Erste Auswertungen der Messkampagnen von Bundes- und Landesbehörden bestätigen bisherige Modellrechnungen und verbessern das Verständnis von Hochwasserabläufen. Im Mai und Juni des Jahres 2013 traten in den deutschen Flussgebieten außerordentliche Hochwasser auf. Die Elbe wies in einigen Abschnitten neue Höchstwasserstände auf. Insbesondere aus der Saale strömten große Wassermassen in den Fluss ein, sodass das Hochwasser unterhalb der Saalemündung deutlich höher auflief als beim Sommerhochwasser 2002; bei Magdeburg-Buckau lag der Scheitel 75 cm über dem bisherigen Höchststand. Um die Elbe zu entlasten, aktivierte man den Elbe-Umflutkanal bei Magdeburg, sperrte Nebenflüsse ab und setzte die Havelniederung kontrolliert unter Wasser. Auch durch einige Deichbrüche wurden teilweise erhebliche Volumina aus der Elbe abgeführt. Das führte zu einem Absunk der Wasserspiegel im Bereich mehrerer Dezimeter. Trotzdem wurde in Magdeburg nach Angaben der Bundesanstalt für Gewässerkunde mit ca. 5.100 m3?s ein Hochwasser mit einem Wiederkehrintervall von 200 bis 500 Jahren erreicht. Mehrere Institutionen der Elbe-Anrainerländer und des Bundes führten Messungen während des Hochwassers durch. Die BAW benötigt insbesondere Messwerte von Oberflächen- und Grundwasser, um mit ihnen Modelle zu überprüfen. Hauptziel einer Messkampagne vom 7. bis 13. Juni 2013 war deshalb, zwischen Riesa bei Elbe (El)-km 106 und dem Wehr Geesthacht (El-km 586 ) nah am Hochwasserscheitel den Wasserspiegel etwa in der Flussachse zu messen. Begleitend wurden Durchflussmessungen durchgeführt, die dazu dienten, sowohl den Abfluss als auch Durchflussanteile und Fließgeschwindigkeiten zu ermitteln. Am 14. Juni 2013 wurden im Bereich der Deichrückverlegung Lenzen (bei El-km 480) zusätzlich Fließgeschwindigkeiten in den Deichschlitzen gemessen. Diese wurden durch punktuelle Grund- und Oberflächenwasser-Messungen ergänzt. Die Auswertung der Messungen wird noch geraume Zeit in Anspruch nehmen. Schon jetzt ist aber klar, dass die Ergebnisse von großem Nutzen sein werden, um die Prozesse in der Natur besser verstehen und beschreiben zu können. Auch tragen sie dazu bei, die Strömungsmodelle der (acronym = 'Bundesanstalt für Wasserbau') BAW zu validieren. Zwei erste Auswertungen machen dies deutlich.
Aufgrund bestehender Regularien (fehlende Zertifizierung und feste Einspeisevergütungen) und technischer Limitierungen werden Windparks derzeit kollektiv mit dem Ziel geregelt, den Ertrag zu maximieren. Zukünftig ist eine stärkere Flexibilisierung der Regelung im Hinblick auf optimalen Betrieb und Netzstabilisierung notwendig, um den steigenden Anteil erneuerbarer Energieträger besser zu integrieren. Dies bedeutet neben einem hohen Ertrag eine Ausschöpfung der Lebensdauer der einzelnen Komponenten der Windenergieanlagen (WEA) sowie deren Regelung aufgrund der Anforderungen aus dem Netz. Dies kann beispielsweise durch die Steuerung der Nachläufe von WEA geschehen, bei der tiefer im Windpark stehende WEA eine höhere Stromproduktion erreichen. Die übergeordneten Ziele von FlexiWind bestehen aus der Erforschung des Potenzials und des Einflusses von flexiblen Regelungsstrategien an WEA bzw. Windparks. Im Teilvorhaben soll dazu die Strömungsmodellierung im Windpark für den Einsatz in aeroelastischen Simulationen weiterentwickelt werden. Dies soll zu einer erhöhten Genauigkeit und Recheneffizienz der Strömungssimulation führen, um möglichst viele Betriebsbedingungen im Windpark abzudecken. Mit recheneffizienten aeroelastischen Simulationen soll eine umfangreiche Datenbank erstellt werden, mit welcher Ersatzmodelle für die Strukturbelastung der Turbinen abgeleitet werden können. Flexible Regelungsstrategien für den Windpark werden im Teilvorhaben für aeroelastische Simulationen adaptiert und in einer Langzeitbetrachtung unter Berücksichtigung von Rahmenbedingungen (z.B. Strompreisinformationen) sowie Nutzung der Ersatzmodelle optimiert. Schlussendlich wird eine umfangreiche Analyse der Unsicherheiten (z.B. resultierend aus der Strömungsmodellierung, Abschätzung der Strukturlasten, Strompreis, Reglerverhalten) durchgeführt und Empfehlungen für die Implementierung von flexiblen Windparkregelungsstrategien abgeleitet.
