Sensitivitätsanalyse zur räumlichen Diskretisierung bei der 2D-Strömungssimulation zur naturnahen Umgestaltung der Siegmündung

Sensitivity analysis for the spatial discretization in 2D computational fluid dynamics for the renaturation of the mouth of the river Sieg

  • Die Ingenieurgesellschaft ProAqua, bei der diese Arbeit verfasst wurde, ist mit dem hydraulischen Nachweis zur Gewässerentwicklung der Siegmündung nach § 68 WHG (Wasserhaushaltsgesetz) beauftragt. Um den hydraulischen Nachweis zu führen, wurde ein detailliertes zweidimensionales hydraulisches Modell erstellt, welches die Strömungsverhältnisse in der Sieg und ihrer Aue kleinräumig abbildet. Das hydraulische Modell der Siegmündung wurde dazu verwendet eine Sensitivitätsanalyse bezüglich der räumlichen Diskretisierung durchzuführen. Ziel dieser Arbeit war es herauszuarbeiten, in welchem Maße die räumliche Diskretisierung einen Einfluss auf die simulierten Ergebnisse und die Rechenlaufzeiten hat. Die Ergebnisse zeigen, dass bei unterschiedlichen räumlichen Diskretisierungen im Gewässerbett bei gleicher Geometrie lokal Wasserspiegellagenänderungen von bis zu 30 %, bei einer veränderten Gewässerbettgeometrie Änderungen bis zu 50 % auftreten können. Im Mittel liegen die Abweichungen bei unterschiedlichen Diskretisierungen im Gewässerbett und im Voland jedoch unterhalb von 4 %. Eine zeitliche Verschiebung der Hochwasserwelle konnte durch die unterschiedlichen räumlichen Diskretisierungen nicht festgestellt werden. Hinsichtlich der Rechenlaufzeiten zeigen die Ergebnisse einen proportionalen Zusammenhang zwischen der räumlichen Auflösung und der benötigten Rechenzeit. Schlussfolgernd aus den Ergebnissen können dem Anwender nachfolgende Empfehlungen zum Aufbau eines hydraulischen Rechennetzes gegeben werden. Eine grobe Diskretisierung kann in Bereichen gewählt werden, die stabile Fließeigenschaften aufweisen und von weniger starkem Interesse sind. Eine feine Diskretisierung sollte in Bereichen gewählt werden, in denen Fließgeschwindigkeit und Wassertiefe stark wechseln und in Gebieten von großem Interesse.
  • The engineering company ProAqua at which this work was written, is commissioned with the hydraulic proof of the mouth of the river Sieg according to § 68 WHG (Water Act). In order to perform the hydraulic proof, a detailed two-dimensional hydraulic model was created, which depicts the flow conditions in the mouth of the river Sieg and its floodplain on a small scale. The hydraulic model of the river mouth was used to perform a sensitivity analysis with respect to the spatial discretization. The aim of this study was to work out the extent to which the spatial discretization has an influence on the simulated results and the computational times. The results show that locally at different spatial discretizations of the river bed with the same geometry, water level changes of up to 30% and with a change of the river bed geometry changes up to 50% can occur. On average, the deviations at different discretizations of the river bed and the floodplain lie below 4%. A temporal displacement of the flood wave could not be detected by the different spatial discretizations. Regarding the computational times, the results show a proportional relationship between the spatial resolution and the required computation time. In conclusion the user can be given following recommendations for creation a hydraulic network for computational fluid dynamics. A coarse discretization can be chosen in areas that have stable flow properties and are of less interest. A fine discretization should be chosen in areas with strong changes in flow velocity and water depth and in areas of great interest.

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Metadaten
Author:Ursula Kutsch
Advisor: Steinrücke, Helmut EichertGND
Document Type:Diploma Thesis
Language:German
Name:ProAqua GmbH
Turpinstraße 19, 52066 Aachen
Date of Publication (online):2012/09/13
Year of first Publication:2012
Date of final exam:2012/05/11
Tag:Computational Fluid Dynamics; Discretization
GND Keyword:Numerische Strömungssimulation; Diskretisierung; Direkte numerische Simulation
Page Number:70 Seiten, 40 Abb., 5 Tab., 19 Lit.
Faculty:Westsächsische Hochschule Zwickau / Physikalische Technik, Informatik
Release Date:2012/09/13