Entwicklung eines Berechnungsmodells zur Untersuchung der Strömungsphänomene an Überfallschütz und drehendem Schaufelwasserrad

Hermerschmidt, Hans-Henning

2-Phasen-Strömungen spielen im Wasserbau sowohl bei der Überströmung von Verschlussorganen als auch bei der Durchströmung von Schaufelwasserrädern eine wesentliche Rolle für die Belastungsermittlung und die konstruktive Durchbildung. Ziel dieser Arbeit ist es, mittels numerischer Berechnungen einen Einblick in das Strömungsgeschehen am Schütz und im Wasserrad zu erlangen. Die Beschreibung der am Strömungsgeschehen beteiligten Fluidphasen erfolgt anhand der inkompressiblen Navier-Stokes-Gleichungen in den primären Variablen Geschwindigkeit und Druck. Unter Hinzunahme einer Level-Set-Funktion in Verbindung mit einer regularisierten Heaviside-Funktion können sowohl Lage und Bewegung der Grenzfläche als auch ein stetiger Übergang zwischen den Materialparametersätzen abgebildet werden. Zur Diskretisierung des Fluidgebietes kommt die Raum-Zeit-Finite-Elemente-Methode zur Anwendung. Damit wird die Veränderlichkeit des Strömungsgebietes implizit bei der Abbildung auf das Referenzgebiet erfasst. Die Berücksichtigung der stetigen Drehbewegung des Wasserrades erfolgt mit Hilfe der Shear-Slip-Mesh-Update-Methode als diskontinuierlichem Netzbewegungsverfahren. Im Rahmen der numerischen Untersuchung der Strömungsvorgänge am vom Modellwasserrad losgelösten Regulierschütz mit Kreisbogengeometrie können fünf voneinander unterscheidbare Strömungszustände identifiziert werden. Für diese erfolgt eine Analyse der Wechselwirkungsvorgänge beider Fluidphasen im Bereich des Schützrückens und im angrenzenden Tosbecken. Für das Modellwasserrad erfolgt die numerische Untersuchung des Befüllungs- und Entleerungsvorganges. Neben dem Strömungsgeschehen in der Wasserphase wird dabei auch der Einfluss der Luftphase insbesondere bei der Be- und Entlüftung der Schaufelräume berücksichtigt. Sowohl für die Schützüberströmung als auch für die Durchströmungsvorgänge am Wasserrad wurden begleitende experimentelle Untersuchungen zur Validierung durchgeführt. Diese geben auch einen über die numerisch auflösbaren Skalen hinausgehenden Einblick in das Interaktionsverhalten der Fluidphasen. Die mit Hilfe des entwickelten Finite-Elemente-Programmes durchgeführten numerischen Untersuchungen haben sowohl am Schütz als auch beim Wasserrad die Beobachtung und Analyse von charakteristischen Strömungsphänomenen ermöglicht, für die bisher keine oder nicht in dem Umfang entsprechende Daten vorhanden waren.

Two phase flows are the dominant flow regime in hydraulic engineering regarding the overflow at gates as well as the throughflow in water wheels. The aim of this thesis is to gain insight into the flow behaviour at overflow gates and in rotating water wheels by means of a computational model. Both fluid phases are modelled using the incompressible Navier-Stokes equations with velocity and pressure as primal variables. Position and movement of the interface are described via a level set function in conjunction with a Heaviside function allowing a continuous transition between both material parameter sets. The discretisation is performed by application of the space-time finite element method in combination with the shear-slip mesh-update method as discontinuous mesh moving technique for capturing the rotation of the water wheel. The numerical analysis of the two phase flow at the overflow gate reveals five distinct flow states. An in-depth analysis of these states is performed with specific focus on the downstream area beginning at the gate top as well as the plunge pool. Besides its independent use, the overflow gate serves as adjustment device regulating the inflow into the water wheel. Therefore, a numerical analysis of the filling and discharge process of the rotating water wheel is conducted as well. Among others the numerical analysis of the two-phase flow in the water wheel highlights the significant influence of the air phase regarding the ventilation of the interspaces. Furthermore, the effects onto the flow field of the blades passing closely the regulating gate can be quantified. The numerical analyses of overflow gate and water wheel are accompanied by physical experiments. Besides validation purpose additional insight is gained related to the flow characteristics which could not be resolved numerically. Based on the developed computational model the performed numerical analyses yield insight into characteristic flow patterns at overflow gates and especially in water wheels, for which no or not enough numerical data has been available until now.

Cite

Citation style:

Hermerschmidt, Hans-Henning: Entwicklung eines Berechnungsmodells zur Untersuchung der Strömungsphänomene an Überfallschütz und drehendem Schaufelwasserrad. 2019.

Access Statistic

Total:
Downloads:
Abtractviews:
Last 12 Month:
Downloads:
Abtractviews:

show details

Rights

Use and reproduction:
All rights reserved

Export