Fuer zahlreiche Fragestellungen im Zusammenhang mit der Deponierung von Abfaellen, der Altlastensanierung, der Grundwassergewinnung und der Nutzung geothermischer Energie sind Modelluntersuchungen im Kluftgestein durchzufuehren. Dabei sind einerseits geringleitende Formationen fuer die Deponierung von Interesse, die eine wirksame geologische Barriere zur Isolierung von Schadstoffen bilden, andererseits geht es um die Bewirtschaftung von Aquiferen zur Grund- und Thermalwassergewinnung. Die Simulation von Stroemungs- und Transportprozessen in klueftig-poroesen Grundwasserleitern und Grundwassergeringleitern stellt spezifische Anforderungen an die modelltechnische Umsetzung, die aus der signifikanten Inhomogenitaet des klueftigen Untergrunds erwachsen. Zur numerischen Simulation solcher Vorgaenge ist das Finite-Elemente-Programmsystem ROCKFLOW entwickelt worden. Das Programm besteht aus einer Reihe von FE-Rechnenkernen (Kernels), welche die prozessspezifischen Differentialgleichungen mittels Galerkin-FEM approximieren. Diese Rechenkerne sind miteinander verknuepfbar (Models), so dass gekoppelte Prozesse (z.B. Tracertransport durch eine Gasstroemung) simuliert werden koennen. Physikalische Prozesse: Folgende physikalische Prozesse sind modellierbar: - Grundwasserstroemung (Sicker- und Kluftstroemung) - Gasstroemung (kompressible Fluide) - Mehrphasenstroemungen (Systeme aus in- und kompressiblen Fluiden) - nicht- (Forchheimer) und liniare Fliessgesetze (Darcy) - hydrodynamische Dispersion (Scheidegger-Ansatz) - Zerfallreaktionen - nicht- (Freundlich, Langmuir) und lineare Gleichgewichtssorption (Henry) - Dichtestroemungen. Numerik: ROCKFLOW ist ein Finite-Elemente-Simulator, wobei verschieden-dimensionale isoparametrische Elemente beliebig im Raum koppelbar sind. Auf der Basis der Methode der gewichteten Residuen wird eine zur prozessbeschreibenden Differentialgleichung aequivalente sog. 'schwache' Integralformulierung abgeleitet. Es stehen verschiedene Loeser zur Verfuegung (Gauss, BiCGSTAB, QMRCGSTAB), um die resultierenden albebraischen Gleichungssysteme zu loesen. Nichtlineare Probleme werden mit Picard- oder Newton-Verfahren behandelt. Gitteradaption: Ab der dritten Version stehen Methoden fuer eine problemangepasste Gitteradaption zur Verguegung. Der Algorithmus zur Gitteradaption basiert auf einem hierarischen Konzept zur Verfeinerung und Vergroeberung gekoppelter verschieden-dimensionaler Elemente. Diskretisierungsfehler koennen entweder mit heuristischen Indikatoren oder einem analytischem Estimator lokalisiert und quantifiziert werden.
