Strömungsoptimierung Albbruck-Dogern durch hybride ... · 6. Seminar Kleinwasserkraft am 12.10.2007 / Universität Stuttgart Universität Karlsruhe / Inst. für Wasser und Gewässerentwicklung

6. Seminar Kleinwasserkraft am 12.10.2007 / Universität Stuttgart

Universität Karlsruhe / Inst. für Wasser und GewässerentwicklungAbteilungen Wasserbau und Numerik 1

Strömungsoptimierung beim Wehrkraftwerk

Albbruck-Dogern durch hybride Modellierung6. Seminar Kleinwasserkraft „Praxis & aktuelle Entwicklung“ / 12.10.2007 Universität Stuttgart

Dr.-Ing. Boris LehmannInstitut für Wasser und Gewässerentwicklung

Theodor-Rehbock-Wasserbaulaboratorium

Quelle: google maps 2007

Anschrift der Verfasser:

Universität Karlsruhe

Institut für Wasser und Gewässerentwicklung

Bereich Wasserwirtschaft und Kulturtechnik

Mit Theodor-Rehbock-Wasserbaulaboratorium

Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult. Franz Nestmann

Kaiserstraße 12

76128 Karlsruhe

Abteilung Wasserbau und Gewässerentwicklung

Dr.-Ing. Boris Lehmann

Abteilung Numerik

Dr.-Ing. Peter Obele



04.10.2007 Strömungsoptimierung durch hybride Modellierung - Dr.-Ing. B. Lehmann

Inhalt

• Veranlassung und Auftrag

• Hybride Modellierungsmethode

- Verwendete Modellarten und Zielsetzungen

- Koppelung der Modelle

• Modellversuche

- Zielsetzung, Planung und Aufbau

- Kalibrierung

- Optimierung der Turbinenanströmung

- Minimierung des Geschiebeeintrags

• Zusammenfassung

Weiterführende Literatur und Referenzen:

Seidel, F., Queißer J., Musall, M. Bernhart, H.H, 2006: Physikalische und numerische Untersuchungen zum Wehrkraftwerk Albbruck-Dogern am Hochrhein. In: Strömungssimulation im Wasserbau (Wasserbauliche Mitteilungen der Technischen Universität Dresden, Heft 32): Seiten285 – 296.

Queißer J., Seidel, F., Bernhart, H.H, 2006: Neubau des Wehrkraftwerkes Albbruck-Dogern –Durchführung physikalischer Modellversuche. In: Wasserwirtschaft 9/2006, Seiten 14 – 19.

Musall, M, Stelzer, C., Theobald, S., Nestmann, F., 2006: Numerische Modelle bei der wasserbaulichen Planung. In: Wasserwirtschaft 9/2006, Seiten 20 – 25.

Im Internet:

Zu den physikalischen Untersuchungen → www.iwk.uni-karlsruhe.de/1027.php

Zu den numerischen Untersuchungen → www.iwk.uni-karlsruhe.de/1224.php



Veranlassung und Auftrag




Veranlassung

Konzessionserneuerung in 2003:

- Erhöhung der Mindestwassermengeim Restrhein auf 300 m³/s

- Dotation durch Turbine (∆H ≈ 9 m)

- Optimierung der Durchgängigkeit

Basel

Bodensee

Kraftwerksbau um 1935

Verlängerung der Konzession durch die Deutschen und Schweizer Behörden in 2003 mit folgenden Auflagen:

Erhöhung der Mindestwassermenge in der Ausleitungsstrecke um min. 200 m³/s

Möglichkeit zur Dotierung der Mindestwassermenge durch ein Kraftwerk, welches direkt neben das bestehende Ausleitungswehr auf dem Schweizer Ufer errichtet wird.

Herstellung der ökologischen Durchgängigkeit für die Ausleitungsstrecke




Übersicht Projektgebiet

Neues Wehrkraftwerk

Triebwasserk

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Rest-rhein

Rhein

Das Luftbild zeigt die derzeitige Situation vom Oberwasser aus betrachtet. Skizziert ist die Lage des neuen Wehrkraftwerkes Dogern auf dem Schweizer Ufer.

