Hybride Strömungsmodelle

Gudrun ist für die aktuelle Episode zu Gast in der Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) am Standort in Karlsruhe.

Die BAW ist etwa so alt wie die Bundesrepublik und grob gesagt zuständig für technisch-wissenschaftliche Aufgaben in allen Bereichen des Verkehrswasserbaus an den Bundeswasserstraßen und für Spezialschiffbau. Dabei berät sie die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV). Heute ist der Hauptsitz der BAW in Karlsruhe. Daneben gibt es noch einen Standort in Hamburg.

Der Anlass des Besuches ist diesmal der Abschluss der Masterarbeit von Axel Rothert zu einer Fragestellung aus der BAW in Karlsruhe. Der Titel der Arbeit ist "Hybride 2D-3D-Simulation von Strömungsprozessen im Nah- und Fernfeld von Wasserbauwerken in OpenFOAM". Sie entstand in enger Zusammenarbeit mit den Kollegen Dr.-Ing. Carsten Thorenz und Franz Simons im Referat Wasserbauwerke der BAW. Nach dem Abschlussvortrag hat sich Gudrun mit Franz Simons und Axel Rothert über die Ergebnisse der Arbeit unterhalten.

Neben traditionellen mathematischen Modellen, die durch physikalische Experimente kalibriert und erprobt werden, haben sich durch den technischen Fortschritt der letzen Jahrzehnte numerische Simulationen inzwischen fest etabliert. Einerseits, um numerische Näherungslösungen für die partiellen Differentialgleichungen des mathematischen Modells zu liefern, andererseits aber auch zur Durchführung virtueller Experimente.

Die Simulation von hydrodynamischen Vorgängen ist hier ein gutes Beispiel. Das Fließen von Wasser muss mit Gleichungen beschrieben werden, die wiederum numerische Lösungen brauchen, wobei durch deren Komplexität auch gleich noch Ansprüche an entweder Hochleistungsrechentechnik (und damit Parallelisierung) oder andererseits gut begründete Vereinfachungen erhoben werden müssen.
Das ganze muss verlässliche Aussagen liefern, damit die BAW z.B. die Hochwasserneutralität eines Wasserbauwerks garantieren kann bevor es endgültig geplant und gebaut wird.

Dabei werden in der dortigen Praxis beide Wege beschritten: man investiert in modernste Rechentechnik und benutzt erprobte Vereinfachungen im Modell. Im Kontext der Umströmung von Wasserbauwerken haben unterschiedliche Regionen verschiedene dominierende Strömungsprozesse: in der Nähe des Bauwerkes gibt es eine starke Interaktion des Fließgewässers mit dem Hindernis, aber in einiger Entfernung kann man diese Interaktion vernachlässigen und den Modellansatz vereinfachen.

Deshalb sollten im Nah- und Fernbereich unterschiedliche Modelle benutzt werden. Konkret sind es in der Arbeit die tiefengemittelten Flachwassergleichungen im Fernfeld und die Reynolds-gemittelten Navier- Stokes-Gleichungen (RANS) im Nahfeld der Wasserbauwerke. Wichtig ist dann natürlich, wie diese Modelle gekoppelt werden. Da eine Informationsübertragung sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts möglich ist, ist eine Kopplung in beide Richtungen nötig.

In der vorliegenden Arbeit wurde eine vorhandene Implementierung eines Mehr-Regionen-Lösers in OpenFOAM der TU München so weiter entwickelt, dass er für die Anwendungen in der BAW geeignet ist. Dafür musste sie auf die aktuell an der BAW verwendete Version von OpenFOAM portiert und anschließend parallelisiert werden, damit praxisnahe Probleme der BAW in sinnvollen Rechenzeiten bewältigt werden können. Außerdem mussten die Implementierungen der Randbedingungen so abgeändert werden, dass allgemeine Geometrien für den Untergrund und ein trocken fallen bzw. benetzen mit Wasser möglich sind.

Die Implementierung wurde anhand eines realistischen Beispiels aus dem Verkehrswasserbau bestätigt. Ein etwa 1,1km langer Flussabschnitt wurde hybrid simuliert. Dabei ist ein Staustufe, bestehend aus Wehranlagen, Schleuse und Kraftwerk enthalten.

Literatur und weiterführende Informationen

• Boyer, F. ; Fabrie, P.: Mathematical Tools for the Study of the Incompressible Navier-Stokes Equations and Related Models. New York : Springer-Verlag, 2013
• Gerstner, N. ; Belzner, F. ; Thorenz, C.: Simulation of Flood Scenarios with Combined 2D/3D Numerical Models. In: Lehfeldt, R. (Hrsg.) ; Kopmann, R. (Hrsg.): 11th international conference on hydroscience and engineering. Bundesanstalt für Wasserbau, Karlsruhe, 2014
• Mintgen, F.: Coupling of Shallow and Non-Shallow Flow Solvers - An Open Source Framework. München, Technische Universität, Diss., 2017
• Mintgen, F. ; Manhart, M.: A bi-directional coupling of 2D shallow water and 3D Reynolds-Averaged Navier-Stokes models. 2018. Begutachtet und angenommen vom Journal of Hydraulic Research. Einsehbar: DOI: 10.1080/00221686.2017.1419989
• Uijttewaal, W. S.: Hydrodynamics of shallow flows: application to rivers. In: Journal of Hydraulic Research 52 (2014), Nr. 2, S. 157-172

Podcasts

• R. Kopman, G. Thäter: Wasserstraßen, Gespräch im Modellansatz Podcast, Folge 24, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2014.