ZIELSETZUNG Das Ziel des Arbeitsbereiches ist es durch Erforschung des Wirkungskreises Schadstoffemissionen und Immissionen sowie alternativer Kraftstoffe und Antriebe Grundlagen zur nachhaltigen Verbesserung der Lebensqualität zu erarbeiten. Die wichtigsten Forschungsgebiete sind die Messung und Simulation der Schadstoffemissionen von Kraftfahrzeugen, deren Ausbreitung und die dabei auftretenden luft-chemischen Reaktionen. SPEZIALGEBIETE - Messung und Simulation von Emissionen und Energieverbrauch des Verkehrs: - Prüfstandsmessungen und Simulation von Einzelfahrzeugen, Motoren und Aggregate (PKW und Nutzfahrzeuge) - Vergleichende Studien zu alternativen Antriebsarten und Kraftstoffen - Untersuchungen zu Eigenschaften und Anforderungen an Biodiesel - Emissions-Modellrechnungen für lokale, regionale und globale Problemstellungen - Strömungssimulation und Thermodynamik: - atmosphärische Strömungen in der Mikro und Mesoskala - technische Strömungen in Maschinen, Anlagen und Gebäuden - Turbulenzbetrachtungen in mikroskaligen Gebieten - Schadstoffausbreitung: - bei komplexen Verbauungen (Mikroskala) - einfaches und komplexes Gelände (Mesoskala) - Luftchemie - Messung von atmosphärischen Spurenstoffen: - Monitoring - 'Open-path remote sensing' Technologie Tunnellüftung - Lüftungsauslegung - Brandfall - Umweltverträglichkeitsuntersuchungen
Das Hauptziel des Projekts ist die Untersuchung und die Entwicklung von Methoden nicht nur zur punktuellen, sondern auch zur flächenhaften Bestimmung der Bodenfeuchte. Zur Anwendung sollen Geländetechniken wie Time-Domain Reflectrometry (TDR), Georadar (GPR), Elektrische Widerstand (ER), Elektromagnetische Induktion (EMI) sowie GNSS Scatterometry kommen. Eine der methodischen Hauptfragen ist die Nutzung der GNSS Scatterometry zur Ermittlung der Bodenfeuchte im Feldmaßstab. Eine weitere grundlegende Forschungsfrage wird die weitere Entwicklung der elektrischen und elektromagnetischen geophysikalischen Techniken für bodenkundliche Anwendungen sein.
Das Forschungsprojekt hat das Ziel, das Schwimmverhalten von kleineren Fischarten in Fischaufstiegsanlagen besser zur verstehen. In ethohydraulischen Versuchen wird die Bewegung von Fischen in unterschiedlich turbulenten Strömungen in einer Fischaufstiegsanlage untersucht. Aufgabenstellung und Ziel Fischaufstiegsanlagen (FAA) in Schlitzpassbauweise sind so bemessen, dass im Einstieg und in den Schlitzen hohe Strömungsgeschwindigkeiten auftreten. Diese dienen der schnellen Wanderung leistungsstarker Fischarten, können aber die bisher angenommene, experimentell ermittelte Leistungsfähigkeit kleiner und schwimmschwacher Arten überschreiten (z. B. Katopodis und Gervais 2016). Zudem treten in den Schlitzen Strömungsschwankungen verschiedener Größenordnungen auf, die in Versuchen zur Ermittlung der Leistungsfähigkeit nicht vorhanden waren. Beobachtungen kleiner Fische in solchen FAA legen nahe, dass diese leistungsfähiger sind als erwartet. Eine weitere Erklärung dafür kann sein, dass Fische die auftretenden Strömungsschwankungen für die Passage nutzen. Da nach der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie auch kleine Arten durchgängigkeitsrelevant sind und Schlitzpässe zu den bevorzugten Bauweisen gehören, ist es wichtig zu verstehen, wie