, wobei der Flussvektor mit dem HLL-MUSCL-Ansatz berechnet wird und die Zeitintegration mit einem expliziten Verfahren erfolgt. Die Diskretisierung des Berechnungsgebietes als unstrukturiertes Dreiecksnetz ist mit einem iterativen, optimierten Netzgenerator für beliebige Gebietsgeometrien mit lokaler Netzverfeinerung umgesetzt.
In den Arbeiten [1,2] ist grundsätzlich gezeigt, dass mit Flachwassergleichungsbasierten Verfahren auch strömungsmechanische Optimierungen von Wasserkraftanlagen möglich sind. Hierbei erfolgt schwerpunktmäßig in [2] die numerische Untersuchung und Optimierung für den Kraftwerkstrennpfeiler, da dieser die Ausbildung der Kraftwerksströmung bei einer Wasserkraftanlage maßgeblich bestimmt und damit einen entscheidenden Einfluss auf die Funktionsfähigkeit und den Wirkungsgrad der Anlage besitzt.
Ebenfalls von großer Bedeutung für die gleichmäßige Kraftwerksan- und –abströmung ist die Ausführung der Ober- und Unterwasserbucht. Darüber hinaus bestimmt die Form der Kraftwerksbucht in Kombination mit dem Trennpfeiler maßgblich die für die Rechenanlage entscheidende Einströmung aus dem Fließgewässer und die für die Ufer- und Sohlstabilität maßgebliche Ausströmung des Kraftwerkdurchflusses in das Fließgewässer.
Bei der strömungsmechanischen Untersuchung der geplanten Forschungskraftanlage wurde daher in [3] mit Hilfe des entwickelten 2D-Strömungsmodells neben dem Kraftwerkstrennpfeiler auch der Formeinfluss der Ober- und Unterwasserbucht untersucht, um deren Einfluss auf das hydraulische Verhalten der Wasserkraftanlage zu bewerten und die Buchtform zu optimieren. Hierbei erfolgt eine Herausarbeitung der wesentlichen Optimierungskritierien und der Vorgehensweise für eine Kraftwerksoptimierung mit Hilfe von Flachwassergleichungsbasierten Verfahren. Die durch den Formeinfluss der Kraftwerksbucht verursachten Strömungsphänomene werden ebenfalls aufgezeigt. Desweiteren wurde in [4] die im Kraftwerkstrennpfeiler integrierte Abstiegsanlage untersucht und optimiert, da diese einen entscheidenden Einfluss auf die ökologische Durchgängigkeit und auf die Abführung von Treibgut und Sediment besitzt. Eine strömungsmechanisch optimale Form der Abstiegsanlage und ihre richtige Einbindung im Ober- und Unterwasser sind dabei für die Funktionsfähigkeit ebenso wichtig wie die optimale Lage des Horizontalrechens, der mit der Abstiegsanlage eine Einheit bildet. Der Einfluss der Turbulenz bei der Kraftwerksoptimierung ist in [5] herausgearbeitet.
[1] Lars Ostermann, Christian Seidel: Die Flachwassergleichung und ihre Anwendung auf die Untersuchung von Wasserkraftwerken. Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics (PAMM), 13:279-280, 2013.
[2] Lars Ostermann, Christian Seidel: 2D und 3D numerische Strömungsanalyse von Kraftwerkstrennpfeilern. Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics (PAMM), 14: 625-626, 2014.
[3] Lars Ostermann, Christian Seidel: Numerische Strömungsanalyse und Optimierung von Kraftwerksbuchten bei Laufwasserkraftanlagen. Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics (PAMM), 16: 573-574, 2016.
[4] Lars Ostermann, Christian Seidel: Untersuchung von Abstiegsanlagen von Horizontalrechen mit Hilfe von Flachwassergleichungen. Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics (PAMM), 17: 535-536, 2017.
[5] Anas Alfarra, Christian Seidel, Lars Ostermann,: Numerische Strömungsanalyse von Kraftwerkstrennpfeilern unter Verwendung von RANS-Turbulenzmodellen. Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics (PAMM), 17: 495-496, 2017.