Das 2D-Strömungsmodell HYDRO_AS-2D

Bei der hydraulischen Simulation von Fließgewässern gewinnt der Einsatz von 2D-Modellen zunehmend an Bedeutung. Aus diesem Grunde hat Hydrotec im Mai 2003 mit dem Ingenieurbüro Dr. Nujic eine Vertriebspartnerschaft bzgl. des von Dr. Nujic entwickelten 2D-Simulationsmodells HYDRO_AS-2D vereinbart. Die Entscheidung für den Einsatz von HYDRO_AS-2D hat sich nach zahlreichen bei Hydrotec durchgeführten Projekten und Modellrechnungen als richtig bestätigt.

Einsatzbereiche

Das Strömungsmodell HYDRO_AS-2D wurde schwerpunktmäßig für die Berechnung der Dammbruch- und Flutwellenausbreitung entwickelt, kann jedoch ebenso für die allgemeinen zweidimensionalen Strömungs- und Abfluss-Simulationen eingesetzt werden. Aufgrund seiner Genauigkeit sowie einer erhöhten Stabilität und Robustheit ist der Einsatz des Modells HYDRO_AS-2D in der praktischen Projektabwicklung zielsicher und leicht möglich. So können auch äußerst komplexe Abflussverhältnisse in überströmten Flusstälern sehr effektiv und genau modelliert werden. Eine weitere wichtige Voraussetzung für den praktischen Einsatz ist die genaue Erfassung verschiedener überströmter und durchströmter Bauwerke sowie die Modellierung der Strömung unter Druckabfluss in Brücken- und Flutöffnungen.

links: Beispiel für den Netzaufbeu im Bereich einer Schleuse bzw. eines Wehres

rechts: Darstellung der von HYDRO_AS-2D berechneten Fließwege mit dem Visualissierungsmodul SMS

Mathematische und numerische Grundlagen

Das in HYDRO_AS-2D integrierte Verfahren basiert auf der numerischen Lösung der 2D-tiefengemittelten Strömungsgleichungen mit der Finite-Volumen-Diskretisierung. Das explizite Zeitschrittverfahren sorgt für eine zeitgenaue Simulation des Wellenablaufs. Nicht weniger von Bedeutung – insbesondere für den praktischen Einsatz – sind die Stabilität und die Robustheit für das breite Spektrum von Fließverhältnissen (gleichzeitig strömende und schießende Strömungsverhältnisse mit mehreren Wechselsprüngen) auf stark variierender Geländeform.

Bei der Entwicklung des Strömungsmodells HYDRO_AS-2D wurden besonders hohe Anforderungen definiert, damit das Verfahren möglichst viele der verschiedenen mathematisch-physikalischen Eigenschaften der tiefengemittelten Strömungsgleichungen exakt beschreiben kann. Dadurch konnte die Genauigkeit der numerischen Lösung wesentlich verbessert werden. Außerdem wurde das in HYDRO_AS-2D eingesetzte Verfahren für die praktische Anwendung hinsichtlich der erforderlichen Genauigkeit, Robustheit und der Rechenzeit weitgehend optimiert. Es wurde u.a. durch die Teilnahme an internationalen Workshops wie CADAM neutral und objektiv getestet und validiert.

Die Finite-Volumen-Methode zeichnet sich durch ihre konservative Eigenschaft (Massen- und Impulserhaltung) aus und ist deshalb für die Berechnung von diskontinuierlichen Übergängen (Wechselsprüngen) besonders zu empfehlen. Es treten keine Massendefizite, wie bei manchen anderen Verfahren, auf. Das eingesetzte explizite Zeitschrittverfahren ermöglicht eine zeitgenaue Simulation des Wellenablaufs sowie eine genaue Bestimmung von Retentionswirkungen.

Bei allen bisherigen Anwendungen konnten die gemessenen Wasserstände während der Eichung mit realitätsnahen Rauheitswerten gut reproduziert werden, wodurch auch die hohe Genauigkeit des Simulationsmodells angezeigt wurde.

Aktuell in der Entwicklung: Stofftransport

In Entwicklung sind derzeit Modelle für den allgemeinen Stofftransport und insbesondere den Schwebstoffund Geschiebetransport. Dazu wird zusätzlich zu den Strömungsgleichungen die 2D-Konvektions-Diffusionsgleichung gelöst. Bei der Schwebstofftransportmodellierung können dabei bis zu fünf verschiedene Korngrößen gleichzeitig modelliert werden. Das Schwebstofftransportmodell eignet sich in der derzeitigen Form besonders gut für die Simulation der Vorland- und der Stauraumverlandung. Eine Erweiterung des Modells für die Simulation von gröberen Fraktionen (Sand) ist derzeit in der Entwicklung.

Die Berechnung des Geschiebetransportes ist im Moment nur für eine Korngröße gleichzeitig möglich. Geplant ist eine Modellerweiterung, mit der ebenfalls bis zu fünf verschiedene Korngrößen gleichzeitig simuliert werden können. Es sind verschiedene Ansätze vorgesehen, um den Geschiebetransport zu implementieren.

Verbesserungen für die Anwender

Anwendertechnisch wird daneben an der automatisierten Datenübernahme sowie Netzerstellung insbesondere im Hinblick auf die Laserscanning-Daten gearbeitet.

Parallel dazu wird das Programm benutzerfreundlicher, d. h. es werden zusätzliche Prüfoptionen, erweiterte Fehlermeldungen und Warnungen ergänzt. Die Kopplung an das SMS-Programm (Menüsteuerung, Eingabemaske, zusätzliche Beispiele, etc.) wird verbessert. Parallelisierung und zusätzliche Programmoptimierung haben zum Ziel, die Rechengeschwindigkeit zu erhöhen und den operationellen Einsatz zu verbessern.

Dr.-Ing. Marinko Nujic