solche Fische die Passage bewältigen. Im ersten Teil des vorliegenden FuE-Vorhabens wurde in ethohydraulischen Versuchen die Bewegung von Fischen unter unterschiedlich turbulenten Strömungsbedingungen in einem Schlitz beobachtet und die Passageraten der Fische ermittelt. Während der Versuche wurden Videos der Fischbewegung aufgezeichnet. Im zweiten Projektteil werden diese Daten hinsichtlich auftretender Bewegungsmuster als Reaktionen der Fische auf die unterschiedlich turbulenten Strömungen analysiert. Durch eine geeignete Parametrisierung der turbulenten Strömung kann die Passierbarkeit unterschiedlicher hydraulischer Szenarien bewertet werden. Mithilfe der Ergebnisse sollen hydraulische Parameter aus numerischen Strömungssimulationen oder Messdaten fischökologisch bewertet werden. Bedeutung für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) FAA müssen für alle Fischarten geeignet sein. FAA in Schlitzpassbauweise sind ein häufig verwendeter Bautyp, der vorrangig für stärkere Fischarten entwickelt wurde. Der Nachweis, dass dieser Bautyp für schwächere Arten geeignet ist, ermöglicht es der WSV, ökonomische und effiziente Anlagen zu bauen. Das Verständnis, wie Fische die Hydraulik der FAA beim Aufstieg nutzen, wird zudem eingesetzt, um die Ergebnisse hydraulischer Modelle nicht standardisierter Bauteile aus fischökologischer Sicht zu bewerten. In vorherigen Forschungsvorhaben wurde bereits der Einfluss von Fließgeschwindigkeiten (Schütz et al. 2024) und einer rauen Sohle (Wiering et al. 2024) auf die Fischpassage in Engstellen untersucht. Untersuchungsmethoden Der Untersuchungsbereich befindet sich in einer 2,5 m breiten und 50 m langen Rinne in der Versuchshalle der BAW in Karlsruhe. Die Strömungsverhältnisse im Schlitz und im Unterwasser wurden mit einem Acoustic Doppler Velocimeter (ADV) an über 300 Punkten in zwei horizontalen Ebenen (bodennah und in der Mitte der Wassersäule) vermessen. Aus den Zeitreihen der Strömungsgeschwindigkeiten wurden die mittleren und turbulenten Kenngrößen bestimmt. Die im Jahr 2022 und 2023 durchgeführten Versuche wurden mit ca. 350 aus umliegenden Fließgewässern entnommenen Fischen der Arten Gründling (Gobio gobio) und Rotauge (Rutilus rutilus)für einen turbulenten und wenig turbulenten Strömungszustand durchgeführt. Während der Versuche wurden die Fischbewegungen mit Videokameras aus verschiedenen Blickwinkeln mit einer Frequenz von 19 Bildern pro Sekunde aufgezeichnet. Aus den Videos wurden in mehreren Schritten dreidimensionale Pfade der Fischbewegungen ermittelt. Dazu wurden für insgesamt 30 Versuche Videosequenzen identifiziert, in denen Fische sich in einem definierten Bereich unterhalb des Schlitzes aufhalten. (Text gekürzt)
Berechnung und Messung von Schiffswellen in seitlich begrenztem Fahrwasser Wie weit reichen die schiffserzeugten Wellen und Strömungen des Primärwellensystems eines Schiffes? Neben der Beantwortung dieser Frage soll zusätzlich der validierte Bereich vom Nahfeld des Schiffs in Richtung Ufer vergrößert werden. Dazu werden bestehende Messverfahren zur Vermessung der Wasseroberfläche eingesetzt. Aufgabenstellung und Ziel An den Seehafenzufahrten liegen seitlich der Fahrrinne häufig sehr weitläufige und flache Gewässerbereiche oder angrenzende