Hybride Stromungsmodelle
Gudrun ist f\xfcr die aktuelle Episode zu Gast in der Bundesanstalt f\xfcr Wasserbau (BAW) am Standort in Karlsruhe. Die BAW ist etwa so alt wie die Bundesrepublik und grob gesagt zust\xe4ndig f\xfcr technisch-wissenschaftliche Aufgaben in allen Bereichen des Verkehrswasserbaus an den Bundeswasserstra\xdfen und f\xfcr Spezialschiffbau. Dabei ber\xe4t sie die Wasserstra\xdfen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV). Heute ist der Hauptsitz der BAW in Karlsruhe. Daneben gibt es noch einen Standort in Hamburg. Der Anlass des Besuches ist diesmal der Abschluss der Masterarbeit von Axel Rothert zu einer Fragestellung aus der BAW in Karlsruhe. Der Titel der Arbeit ist "Hybride 2D-3D-Simulation von Str\xf6mungsprozessen im Nah- und Fernfeld von Wasserbauwerken in OpenFOAM". Sie entstand in enger Zusammenarbeit mit den Kollegen Dr.-Ing. Carsten Thorenz und Franz Simons im Referat Wasserbauwerke der BAW. Nach dem Abschlussvortrag hat sich Gudrun mit Franz Simons und Axel Rothert \xfcber die Ergebnisse der Arbeit unterhalten. Neben traditionellen mathematischen Modellen, die durch physikalische Experimente kalibriert und erprobt werden, haben sich durch den technischen Fortschritt der letzen Jahrzehnte numerische Simulationen inzwischen fest etabliert. Einerseits, um numerische N\xe4herungsl\xf6sungen f\xfcr die partiellen Differentialgleichungen des mathematischen Modells zu liefern, andererseits aber auch zur Durchf\xfchrung virtueller Experimente. Die Simulation von hydrodynamischen Vorg\xe4ngen ist hier ein gutes Beispiel. Das Flie\xdfen von Wasser muss mit Gleichungen beschrieben werden, die wiederum numerische L\xf6sungen brauchen, wobei durch deren Komplexit\xe4t auch gleich noch Anspr\xfcche an entweder Hochleistungsrechentechnik (und damit Parallelisierung) oder andererseits gut begr\xfcndete Vereinfachungen erhoben werden m\xfcssen. Das ganze muss verl\xe4ssliche Aussagen liefern, damit die BAW z.B. die Hochwasserneutralit\xe4t eines Wasserbauwerks garantieren kann bevor es endg\xfcltig geplant und gebaut wird. Dabei werden in der dortigen Praxis beide Wege beschritten: man investiert in modernste Rechentechnik und benutzt erprobte Vereinfachungen im Modell. Im Kontext der Umstr\xf6mung von Wasserbauwerken haben unterschiedliche Regionen verschiedene dominierende Str\xf6mungsprozesse: in der N\xe4he des Bauwerkes gibt es eine starke Interaktion des Flie\xdfgew\xe4ssers mit dem Hindernis, aber in einiger Entfernung kann man diese Interaktion vernachl\xe4ssigen und den Modellansatz vereinfachen. Deshalb sollten im Nah- und Fernbereich unterschiedliche Modelle benutzt werden. Konkret sind es in der Arbeit die tiefengemittelten Flachwassergleichungen im Fernfeld und die Reynolds-gemittelten Navier- Stokes-Gleichungen (RANS) im Nahfeld der Wasserbauwerke. Wichtig ist dann nat\xfcrlich, wie diese Modelle gekoppelt werden. Da eine Informations\xfcbertragung sowohl stromaufw\xe4rts als auch stromabw\xe4rts m\xf6glich ist, ist eine Kopplung in beide Richtungen n\xf6tig. (...)