FEM-Berechnung des Hydraulischen Sprunges an einer Bodenwelle in einem offenen Kanal.
Wird in einer offenen Kanalströmung ein kleines Hindernis, wie beispielsweise eine leichte Bodenwelle oder einige Steine durch eine überkritische Strömung angeströmt, so kommt es zum Wechsel in eine unkritische Strömung, indem sich der Wasserspiegel hinter dem Hindernis hebt und die Strömungsgeschwindigkeit absinkt. Ein solches Verhalten nennt man hydraulischer Sprung oder Wassersprung. Am Anfang des hydraulischen Sprunges entsteht nicht selten eine Deckwalze, in der ein Teil der Strömungsenergie dissipiert wird.
Ziel dieser Simulationsstudie war es, diesen hydraulischen Sprung, hervorgerufen durch eine Bodenwelle, für verschiedene Höhen des Wasserspiegels (und sich daraus ergebende verschiedene Froude-Zahlen) zu simulieren. Hierbei kam die CFD-Software Fluent zum Einsatz. Gerechnet wurde unter Berücksichtigung von Turbulenzen (k-epsilon-Modell), jedoch inkompressibel wegen geringer Mach-Zahlen.
In der Auswertung der Ergebnisse soll ein Vergleich mit Werten aus der Literatur erfolgen, in diesem Fall handelt es sich um analytische Resultate.
Inhaltsverzeichnis
- Aufgabe und Ziel
- Geometrie und Vernetzung
- Erstellung der Basisgeometrie
- Erstellung der 3D-Geometrie mit Bodenwelle
- Erstellung der 3D-Geometrie mit Verengung
- Modell und Randbedingungen
- Diskussion der Kennzahlen
- Die Froudezahl
- Die Machzahl
- Die Reynoldszahl
- Diskussion der Randbedingungen
- Vorgehensweise in Fluent
- Diskussion der Kennzahlen
- Ergebnisse
- Bodenwelle im 2D-Modell
- Wasserspiegel 1m, Geschwindigkeit 6m/s
- Wasserspiegel 0.5m, Geschwindigkeit 6m/s
- Wasserspiegel 0.3m, Geschwindigkeit 6m/s
- Wasserspiegel 0.1m, Geschwindigkeit 6m/s
- Bodenwelle im 3D-Modell (0.5m Wasseroberfläche)
- Verengung im 3D-Modell (0.5m Wasseroberfläche)
- Bodenwelle im 2D-Modell
- Interpretation
- Vergleich mit Literatur
- Zusammenfassung
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Diese Simulationsstudie analysiert den hydraulischen Sprung, der durch eine Bodenwelle in einer offenen Kanalströmung entsteht. Ziel ist es, das Verhalten des Wasserspiegels und der Strömungsgeschwindigkeit für verschiedene Wasserspiegelhöhen und Froude-Zahlen mithilfe der CFD-Software Fluent zu simulieren. Die Analyse berücksichtigt Turbulenzen und basiert auf dem k-epsilon-Modell. Aufgrund geringer Mach-Zahlen wurde die Berechnung inkompressibel durchgeführt.
- Hydraulischer Sprung in einer offenen Kanalströmung
- Simulation des Wasserspiegels und der Strömungsgeschwindigkeit
- Einfluss der Wasserspiegelhöhe und der Froude-Zahl
- Turbulenzmodellierung mit dem k-epsilon-Modell
- Vergleich mit analytischen Ergebnissen aus der Literatur
Zusammenfassung der Kapitel
Das erste Kapitel beschreibt das Ziel der Studie, den hydraulischen Sprung durch eine Bodenwelle für unterschiedliche Wasserspiegelhöhen zu simulieren. Kapitel zwei erläutert die verwendeten Geometrien und Vernetzungen, sowohl im 2D- als auch im 3D-Modell. Es werden die einzelnen Schritte der Erstellung und Parametrisierung der Geometrien in Gambit beschrieben.
Kapitel drei widmet sich dem Modell und den Randbedingungen. Es werden die relevanten Kennzahlen wie Froude-Zahl, Machzahl und Reynoldszahl diskutiert. Die verwendeten Randbedingungen sowie die Vorgehensweise in Fluent werden detailliert dargelegt.
Kapitel vier präsentiert die Ergebnisse der Simulationen. Die Auswirkungen der Bodenwelle im 2D-Modell werden für verschiedene Wasserspiegelhöhen und Geschwindigkeiten untersucht. Zudem werden die Ergebnisse der Simulationen der Bodenwelle und der seitlichen Verengung im 3D-Modell dargestellt.
Schlüsselwörter
Hydraulischer Sprung, offene Kanalströmung, Bodenwelle, CFD-Simulation, Fluent, k-epsilon-Modell, Froude-Zahl, Machzahl, Reynoldszahl, Wasserspiegel, Strömungsgeschwindigkeit, inkompressible Strömung, 2D-Modell, 3D-Modell, Gambit
- Citation du texte
- Thomas Plehn (Auteur), 2009, Der hydraulische Sprung in einer offenen Kanalströmung mit Bodenwelle, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/901650