Strukturen wie Hafenbecken und Seitenarme. In diesen Bereichen beruht die Prognose von Ausbreitung und Wirkbereich schiffserzeugter Primärwellen derzeit auf vereinfachten Annahmen und theoretischen Überlegungen oder muss sehr aufwändig im gegenständlichen Modell mit einem hohen Personal- und Sachmitteleinsatz untersucht werden. Die Relevanz dieser Gewässerbereiche nimmt aufgrund ökologischer Aspekte oder verstärkter Betroffenheiten zu, sodass die Prognosesicherheit der schiffserzeugten Belastungen hier verbessert werden muss. Das bereits zur Berechnung von Schiffsdynamik und schiffserzeugten Belastungen eingesetzte CFD-Verfahren (numerische Strömungssimulation) wird für die projektpraktische Anwendung im Böschungs- und Uferbereich eingerichtet und anhand von Messdaten aus dem Labor und aus der Natur validiert. Anhand von systematischen CFD-Untersuchungen wird ermittelt: (i) unter welchen Bedingungen weit von der Fahrrinne entfernt liegende Böschungs- und Uferbereiche durch schiffsinduzierte Wellen und Strömungen belastet werden, (ii) unter welchen Bedingungen eine Belastung von Böschungen und Ufern entsteht, die sich nicht durch eine lineare Übertragung der Belastungen am Böschungsfuß der Fahrrinne herleiten lässt und (iii) wie sich die Primärwelle in angeschlossenen Gewässerbereichen, bspw. Hafenbecken und Seitenarmen, ausbreitet und quantitativ auswirkt. Bedeutung für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) Um Fragestellungen in der Fachaufgabe Wechselwirkung Seeschiff/Seeschifffahrtsstraße effizient bearbeiten zu können, wurde die Methode der numerischen Strömungssimulation eingeführt. Die Verfügbarkeit eines numerischen Strömungsmodells zur Vorhersage fahrdynamischer Größen und Strömungsbedingungen im Flachwasser ist bei vielen Aufgaben der WSV erforderlich. Zusätzlich zu dem Fokus auf die Schiffsdynamik ist eine Aussage zu der schiffserzeugten Belastung notwendig. In diesem FuE-Projekt soll die Prognosefähigkeit des CFD-Verfahrens insbesondere in Ufer- und Seitenbereichen deutlich erhöht werden. Neben der Verfügbarkeit einer prognosefähigeren Methode werden außerdem anhand der Untersuchungen allgemeingültige Zusammenhänge ermittelt. Damit ist zukünftig für einfache Sachverhalte eine Ableitung der Ausbreitung und Wirkung von Schiffsprimärwellen in Seeschifffahrtsstraßen ohne aufwändige CFD-Simulation möglich. Untersuchungsmethoden Um die oben aufgeführten Ziele zu erreichen, wird das kommerziell verfügbare, bereits seit vielen Jahren in der BAW eingesetzte und für die unterschiedlichen Fragestellungen validierte CFD-Softwarepaket STARCCM+® genutzt (Bechthold und Kastens 2020, Kochanowski und Kastens 2022, Delefortrie et al. 2023). Im Bereich Naturmessungen soll durch Einsatz neuer Vermessungsmethoden, die in der BAW bereits vorhanden sind, eine Verbesserung von Wellen- und Strömungsdaten angestrebt werden, um flächenhafte Daten zum Schiffswellensystem zu erheben. Mit diesen neuen flächenhaften Daten und bereits vorhandenen punktuellen Daten aus dem physikalischen Modellversuch soll das CFD-Verfahren jenseits des Nahbereichs um das Schiff weiter validiert werden. Das validierte Verfahren wird dann für systematische Untersuchungen flacher, weitläufiger Bereiche und angeschlossener Gewässerteile genutzt.
