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Title
Numerische und physikalische Untersuchung des hydraulischen Verhaltens von wandartigen Strukturen am Übergang von Druckstollen zu Druckschacht : Wand im Triebwasserweg / Jakob Seibl
Additional Titles
Numerical and physical investigation of the hydraulic behavior of wall-like structures at the junction of penstocks for pressure shaft
AuthorSeibl, Jakob
Thesis advisorAufleger, Markus
PublishedInnsbruck, August 2016
DescriptionL, 176 Seiten : Illustrationen
Institutional NoteUniversität Innsbruck, Dissertation, 2016
Date of SubmissionAugust 2016
LanguageGerman
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (DE)Hochdruckanlagen / Numerische Simulation / Wasserbau / Hydraulik / Numerik / CFD / Wasserkraft
Keywords (GND)Druckleitung / Druckstollen / Druckschacht / Dreidimensionales Modell
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Abstract (German)

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Untersuchung eines Modellversuchs als Validierungsexperiment für 3D-numerische Berechnungen als Teil des Projekts Wand im Triebwasserweg. Besonderes

Augenmerk liegt auf der Ermittlung des Verlustkoeffizienten dieser Einbauten/Wände und auf der Untersuchung von Druckschwankungen bei instationäen Strömungsvorgängen.

In Kapitel 1 werden einige der in weiterer Folge verwendeten Begriffe definiert sowie der Untersuchungsgegenstand und das Untersuchungsziel näher erläutert.

Das Kapitel 2 beschäftigt sich mit den hydraulischen Grundgleichungen, welche für das Verständnis der vorliegenden Problematik nötig sind. Des Weiteren wird die Ermittlung von Verlustkoeffizienten mit Hilfe von Tabellenwerten und einfachen Bemessungsansätzen aus der Literatur sowie der Stand in der wissenschaftlichen Literatur bezüglich Untersuchungen ähnlicher

Problemstellungen sowohl an physikalischen Modellen als auch mittels numerischer Simulation beschrieben. Zusätzlich werden gängige Turbulenzmodelle, deren Vor- und Nachteile sowie Ausführungsbeispiele für die hydraulische Trennung von Druckstollen und Druckschacht erläutert.

In Kapitel 3 werden der Aufbau des Modellversuchs, die Messtechnik und die Untersuchungsvarianten des physikalischen Modellversuchs, in Kapitel 4 das Konzept der numerischen Untersuchung bezüglich Berechnungsgeometrie, Randbedingungen und Zeitschrittwahl dargelegt.

Die ausführliche Verifikation des Modellversuchs und der numerischen Berechnungen inklusive der Betrachtung der verschiedenen Fehlerarten, die in beiden Teilbereichen entstehen können, und deren Auswirkungen werden in Kapitel 5 behandelt.

In Kapitel 6 werden die aufgestellten Hypothesen beantwortet. Die Ermittlung des Verlustkoeffzienten mittels numerischer Berechnung liefert vor allem für stationäre Strömungsvorgänge im Vergleich zu den Ergebnissen aus dem Modellversuch gute Ergebnisse. Für instationäre Strömungszustände und für Verlustkoeffizienten, die von der Reynoldszahl (bzw. vom Durchfluss) abhängig sind, ergeben sich besonders bei niedrigen Reynoldszahlen erhebliche Diskrepanzen zwischen Modell und numerischer Simulation. Allerdings unterliegt der Verlustkoeffizient erheblichen Schwankungen und ein Vergleich von Mittelwerten bildet nicht mehr die gewünschte Ergebnisdichte ab. Deshalb werden in einem nächsten Schritt die Schwankungen im Druck (und infolgedessen des Verlustkoeffizienten) untersucht und die Unterschiede verschiedener numerischer Ansäatze (Ein-Phasenströmung und Zwei-Phasenströmung) aufgezeigt. Zusätzlich werden die Druckschwankungen an einzelnen Punkten, welche sich aus der hochfrequenten Messung ergeben, mit den numerischen Ansätzen verglichen und bewertet. In weiterer Folge werden die Rohrbruchversuche am Modell näher erläutert und die Funktionsfähigkeit der Wand im Triebwasserweg (Rückhalt des gesamten Wassers im Druckstollen unabhängig von der Bruchzeit bzw. der Schließzeit der Einlaufklappe) für beide untersuchten Modellaufbauten bewiesen. Zuletzt wird der Druckverlauf am Fußpunkt des Wasserschlosses für die Bruchversuche besprochen.

Diese Arbeit findet ihren Abschluss in der Verknüpfung der Ergebnisse für zukünftige Bemessungskonzepte (Kapitel 7) sowie in einer Zusammenfassung der Ergebnisse inklusive einem Ausblick auf zukünftige Forschungsbereiche (Kapitel 8).

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