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Integrierte Implizite Kanalnetzberechnung mit BaSYS-HydroCAD 1.Aachener Softwaretag in der Wasserwirtschaft 28.2.2007 bringing visions to life Dorsch Gruppe.

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1 Integrierte Implizite Kanalnetzberechnung mit BaSYS-HydroCAD 1.Aachener Softwaretag in der Wasserwirtschaft bringing visions to life Dorsch Gruppe

2 Dr. Raju Rohde/ Dipl.-Ing. Armin Müller Kanalnetzberechnung von A bis Z! Hydrodynamische Kanalnetzberechnung mit integrierter Langzeit- und Schmutzfrachtsimulation Kanalnetzberechnung von A bis Z! Hydrodynamische Kanalnetzberechnung mit integrierter Langzeit- und Schmutzfrachtsimulation BaSYS-HydroCAD

3 Das System BaSYS-L.E.O.Ganglinien-Volumen-MethodeHydrodynamische Kanalnetzberechnung Hydrodynamische Schmutzfrachtberechnung Hydraulische Objekte Inhalt Präsentation

4 StromStraßen EinleiterGas WasserKanal Berechnung Planung Erfassung Das System BaSYS L.E.O.

5 Wartung Finanzierungsplan Sanierung Betrieb Spülpläne Inspektionspläne Vermögen Anlagevermögen Restbuchwert Zustandsbewertung Schadensklassen Sanierungen Dringlichkeiten Hydraulik Auslastung Sanierung Kanaldatenbank Geometrie Hydraulik Kosten Betrieb Das System BaSYS L.E.O.

6 …40 Jahre in praktischer Anwendung…. Hydrodynamische Berechnung mit Berücksichtigung von Rückstau und Rückfluss... der Verbundwirkung in vermaschten Netzen... des Speichervermögens der Kanäle, Schächte und Becken Profile (TEIFUE) Teilfüllungskurvenberechnung für offene, geschlossene und gegliederte Querschnitte Oberflächenabflussmodell integriert in Transportmodell Hydrodynamische Niederschlagsabflussberechnung für durchlässige und befestigte Flächen Transportmodell (KANAL) Lösung der vollständigen Barré de Saint-Venant-Gleichungen Geregelte Pumpen, Schieber und Wehre Ganglinien-Volumen-Methode (GVM)

7 Naturregen Modellregen Starkregenauswertung Regenserien Bemessungsregen Versickerung modellspezifische Daten Einzugsgebiet Größe, Charakteristik Gefälle Fließweg Koordinaten Netztopologie Kanäle, Sonderbauwerke Netzgeometrie Koten, Haltungslängen, Profile modellspezifische Daten Regenmodell Oberflächen- abflussmodell Kanalnetzmodell Simulation mit BaSYS-HydroCAD (GVM) Oberflächen- daten Kanalnetz- daten Niederschlags- daten Niederschlags-Abfluss-Modell

8 Ortsbegehung Kartenwerk Kanaldatenbank Geometrie Hydraulik SonderbauwerkspläneDigitale Kanalnetzdaten Digitale Regendaten Wasserverbrauch, ED, … Datengrundlage

9 Definition beliebiger Querschnitte Definition der Profilquerschnitte als Polygonzug oder über geometrische Kenngrößen Geometrische Ähnlichkeit Geometrische Ähnlichkeit von Kanalquerschnitten unterschiedlicher Größe Hydraulische Kennwerte ALLER Profile Darstellung der geometrischen und hydraulischen Kennwerte aller Gerinne anhand dimensionsloser Werte Kanalprofile

10 Teilfüllungskurven Berechnung der Teilfüllungskurven offener und geschlossener Gerinne mit TEIFUE eine Teilfüllungskurve für alle geometrisch ähnlichen Profile Die Berechnung der Teilfüllungskurven ist nur einmal vor der Kanalnetzberechnung durchzuführen Kanalprofile

11 Rain Tool Eigenständige Software zur Ansicht und Aufbereitung von Niederschlagsdaten MD-Niederschlagsdaten Grafische Darstellung Analyse und Eingrenzung Auswertung und Auswahl Input für BaSYS HydroCAD Import Identifikation von Regenereignissen Generieren von Modellregen Export in XML-Datei

12 Nach DWA - A 118 (DIN-EN-752) Euler-Modellregen Modellregen(gruppe) Starkregenserien Rain Tool erzeugt aus Regenmassendaten folgende Bemessungsregen Rain Tool

13 Kontinuitätsgleichung : Oberflächenabfluss

14 Hydrodynamische Berechnung Oberflächenabfluss

15 Bezeichnung/ Eigenschaften Größe / berechnete Größe [ha] Oberflächentyp Befestigungsgrad GAMMA Schmutzwasser ED [l/(s*ha)] oder [E/ha] Industrielles Abwasser IW [l/s] oder [l/(s*ha)] Fremdwasserspende FREM [l/(s*ha)] oder [l/(s*km)] Oberflächenabfluss

