Bauwerksnahe Strömungen

Die Strömungen im Nahfeld von Wasserbauwerken, z.B. beim Füllen von Schleusenkammern oder im Tosbecken von Wehranlagen, sind hochgradig dreidimensional und von starker Turbulenz dominiert. Um diese Strömungsverhältnisse beurteilen zu können, werden dreidimensionale numerische Strömungssimulationsverfahren („Computational Fluid Dynamics“, CFD) eingesetzt. Durchgeführt werden diese Berechnungen z.B. für hydraulische Bauwerksdimensionierungen, Untersuchungen zu Vorhafenströmungen, Optimierungen der Füll- und Entleerungsprozesse von Schleusen, Untersuchungen zur Auffindbarkeit von Fischpässen oder für die Bewertung von Hochwasserabflüssen an Staustufen.

Die kleinskaligen Modellierungen im Nahfeld von Bauwerken unterscheiden sich dabei grundsätzlich von den Methoden zur Modellierung von Flussgebieten. Während die Längenausdehnung von Flussgebietsmodellen typischerweise bei vielen Kilometern liegt, beträgt die Längenausdehnung von Modellen zur Abbildung von Wasserbauwerken einige Meter bis maximal wenige Kilometer. Die verwendeten Modelle weisen dabei stark variierende Gittergrößen auf, mit Elementgrößen von einigen Metern an den Modellrändern bis zum Zentimeterbereich im Kerngebiet, um auch die Strömungsverhältnisse an Toren, Klappen oder in Füllstrahlen hinreichend genau abbilden zu können.

Bei der mesoskaligen Modellierung von Flussgebieten kann man sich häufig auf bevorzugte Raumrichtungen zur Modellierung konzentrieren. Falls in Flussgebieten dreidimensional modelliert wird, wird die Wasserspiegellage mit genau einem Funktionswert über dem Ort beschrieben und die freie Oberfläche als Modellrand definiert. Im Nahfeld von Wasserbauwerken kann jedoch eine hochgradig dreidimensionale Verzahnung der untersuchten Strukturen mit den umgebenden Fluiden Wasser und Luft vorliegen. Bauwerkskomponenten ragen in das Fluid hinein und werden gleichermaßen unter- wie überströmt, Schiffe sind in das Fluid eingetaucht. An Wechselsprüngen, Füllstrahlen, Rollbrechern auf Deckwerken und frei fallenden Wasserkörpern müssen über einer Ortskoordinate im Wechsel Wasser und Luft als Komponenten modelliert werden. Eine Beschreibung solcher Wasserspiegellagen als Modellrand wäre sehr kompliziert. In solchen Fällen hat sich eine Mehrphasenmodellierung durchgesetzt. Die BAW arbeitet standardmäßig mit dem Löser „interFoam“ aus der OpenFOAM®-Bibliothek. Dieser Löser verwendet die Volume-of-Fluid-Methode, um die Luft-Wasser-Grenze zu beschreiben. Derzeit wird in verschiedenen Forschungsprojekten versucht, die Anwendbarkeit des Lösers zu erweitern. So wurde für die Modellierung des Transports von disperser Luft im Wasser ein neuer Löser entwickelt (Schulze 2018). Derzeit wird in einem Forschungsprojekt an der Modellierung der Vermischung von Luft und Wasser in Überfallstrahlen gearbeitet, um die hydraulischen Bedingungen für abwandernde Fische an Wehranlagen besser erfassen zu können.

Das Verfahren OpenFOAM® wurde ursprünglich am Imperial College in London entwickelt. Nach einer ersten Phase der kommerziellen Vermarktung haben sich die Entwickler 2004 entschlossen, den Quelltext als Open-Source für jedermann zur Verfügung zu stellen. Seither hat sich eine sehr aktive Nutzer- und Entwicklergemeinde gebildet, die durch Veröffentlichungen, Promotionen, Workshops und Konferenzen ihre Aktivitäten dokumentiert. Da die OpenFOAM®-Bibliothek als Open-Source-Projekt frei zur Verfügung steht, dient es auch in der BAW als Basis für verschiedene Weiterentwicklungen. So wurde der Löser beispielsweise um die Berücksichtigung von Dichteströmungen erweitert, um den Einfluss von Dichteströmungen auf den Schleusungsprozess beurteilen zu können. Weitere Entwicklungen finden im Bereich der Betrachtung bewegter Objekte statt. Vielfältige Untersuchungen wurden durchgeführt, um die Modellierung eines bewegten Schiffes während des Schleusungsvorgangs zu ermöglichen. Dies ist besonders herausfordernd, da zwischen der Bewegung des Schiffs und der Strömungsmechanik eine starke Kopplung existiert und zudem der freie Zwischenraum zwischen Schiff und Schleusenkammer sehr gering ist. Eine ähnlich starke Kopplung existiert bei der Simulation von strömungsinduzierten Schwingungen. Hierbei wird untersucht, unter welchen Bedingungen Stahlwasserbauteile durch die Strömung zum Schwingen angeregt werden können. Während derzeit die Starrkörperschwingung im Vordergrund steht, sollen zukünftig auch verformbare Körper betrachtet werden („Fluid-Structure-Interaction“).

Die verwendeten Simulationsverfahren benötigen sehr große Rechenressourcen. Typischerweise können nur sehr kleine und einfache Anwendungsfälle auf handelsüblichen PCs bearbeitet werden. Für die Anwendungen der BAW werden die Simulationsmodelle mit der Methode der Gebietszerlegung zerteilt und dann auf den Cluster-Computern der BAW berechnet. Trotz der großen eingesetzten Ressourcen sind die Rechenzeiten immer noch erheblich und liegen typischerweise bei mehreren Tagen für einen Simulationslauf.

Numerische Simulationen