Am Wehr Dogern findet infolge des Aufstau die Abflussaufteilung zwischen Restrhein und dem Triebwasserkanal statt. Unterstrom des Stauwehres liegt zwischen dem Restrhein und dem Triebwasserkanal das sog. „Aubecken“, welches als Unterwasserspeicher für die Pumpspeicherkraftwerke im angrenzenden Schwarzwal fungiert.

Direkt vor der Rückleitung des Triebwassers in den Rhein (am oberen Bildrand) befindet sich das Kraftwerk Albbruck.




Wehrkraftwerk - Vorplanung

Technische Daten der projektierten Kaplan Rohrturbine

Ausbauwassermenge: Qa = 300 m³/s

Ausbaufallhöhe: h = 8.75 m

Ausbauleistung: PA = 24 MW

Laufraddurchmesser: D = 6.0 m

Die Skizze zeigt einen Schnitt durch die in der Vorplanung bemessenen Dotierturbine. Weitere anlagenspezifische Werte sind der Abbildung beigefügt.




Auftrag an das IWG

• Optimierung der Zuströmung zum Wehrkraftwerk

• Optimierung der Turbinenanströmung

• Optimierung der Auslaufgestaltung

• Geschiebekonzeptentwicklung

- Kein Geschiebeeintrag in den Turbineneinlauf

- Keine Geschiebeablagerung im Turbinenauslauf

• Anbindung eines Umgehungsgewässers

• Konzept zur schadlosen Hochwasserabfuhr während der Bauzeit

• Ausgleichsmaßnahmen im Restrheinund im Oberwasser

• HW-Neutralitätsnachweise

• Schwallwellenuntersuchung

Bild: www.illustrate.com

Der Auftrag an das Institut für Wasser und Gewässerentwicklung (IWG) bzgl. der wissenschaftlichen Planungs- und Optimierungsarbeiten zeigt die komplexen Fragestellungen auf, die im Rahmen Projektrealisierung zu lösen sind.

Der Vortrag behandelt im Folgenden nur die Untersuchungen und Ergebnisse zu der Kraftwerkszu- und Turbinenanströmung sowie die Entwicklung geschiebeabweisenderMaßnahmen.



Hybride Modellierungsmethode




Definition: „Hybride Modellierung“

• „Hybrid“ : aus unterschiedlichen Arten oder Prozessen zusammengesetztes Ganzes

• Gesamtmodell: Reihe numerischer und physikalischer Teilmodelle

• Die einzelnen Teilmodelle werden nicht unabhängig voneinander betrieben, sondern über ihre Randbedingungen dynamisch miteinander gekoppelt.

Quelle: DVWK Schrift 39, 1984B

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Die Folie erläutert die grundlegende Definition des Begriffes „hybride Modellierung“




Modellarten und Zielsetzung

Quelle: Google maps 2007

Modellbereich: Rhein-km 105 bis 113

Hybrider Ansatz:Lose Kopplung mit H-, Q- und v-Werten zwischen

→ 1D- und 2D-HN-Modelle (OW & UW),

→ Physik Modell M 1:80 und Ausschnittsmodell M1:30,

→ 3D-HN Modell (M 1:30)

2D-HN ModellOberwasserbereich

2D-HN ModellUnterwasserbereich

Physik. Modell 1:80Zu- und AbströmungGeschiebekonzept

Physik. Modell 1:30Turbinenanströmung

3D-HN-Modell (1:30)Variantenstudium

2D HN

2D HN3D HN

1:301:80

Diese Folie skizziert die praktische Anwendung der „hybriden Modellierung“ im Fall der zuvor genannten Untersuchungen zum Neubau des Wehrkraftwerkes Dogern.




Koppelung der Modelle

ÜbergabeprofilNumerisches 2D M. → Physikalisches M.

Georeferenzierte CAD Datei

Hier wird graphisch das Prinzip der „losen Modellkoppelung“ veranschaulicht. An einem definierten Übergabequerschnitt werden vom 2D numerischen Modell die berechneten hydraulischen Parameter in Form von Kalibrierungsdatensätzen an das physikalische Modell übergeben.

