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Fluid-Struktur-Wechselwirkung im Stahlwasserbau

Erstellt am: 27.02.2018 | Stand des Wissens: 05.08.2019
Auftraggeber / Förderer:   Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur
Auftragnehmer:   Bundesanstalt für Wasserbau
Projektkoordination:   Gebhardt, Dr.-Ing. Michael
Projektnummer:   B3953.03.04.70006
Projektvolumen:   < 500.000
Laufzeit:   2016/04 bis 2022/4
Projektstand:   laufend
Webseite:   http://www.baw.de/
Raumbezug:   Bundesrepublik Deutschland
Veröffentlichung:   [Göge17] Numerische Modellierung zur Untersuchung strömungsinduzierter Schwingungen im Stahlwasserbau
[Göge18] Numerical and Physical Study on Seal Vibrations at Hydraulic Gates
[Göge19] Untersuchung strömungsinduzierter Schwingungen am Beispiel eines unterströmten Segmentschützes
Sonstige Informationen:  
Das BAW-Forschungskompendium Verkehrswasserbau 2018 steht auf www.baw.de zum Download zur Verfügung.
Aufgabenstellung und Ziel
Strömungsinduzierte Schwingungen treten dann auf, wenn elastische oder elastisch gelagerte Körper derart umströmt werden, dass zeitliche oder örtliche Druckschwankungen in der Strömung anfachende Kräfte verursachen. Dabei können Dichtungen oder Teile von Verschlussorganen an Wehren und Schleusen betroffen sein. Im ungünstigsten Fall wird das gesamte Verschlussorgan zu Schwingungen angeregt. Das Forschungsvorhaben wird von Experten aus den Bereichen Stahlwasserbau, Strömungs- und Strukturmechanik sowie aus der Messtechnik bearbeitet. Ziel ist es, Ursachen und Mechanismen der strömungsinduzierten Schwingungen besser zu verstehen, bekannte Abhilfemaßnahmen zu prüfen und wo erforderlich, neue Konstruktionsempfehlungen zu entwickeln. Dabei kommen insbesondere In-Situ-Messmethoden und numerische Werkzeuge zur Simulation von Fluid-Struktur-Wechselwirkung zum Einsatz.
Bedeutung für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV)
Durch die Vielfalt an Verschlüssen und Wasserbauwerken an den deutschen Wasserstraßen sind auch die Schwingungserscheinungen entsprechend unterschiedlich. Betroffen sind Wehranlagen und Verschlüsse an Schleusen, wobei Schwingungen sowohl im Bestand wie auch an Neubauten auftreten. Im Bestand werden häufig individuelle betriebliche Lösungen angewendet. Ein Beispiel dafür sind Schützfahrpläne, in denen vorgegeben ist, welche kritischen Öffnungsweiten zu meiden und entsprechend zu durchfahren sind. Derartige Schützfahrpläne können auch bei automatisierten Anlagen umgesetzt werden. Daher ist es wichtig, die Betriebszustände zu kennen, in denen Schwingungen auftreten können. Idealerweise wird durch geometrische Veränderungen oder konstruktive Maßnahmen sichergestellt, dass in keinem Betriebszustand Schwingungen auftreten.
Untersuchungsmethoden
Mittels In-Situ-Messungen können charakteristische Größen einer Schwingung wie Amplitude und Frequenz, aber auch relevante Betriebszustände wie Öffnungsweite, Abfluss und Wasserstände bestimmt werden. Die Schwingungssignale geben Aufschluss über die mechanische Schwingung, allerdings sind die Ursachen vor Ort nur sehr schwer zu identifizieren. Druckänderungen können zwar mit entsprechenden Sensoren gemessen, schwankende Abflüsse und transiente Fließgeschwindigkeiten aber nicht bestimmt werden. Mit den Messdaten können aber numerische Modelle kalibriert werden, um diese für weitere Untersuchungen zu verwenden.
Hierbei werden mit der Software OpenFOAM die Strömung mit freiem Wasserspiegel und die Festkörperbewegung des Schützes gekoppelt simuliert. Damit können das transiente Strömungsverhalten im Nahfeld von schwingenden Wehren analysiert und schwingungsanregende Mechanismen erkannt werden. Die Berücksichtigung der Festkörperbewegung ist entscheidend bei der Untersuchung von sogenannten selbsterregten Schwingungen, wie sie im Wasserbau häufig vorkommen. Eine Untersuchung mit statischer Berandung gibt nicht ausreichend Auskunft über den anregenden Mechanismus. Zur Reduzierung des immensen Rechenaufwandes, der bei voller numerischer Kopplung von Strömung und Festkörperbewegung auftritt, wird die Untersuchung dahingehend vereinfacht, dass die Bewegung des Festkörpers mit bekannter Amplitude und Frequenz vorgeschrieben wird. Zur Quantifizierung des Schwingungsrisikos werden dann die schwingungsanregenden Kräfte in der Strömung ausgewertet und die Arbeit bestimmt, die dabei verrichtet wird.
Ansprechpartner
Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur
Bundesanstalt für Wasserbau
Literatur
[Göge17] Göbel, G., Gebhardt, M., Deutscher, M., Metz, W. Numerische Modellierung zur Untersuchung strömungsinduzierter Schwingungen im Stahlwasserbau, veröffentlicht in Wasserbauliche Herausforderungen an den Binnenschifffahrtsstraßen. Karlsruhe, 26. - 27. Oktober 2017, 2017
[Göge18] Göbel, G., Gebhardt, M., Deutscher, M., Metz, W., Thorenz, C. Numerical and Physical Study on Seal Vibrations at Hydraulic Gates, veröffentlicht in Proceedings of the 7th International Symposium on Hydraulic Structures, 2018
[Göge19] Göbel, G., Gebhardt, M., Deutscher, M., Metz, W. Untersuchung strömungsinduzierter Schwingungen am Beispiel eines unterströmten Segmentschützes, veröffentlicht in Kolloquium Hydraulik der Wasserbauwerke - Neues aus Praxis und Forschung, 20. - 21. Februar 2019, 2019

Auszug aus dem Forschungs-Informations-System (FIS) des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur

https://www.forschungsinformationssystem.de/?481155

Gedruckt am Mittwoch, 21. August 2019 17:51:43