Wasserstoff nimmt in der zukünftigen Energieversorgung einen wichtigen Stellenwert ein. Zur Verdichtung und Verflüssigung von Wasserstoff und anderen Energieträgern werden häufig Radialverdichter als Anlagenkomponente eingesetzt. Diese sind aufgrund ihrer hohen Stufendruckverhältnisse, ihrer Robustheit, ihrer niedrigen Investitionskosten sowie der guten Regelbarkeit besonders geeignet. Eine Erweiterung ihres stabilen Betriebsbereiches ist aufgrund der fluktuierenden Überschüsse der erneuerbaren Energien durch den zusätzlichen Einsatz eines Casing Treatments (CT) wünschenswert. Im Rahmen dieses Vorhabens wird ein CT für eine industrielle Radialverdichterstufe mit Vorleitrad (VIGV) ausgelegt und in den bestehenden Prüfstand integriert. Aufgrund der starken Wechselwirkung zwischen dem Laufrad und dem CT muss der Aspekt der Instationarität bereits in der Auslegung berücksichtigt werden, um ein effektives Design zu entwickeln. Aus diesem Grund wird die Auslegung bzw. Optimierung erstmalig mit Hilfe eines Frequenzbereichsverfahrens durchgeführt werden. Die Verwendung effizienter Simulationsverfahren ermöglicht es, komplexe instationäre Problemstellungen auch mit hoher Anzahl an freien Parametern mit vertretbaren Ressourcenaufwand zu lösen. Die experimentellen Messkampagnen untersuchen erstmalig, in welchem Maße bei verschiedenen Drehzahlen die Kennfeldbreite des Radialverdichters mithilfe der Kombination aus CT und VIGV erweitert wird. Es soll geklärt werden, inwiefern der Vordrall des VIGVs die Wirksamkeit des CTs beziehungsweise die Stabilität der Stufe beeinflusst. Von besonderem Interesse sind der Entstehungsort und der Mechanismus der Strömungsphänomene, die zur Stabilitätsminderung führen. Zuletzt wird der Einfluss des CTs auf den Wirkungsgrad des Radialverdichters untersucht. Die gleichzeitig durchgeführten instationären Strömungssimulationen vervollständigen das physikalische Verständnis der geplanten Messkampagne.
Ein Schwerpunkt der Arbeiten befasst sich mit der Konzeption eines elektronischen Hochdruck-Dieseleinspritzsystems. Im Rahmen dieses Forschungsschwerpunktes wurde ein elektronisches Speichereinspritzsystem konzipiert, bei dem durch Trennung von Foerderung und Zumessung moeglichst wenig prinzipielle Restriktionen aufgebaut werden. Das Konzept basiert auf der Kombination einer sitzlochgebohrten Einspritzduese als aktives, querschnittsteuerndes Element mit einem piezoelektronischen Translator, der eine extrem schnelle Ansteuerung der Duesennadel mit entsprechend hohen Kraeften erlaubt. Nach einer Betrachtung der in der Vergangenheit vorgeschlagenen Speichereinspritzsysteme wurde das System, bestehend aus Injektor, Hochdruckversorgung und Steuerungselektronik, ausgelegt. Die qualitative Simulation der Duesenstroemung untermauert die Brauchbarkeit der Sitzlochduese als querschnittssteuerndes Zumessventil.
| Origin | Count |
|---|---|
| Bund | 1062 |
| Land | 6 |
| Wirtschaft | 1 |
| Wissenschaft | 5 |
| Type | Count |
|---|---|
| Daten und Messstellen | 1 |
| Ereignis | 1 |
| Förderprogramm | 1053 |
| Text | 8 |
| unbekannt | 8 |
| License | Count |
|---|---|
| geschlossen | 10 |
| offen | 1060 |
| unbekannt | 1 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 1004 |
| Englisch | 168 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Archiv | 2 |
| Bild | 2 |
| Dokument | 5 |
| Keine | 624 |
| Unbekannt | 1 |
| Webdienst | 1 |
| Webseite | 439 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 645 |
| Lebewesen und Lebensräume | 704 |
| Luft | 597 |
| Mensch und Umwelt | 1071 |
| Wasser | 609 |
| Weitere | 1060 |