Analog verhält es sich mit der Datenkommunikation zwischen den beiden physikalischen Modellen (Maßstab 1:80 auf Maßstab 1:30) und dem physikalischen Modell Maßstab 1:30 mit dem 3D numerischen Modell.

Im letztgenannten Fall findet der Datenaustausch nicht nur in eine, sondern in beide Richtungen, also vom phys. Modell auf das num. Modell und umgekehrt statt. Dadurch können infolge gegenseitiger Parametervalidierungen Maßstabseffekte eingeschätzt und Modellverfahren optimiert werden.





Diese Grafik zeig exemplarisch die Übergabe von Fließvektoren und –geschwindigkeitenzwischen dem 2D numerischen Modell und dem physikalischen Modell Maßstab 1:80.





Diese animierte Folie verdeutlicht den Kalibrierungsprozess. Durch den gezielten Einbau unterschiedlich starker Beruhigungswände werden im physikalischen Modell die hydraulischen Kenngrößen gemäß den Vorgaben aus den numerischen Berechnungen eingestellt.

Dieser Prozess besteht in der Praxis i.d.R. aus mehreren Arbeitsschritten, die nacheinander durchlaufen zu einer iterativen Annäherung an die Soll-Werte ergeben.



Modellversuche

→ Optimierung der Zulaufströmung zum Wehrkraftwerk

→ Turbinenanströmung




Modellversuche 1932 von Theodor Rehbock

1500 m³/s

800 m³/s

700 m³/s

300 m³/s

400 m³/s

Bereits im Rahmen der Planungen zum alten Kraftwerk „Albruck-Dogern“ wurden 1932 durch Prof. Theodor-Rehbock im Karlsruher Wasserbaulabor Modellversuche durchgeführt. Das Foto zeigt die hydraulische Situation am Ausleitungswehr Dogern.

Deutlich zu erkennen ist eine zirkulierende, ortsfeste Walze am Schweizer Ufer vor den Wehrfeldern. Genau an dieser Stelle soll der Einlaufbereich zum neuen Wehrkraftwerk Dogern eingerichtet werden.

Bereits hieraus werden die zu erwartenden hydraulischen Problem hinsichtlich einer verlustfreien Anströmung des neuen Kraftwerkes deutlich.

Daraus folgen zunächst gründliche Studien des derzeitigen „Ist-Zustandes“ am physikalischen Modell, um das Strömungsverhalten realistisch einschätzen zu können.




Modellplanung und -aufbau

Aufgrund aktueller Bauwerks- und Gewässergeometriedaten konnten die physikalischen Modelle und das 3D numerische Modell sehr detailliert geplant und gebaut werden.




Modellähnlichkeit

Die Animation zeigt anschaulich die Ähnlichkeit zwischen Natur und physikalischem Modell auf.




Vordimensionierung Turbineneinlauf (M 1:80)

Q = 1040 m³/s

Dokumentation Oberflächenströmung ↓

↑ Dokumentation Sohlenströmung

Am kalibrierten physikalischem Modell im Maßstab 1:80 wurden die Walzenströmungen im „Ist-Zustand“ untersucht und für verschiedene relevante Betriebszustände dokumentiert.




Vordimensionierung Turbineneinlauf (M 1:80)

Die in dieser Folie dargestellten Fotos zeigen authentisch auf, mit welchen relativ einfachen Mitteln am physikalischen Modell ein „Strömungsgefühl“ entwickelt werden kann und wie die ersten qualitativen Variantenuntersuchungen durchgeführt werden.

Durch Zugabe von Farbtracer wird der Strömungsverlauf sichtbar gemacht.




Optimierung Turbinenanströmung (M 1:30)

Nachdem durch die Voruntersuchungen am physikalischen Modell Maßstab 1:80 eine relativ gute hydraulische Kontur zur möglichst verlustfreien Kraftwerksanströmung erarbeitet wurde, fand der Einbau dieser Variante im physikalischen Modell Maßstab 1:30 statt.

