Pralltropfbauwerke werden verwendet, um städtische Wasserströme in Tunnel zu leiten, die in der Regel unterirdisch verlaufen. Das Wasser fällt kaskadenförmig an den Leitblechen hinunter zu einem Staubecken, das in einen Tunnel entwässert. Dieses Bauwerk wurde bereits erfolgreich bei Projekten zur Stadtentwässerung eingesetzt. Ihre hydraulischen Eigenschaften stellen jedoch eine Herausforderung in der Planungs- und Konstruktionsphase dar.
In der folgenden Abbildung, die einem interessanten Artikel über diese Art von Struktur entnommen wurde, sehen wir ein Diagramm dieser Elemente.
Die CFD-Simulation ist ein sehr nützliches Instrument für diese Projekte. CFD-Analysen ermöglichen es, die Entwicklung der Strömung zu überprüfen, die Abflusskapazität zu bewerten und die Höhe zu bestimmen, die das Wasser in jedem Deflektor erreichen würde. Dies erleichtert in der Entwurfsphase die Lokalisierung der verschiedenen Kontroll- und Überwachungselemente dieser Strukturen.
In diesem Beitrag finden Sie einige Tipps und Beispiele für diese Simulationen, die von ICEMM, einem Unternehmen mit umfangreicher Erfahrung in der Analyse und Optimierung durch CFD-Simulation, durchgeführt wurden.
Vorbereitung des CFD-Modells
Auf der Simulationsebene ist die am weitesten verbreitete Technik zur Modellierung dieser Probleme mit freien Oberflächen als VOF (Volume of Fluid) bekannt. Die Software FLOW3D Hydro oder MSC Cradle beispielsweise verwenden diese Technik.
Auch in der Open-Source-Alternative OpenFOAM erlaubt der interFoam-Solver die Verwendung der VOF-Methode.
Bei dieser Art von instationären Simulationen ist es wichtig, den Zeitschritt adaptiv zu regulieren, um sicherzustellen, dass die Courant-Zahl innerhalb der Grenzen bleibt, die der Solver bewältigen kann, in der Regel unter Eins. Dies macht auch die Vernetzung sehr wichtig und hat einen großen Einfluss auf die Rechenkosten der Simulation, so dass die Netzgröße sorgfältig gewählt werden muss.
Im Falle von OpenFOAM müssen für jede der Gleichungen und Terme die geeigneten Diskretisierungs- und Auflösungsschemata gewählt werden. Auch bei der Festlegung der Randbedingungen muss auf den Druck geachtet werden, da der interFOAM-Löser standardmäßig die Druckvariable ohne den hydrostatischen Term löst.
Das folgende Bild zeigt einen Ausschnitt aus einer Netzstruktur in OpenFOAM mit dem Werkzeug snappyHexMesh.
In kommerzieller Software wie Flow3D oder Cradle ist die Fallkonfiguration etwas einfacher, aber die Qualität der Ergebnisse bei ähnlicher Maschengröße ist sehr ähnlich.
Ergebnisse der CFD-Simulation
Im Folgenden finden Sie ein Beispiel für eine CFD-Simulation eines solchen Szenarios. Wir haben mit der Software OpenFOAM eine Studie an einem Modellbauwerk von etwa 30 m Höhe durchgeführt.
In diesem ersten Video zeigen wir eine perspektivische Ansicht der Struktur, aus der Sie das Gesamtverhalten erkennen können.
In diesem Beispiel zeigen wir eine Seitenansicht der Baugruppe, die es uns ermöglicht, die vom Wasser erreichten Pegel in jedem Deflektor zu sehen. Es wäre auch möglich, Schnitte zu definieren, um nur den Pegel an den Koordinaten der Steuer- oder Kontrollelemente zu sehen.
Wie wir gesehen haben, kann diese Art der Freiflächensimulation in vorläufigen Entwurfsstadien verwendet werden, wo eine schnelle Iterationsfähigkeit von Interesse ist. Sie kann auch zur Validierung eines bereits fertiggestellten Entwurfs in der Bauvorbereitungsphase oder zur Untersuchung möglicher Optimierungen verwendet werden.
