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Open Access
Implementierung und Anwendung netzfreier Methoden im Konstruktiven Wasserbau und in der Hydromechanik
(2009) Zöllner, Frank; Giesecke, Jürgen (Prof. em. Dr.-Ing. habil. Dr.-Ing. E.h.)
Die gängigen, heute in Forschung und Ingenieurpraxis verbreitet Anwendung findenden numerischen Methoden, beispielsweise die Methode der Finiten Elemente (FEM) oder der Finiten Volumen (FVM), basieren auf einem Rechennetz. Die Erzeugung dieses Rechennetzes stellt trotz des hohen Entwicklungsstandes heute erhältlicher Softwarepakete oft denjenigen Teil einer numerischen Analyse dar, der die meiste Bearbeitungszeit in Anspruch nimmt. Zwar stehen heute hoch entwickelte automatische Netzgeneratoren zur Verfügung, jedoch liefern diese bei komplizierten Geometrien häufig kein zufrieden stellendes Ergebnis, womit das erhaltene Rechennetz einer intensiven Nacharbeit bedarf. Insbesondere bei sich dynamisch ändernder Geometrie, beispielsweise im Fortschreiten eines Risses gegeben, fällt dies besonders ins Gewicht, da eine vollständige Neuvernetzung für jeden einzelnen Zeitschritt des Rechenganges erforderlich ist. Eine wirkliche Automatisierung ist dann nicht möglich. Darüber hinaus stellen Teilchenablösungen und wechselnde Material- oder Zustandsübergänge wie zwischen trockenen und benetzten Zonen, wasserbaulichen Problemstellungen inhärent, hohe Hürden für herkömmliche numerische Methoden dar. In gewissem Sinn widerspricht ein starres Rechennetz der Natur einer Flüssigkeit. Damit ist der Einsatz eines hierauf basierenden Verfahrens in Hydromechanik und Konstruktivem Wasserbau eingeschränkt. Die vorliegende Arbeit schlägt Lösungen auf Basis netzfreier Methoden vor. Diese benötigen kein Rechennetz und sind dadurch den genannten Einschränkungen nicht unterworfen. Der im Konstruktiven Wasserbau stets präsenten Interaktion zwischen Festkörper und Flüssigkeit, beispielsweise im Zuge der Standsicherheitsuntersuchung einer Talsperre eine zentrale Rolle spielend, wird durch die Kombination zweier netzfreier Methoden Rechnung getragen: Die Elementfreie Galerkin Methode (EFGM) wurde zur Analyse des Talsperrenkörpers hinsichtlich Verformungen, Spannungen und Rissbildung implementiert und eingesetzt. Betont wird hierbei die numerische Umsetzung bruchmechanischer Vorgänge als Grundlage nach DIN 19700 zu führender Nachweise bestimmter Bemessungssituationen, da die Elementfreie Galerkin Methode hier besondere Vorteile gegenüber der Methode der Finiten Elemente aufweist. Zur Abbildung verbundener hydrodynamischer Prozesse, insbesondere des instationären Wasserdrucks infolge Erdbebens, wurde ein Programmmodul auf Basis der Methode der Smoothed Particles Hydrodynamics (SPH) entwickelt und angewandt. Unter Kombination beider Methoden werden mögliche Ansätze maßgeblicher Talsperren-Nachweise aufgezeigt. Darüber hinaus werden zahlreiche weitere Simulationen vorgestellt, welche das breite Anwendungsspektrum netzfreier Methoden in Konstruktivem Wasserbau und Hydromechanik sowie in allgemeineren Fragestellungen der Mechanik veranschaulichen.
Open Access
Investigation on the effects of entrained air in pipelines
(2007) Pozos Estrada, Oscar; Giesecke, Jürgen (Prof. em. Dr.-Ing. habil. Dr.-Ing. E.h.)
The main goal of this work is the development of a computational program for the quantitative assessment of the effects of entrained air in pipeline systems with respect to their operational safety. Likewise, two specific problems are investigated. (1) The effect of entrained air in form of pockets on hydraulic transients, during pump shutdown. It can be considered the most dangerous maneuver within a pumping pipeline. The computations corresponding to this study were evaluated by using the method of characteristics. (2) The numerical simulation of fluid transients caused by the shutdown of pumps, considering air pockets located at the high points of pumping pipeline systems and a water-air bubble mixture immediately downstream of the pockets. The constitutive equations – conservation of the gas mass, of the liquid mass, and the mixture momentum – yield a set of differential equations that will be solved by the method of characteristics. For the homogeneous model presented herein the two phases or components are treated as a single pseudofluid with average properties. It is assumed that there is no relative motion or slip between the phases, as well as for the momentum equation for the mixture. In the same way to the compressibility of the gas, the liquid compressibility and the pipe wall elasticity are included in the system of equations. The equation of energy is not used due to the moderate change in temperature of the mixture during the transient. In the case of negative impacts on the safety and operability of pipeline systems resulting from air entrainment, operational remediation measures will be suggested.