Die in diesem Modell messtechnisch erhobenen hydraulischen Parameter dienten zum Kalibrieren des 3D numerische Modells.




Modellaufbau und -kalibrierung 3D-HN-Modell

• Hochaufgelöste hydrographische Vermessungsdaten

• Querprofile im Abstand von ca. 200 m

• Detaillierte Bauwerkspläne

• Bauwerksfotos

• Strömungs- und Wasserstandsparameter aus 2D-HN-Modell

• Strömungsparameter aus physikalischem Modell 1:30

Der Aufbau des 3D numerischen Modells beruht auf der selben Datengrundlage wie beim physikalischen Modell.

Im 3D numerischen Modell ist es im Vergleich zum physikalischen Modell jedoch relativ einfach, Änderungen an den hydraulischen Bauwerkskonturen zu simulieren. Daher wurden zunächst im numerischen Modell die Ergebnisse aus den physikalischen Voruntersuchungen weiter optimiert.

Parallel dazu fand eine Weiterentwicklung und Validierung der numerischen Berechnungsmethoden an Messdaten aus dem physikalischen Modell statt.




• Vergleich des Strömungsverhaltens im Ausgangsentwurf

3D-HN-Modell: Variantenstudium Turbinenanströmung

Phys. Modell 1:30 3D-HN-Berechnung

Geschwindigkeiten in m/s

Diese Abbildung veranschaulicht eindrucksvoll die gute Übereinstimmung der Strömungsablösung am Trennpfeiler für den Ausgangsentwurf:

Links die mit Tracerfarbe sichtbar gemachte Strömungsablösung im physikalischen Modell. Rechts die mit dem 3D numerischen Modell berechneten Fließvektoren und –geschwindigkeiten.




• Vergleich des Strömungsverhaltens im Ausgangsentwurf


Berechnete Ablösungen

Phys. Modell 1:30 3D-HN-Berechnung

Diese Abbildung veranschaulicht ebenfalls die gute Übereinstimmung der Strömungsablösung am Trennpfeiler für den Ausgangsentwurf:

Links die mit Tracerfarbe sichtbar gemachte Strömungsablösung im physikalischen Modell. Rechts als Animation die mit dem 3D numerischen Modell berechneten Ablösungsturbulenzen.




• Darstellung von Stromlinien im Turbinenzulauf (Ausgangsentwurf)


Diese Computeranimation simuliert zum einen die Zuströmung zum Kraftwerk und zum anderen die Strömungsausrichtung im Bereich vor der Turbine.

Durch den Einbau dieser Geometrievariante im physikalischen Modell Maßstab 1:30 konnten die im numerischen Modell erarbeiteten Strömungskonturen überprüft und bestätigt werden.




Strömungsverhalten im phys. Modell 1:30

Die Visualisierung der Zuströmung im physikalischen Modell lässt analog zu den Berechnungen im 3D numerischen Modell eine nahezu ablösungsfreie Strömung erkennen und bestätigt den Ausführungsvorschlag.




Ausgangsentwurf vs. Ausführungsvorschlag

Ausgangsentwurf Ausführungsvorschlag

• Trennpfeiler breiter und kürzer

• Lage der Turbine weiter unterstrom • Einlaufbereich breiter und länger

• Zusätzliche Leitwand

Diese Grafik vergleicht die Unterschiede zwischen dem Ausgangsentwurf und dem erarbeiteten Ausführungsvorschlag.

In der Seitenansicht ist die schlankere Zulaufkontur deutlich zu erkennen. Der Grundriss zeigt dem gegenüber eine stärkere Profilierung der Zulaufkonturen auf.




• Vergleich Ausgangsentwurf und Ausführungsvorschlag


Ausgangsentwurf Ausführungsvorschlag

Im 3D-Modell wurde zudem die direkte Anströmung der Turbine überprüft.

Gemäß dem Turbinenhersteller wird hierfür die Randbedingung formuliert, dass eine sehr gleichmäßige Anströmung mit konzentrisch verlaufenden Isotachen für einen optimalen Turbinenbetrieb notwendig ist.




