Numerische Simulation variabel gesättigter Strömungen in Dammbauwerken mit der Lattice-Boltzmann-Methode (LBM)

Die Berechnung variabel gesättigter Strömungen durch Dammbauwerke ist von großer technischer Bedeutung. Es existieren zahlreiche numerische Ansätze zur Lösung der stark nicht-linearen Richard-Gleichung basierend auf Finite-Differenzen- (FDM) oder Finite-Elementen-Methoden (FEM). Vor kurzem wurde ein neuer Modellierungsansatz vorgestellt und validiert, welcher auf der Lattice-Boltzmann-Methode (LBM) basiert. Die LBM besitzt dabei einige vorteilhafte Eigenschaften, welche die Methode zu einer attraktiven Alternative insbesondere in Hinblick auf komplexe Geometrien und gekoppelte Simulationen machen können. In dieser Arbeit wird die LBM auf die 2-D- und 3-D-Richard-Gleichung auf strukturierten Gittern angewandt. Verschiedene Schreibweisen der Gleichung, basierend auf der effektiven Sättigung und der Porendruckhöhe, unter Einbeziehung zweier Retentionsmodelle nach Brooks-Corey und Van Genuchten werden angewandt. Die Anwendbarkeit des Verfahrens wird in Hinblick auf idealisierte Testfalle und kleinskalige sowie grosskalige Dammbauwerke untersucht. Die Ergebnisse werden aufgezeigt und mit anderen ausgewählten analytischen, experimentellen und numerischen Resultaten verglichen.

In dieser Arbeit wurde eine LBM für die 2-D- und 3-D-Richard-Gleichung implementiert und untersucht. Das Modell basiert auf Ableitungen und Ansätzen nach Ginzburg für die θ- und θ-h- Schreibweisen in Kombination mit den BCM- und VGM-Retentionsmodellen. Es wurde dabei anhand verschiedener Testfälle erfolgreich validiert. Simulationen von kleinskaligen und großskaligen Dammbauwerken führten zu guten Resultaten und waren über einen großen Parameterbereich hinweg stabil. Die θ-Schreibweise für homogene Dämme und das VGM-Modell zeigten hierbei ein stabileres Verhalten als die gemischte θ-h- Schreibweise und das BCM-Model. Die vorgestellte Methode ist auf realistische Geometrien anwendbar und scheint auch für praktische Ingenieursaufgaben geeignet. Zusätzliche Tests und Untersuchungen sollten jedoch in Hinblick auf realistische und komplexere Szenarien durchgeführt werden, um die Stärken und Schwächen des Verfahrens weiter zu evaluieren.
Weitere Verbesserungen des Modells könnten in der Berücksichtigung von numerischen Ansätzen höherer Ordnung liegen, der Durchführung von inneren Iterationen, der Berücksichtigung anisotroper Verhältnisse sowie der genaueren Abbildung von schrägen oder gekrümmten Berandungen. Um die Stabilität für heterogene Dämme zu verbessern könnte die Entwicklung einer Prozedur zum Wechseln der Variablen hilfreich sein, wobei die θ-h-Schreibweise in Gebieten mit wechselnden Materialeigenschaften verwendet wird und die θ-Schreibweisen in den übrigen Gebieten.
Als weitere Schritte sind die Kopplung mit einem Dammbruchmodell und die Integration in die kostenfreie Software BASEMENT geplant. Eine vorteilhafte Eigenschaft des Verfahrens ist dabei seine Eignung für komplexe und zeitlich veränderliche Geometrien aufgrund der Verwendung von Bounce- Back-Randbedingungen. Weiterhin lässt sich das System mit vergleichbar geringem Aufwand um eine Komponente für die Modellierung von 2-D- oder 3-D-Oberflächenströmungen erweitern. Dies stellt eine vielversprechende Methodik für gekoppelte Strömungsberechnungen innerhalb einer einheitlichen Modellierungsumgebung auf einem gemeinsamen Berechnungsgitter dar.



Copyright: © Springer Vieweg | Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
Quelle: Wasserwirtschaft 6 / 2012 (Juni 2012)
Seiten: 6
Preis: € 10,90
Autor: Dipl.-Ing. Christian Volz
Prof. Dr. Robert Boes
 
 Diesen Fachartikel kaufen...
(nach Kauf erscheint Ihr Warenkorb oben links)
 Artikel weiterempfehlen
 Artikel nach Login kommentieren


Login

ASK - Unser Kooperationspartner
 
 


Unsere content-Partner
zum aktuellen Verzeichnis



Unsere 3 aktuellsten Fachartikel

Nutzung von Batteriespeichern im Rahmen der Netzampel
© Springer Vieweg | Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH (11/2020)
Die Zunahme erneuerbarer Stromerzeugung sowie flexiblen Stromverbrauchern im Verteilnetz erfordert neue Koordinierungskonzepte zur Nutzung der dort bestehenden Flexibilität wie im Rahmen des Engpassmanagements. Ein Ansatz ist das quotenbasierte Netzampelkonzept, mit dem in der gelben Ampelphase prognostizierte Engpässe vermieden und in der roten Phase unvorhergesehene Engpässe im Echtzeitbetrieb beherrscht werden. Steuerbare Kundenanlagen wie Batteriespeicher können in beiden Phasen den sicheren Betrieb des zukünftigen Stromnetzes unterstützen.

Gastransportnetze als Partner der Energiewende - Herausforderungen und Potenziale
© Springer Vieweg | Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH (11/2020)
Die Gastransportsysteme werden einen wichtigen Beitrag zum Gelingen der Energiewende leisten. Zunächst ist der Einsatz von Gas anstelle anderer fossiler Brennstoffe eine schnell wirksame und effektive Maßnahme zur Verlangsamung des Anstiegs der COâ‚‚-Emissionen. Eine Umstellung des Energieverbrauchs auf regenerativ erzeugten Strom erfordert einen Ausbau der Energietransportsysteme. Auch hier können die Gasnetze einen wichtigen Beitrag leisten, indem klimaneutral erzeugte Gase transportiert und verteilt werden.

Aufwertung der Wasserkraft bei wasserrechtlichen Abwägungsentscheidungen
© Springer Vieweg | Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH (11/2020)
Die Entwicklung des wissenschaftlichen Kenntnisstands wie auch der gesellschaftlichen und politischen Aufmerksamkeit ist in Deutschland in das Klimaschutzgesetz mit verbindlichen Klimazielen gemündet. Die Wasserkraft stellt einen wichtigen Baustein der notwendigen und dringlichen Energiewende dar. Soweit Konflikte mit der Gewässerökologie sich als Hemmnis darstellen, sind diese über das wasserrechtliche Ausnahmeregime einzelfallbezogen lösbar. Die Rechtsprechung erkennt dies zunehmend an. Die zuständigen Behörden sind verpflichtet, im Rahmen der Verhältnismäßigkeit den Belangen der Wasserkraft angemessen Rechnung zu tragen.