Turbinenanströmung: Nachweis im phys. Modell 1:30

Ausführungsvorschlag:

Geschwindigkeitsverteilung in der

Bulpebene

Mittels eines Akkustik-Doppler-Velicometers konnten im physikalischen Modell die Strömungsparameter direkt vor der Turbine quantifiziert werden.

Dazu wurde eine Messebene mit rasterförmiger Messpunktanordnung in der sog. Bulpebene unmittelbar vor dem Turbinengehäuse definiert. Für jeden Messpunkt wurden die dreidimensionalen Geschwindigkeitsvektoren eingemessen.




+ 2,5 % + 4,7 %

- 2,5 %- 4,7 %

Turbinenanströmung: Nachweis im phys. Modell 1:30

Durch mathematische Interpolation von Werten zwischen den punktuellen Messwerten erfolgte eine Isotachendarstellung. Sie dient als Grundlage für die Bewertung der Gleichmäßigkeit der Turbinenanströmung.

Innerhalb der Messebene wurden vier gleich große Quadranten gebildet. Für diese Quadranten wurde anhand der Isotachen ein Mittelwert der Strömungsgröße berechnet.

Gemäß der Vorgabe des Turbinenherstellers darf im Sinne der Gewährleistung einer gleichmäßigen Anströmung die Abweichung der quadrantenspezifischen Mittelwerte nicht größer/kleiner als 5% des Mittelwertes der gesamten Messebene sein.

Wie aus der Grafik ersichtlich wird, kann der erarbeitete Ausführungsvorschlag diese Forderung erfüllen.




Physikalisches Modell M 1:30: Einfluss der Rechenträger

Weitere strömungsbeeinflussende Details wurden im physikalischen Modell ebenfalls untersucht: Hier dargestellt ist der Einfluss des Rechenträgers vor der Turbine auf das Anströmungsverhalten.

Für solche Detailbetrachtungen bietet sich das physikalische Modell im vergleich zum 3D numerischen Modell eher an, da solche Kleinteile relativ schnell eingebaut und verstellt werden können und sich deren Auswirkung durch Tracerzugabe sofort dokumentieren lässt.




Geschiebekonzept Oberwasser (Phys. Modell M 1:30)

Zur Verhinderung des Geschiebeeintritts in den Zuströmbereich der Turbine wurde am physikalischen Modell eine überkragend geformte Leitschwelle entwickelt. Hierunter bildet sich ein Spiralströmung aus, die den Abtransport von abgelagerten Geschiebe bewirkt.




Erarbeiteter Ausführungsvorschlag für den Zulaufkanal

In diesem Bild ist der erarbeitete Ausführungsvorschlag dargestellt.




Erfahrungen aus den numerischen Untersuchungen

Zusammenfassung

• Numerische Modelle decken große Bereiche ab

• Numerische Modelle liefern wichtige Randbedingungen

• Geometrisches Variantenstudium mit 3D-HN-Modellen praxistauglich

Erfahrungen aus den physikalischen Untersuchungen

• Durch provisorische Änderungen: „Strömungsgefühl“

• Genaue Quantifizierbarkeit relevanter Strömungsparameter

• Geschiebebetrachtungen

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Diese Folie nennt zusammenfassend die Erfahrungen bzgl. des Einsatzes der numerischen und physikalischen Modelle in diesem Projekt.




Ausblick

Empfehlung: Anwendung der hybriden Modellierungsmethode

→ Numerische Voruntersuchungen (geom. Variantenstudium)und hydraulische Optimierung am physikalischen Detailmodell (Ausführungsvorschlag)

Vorteile:

→ Zeit- und Kostenersparnis

→ Ausnutzung der modellspezifischen Vorteile

→ paralleles Arbeiten im Expertenteam möglich(„kreatives Netzwerk“)

→ gegenseitige Validierung

→ Schließen von Datenlücken

→ Umfassende projektspezifischeUntersuchungsmöglichkeiten

→ Geeignet auch für Kleinwasserkraft!

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Diese Folie stellt einen Ausblick dar.



Danke für die Aufmerksamkeit!

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