16 Verkehrsflächen Straßen, Gehwege, Hofflächen,... Dachflächen Flachdächer, Steildächer,... Grünflächen Böschungen, landwirtschaftliche Nutzflächen, mit unterschiedlichen Eigenschaften: Größe, Fließweg Neigung Versickerungsvermögen Größe und zeitliche Abfolge der Verluste Überlagerung der einzelnen Abflussganglinien bei der Berechnung Oberflächenganglinien für die unterschiedlichen Oberflächentypen Oberflächenabfluss

17 Def: Anteil der befestigten Fläche an der Gesamtfläche der Teileinzugsfläche GAMMA = A befestigt / A gesamt Abfluss von der Teileinzugsfläche in die angeschlossene Haltung: Q = A gesamt ( q befestigt · GAMMA + q unbefestigt (1 - GAMMA) ) unbefestigt befestigt Fernerkundung Kalibrierung A red Befestigungsgrad

18 Vollständige Lösung der Saint-Venant-Gleichungen Instationärer, ungleichförmiger, diskontinuierlicher, strömender und schießender Abfluß Hydraulische Besonderheiten Senkungskurven an Abstürzen und bei Gefällswechseln Impulsverluste in Verbindungsbauwerken und bei Querschnittsänderungen Schachtverluste beim Einstau Speicherung in Schächten und Kammern Aufstau im Sammelgerinne hinter Streichwehren freier und rückgestauter Ausfluß unter Schützen Schwingungsvorgänge beim vollständigen Schließen von Schiebern Hydrodynamische Kanalnetzberechnung

19 Gleichungssystem

20

21 Nichtlineares Gleichungssystem Bewegungsgleichung (Saint-Venant) im Kanal Kontinuitätsgleichung (Saint-Venant) im Kanal Bewegungsgleichung und / oder Impulsgleichung am Knoten unten Kontinuitätsgleichung am Knoten oben Hydraulik

22 Lösungsverfahren Implizites Differenzenverfahren, Newton-Iteration und überlagertes, globales Relaxationsverfahren Numerisches Lösungsverfahren

23 Vorteile des impliziten Lösungsverfahren Keine Beschränkung der Länge der Berechnungsstrecken und der Zeitschritte durch das numerische Verfahren Courantsche Stabilitätskriterium Keine "Näherungslösungen" nötig für den Abfluss unter Druck (eingestautes Netz, Düker)Preissmann-Schlitz Genauigkeit der Volumenbilanz stets < 0,1 % Keine arbeitsaufwendigen und fehleranfälligen "Netzvereinfachungen Unveränderte (1:1) Übernahme der tatsächlichen Netzdaten aus der Datenbank Numerisches Lösungsverfahren

24 Anfangsbedingung: Stationärer Trockenwetterabfluß: Nachtminimum und Tagesspitze; häusliches Abwasser, Industrieabwasser, Fremdwasser Zufluß von den Oberflächen: Schmutz- und Regenwasser: gleichmäßig über die Haltungslänge verteilter seitlicher Zufluß Randbedingungen: oben: Zuflußganglinien: Übernahme von Zuflüssen von Nachbargebieten oder Gewässern unten: Rückstauganglinien: wahlweise Wasserstandsübernahme oder freier Ausfluß mit Grenztiefe oder schießender Wassertiefe Knoten: Schächte, Vereinigungs-, Verzweigungsbauwerke mit vom Programm aus der Netzgeometrie und -topologie ermittelten Verlustansätzen (Impuls- und Energiesatz) Numerisches Lösungsverfahren

25 Transportelemente Haltungen: Rohre, Kanäle und offene Gerinne mit beliebigem Sohlengefälle: ein- oder mehrteilige Profile (Trockenwetterrinne), wahlweise mit Ausflußmöglichkeit auf das Gelände (mit / ohne Rückfluß), oder als Druckrohre Betriebsrauheit nach Prandtl-Colebrook, oder Manning-Strickler Sonderbauwerke Knoten: Speicherbauwerk, Wehre, Streichwehre, Leapingwehre, Schälzungen, Rückhaltebecken: frei wählbare Überlauf- und Durchflußbeiwerte, Streichwehre mit/ ohne Sammelrinne Regelorgane Schieber, Wirbeldrosseln, Pumpen, Wehre, Klappen: frei wählbare Durchflußbeiwerte bzw. Kennlinien, geregelte Elemente als PID-Regler Hydraulische Objekte

26 Bezeichnung (Nummer) logische Verknüpfung Haltungsdaten Sohl- und Deckelkoten Haltungslänge Profilform und -abmessungen Reibungsparameter... Haltungsdaten

27 RÜ TB RÜB RRB Speicherbauwerke

28 Regelorgane (Schieber)

29 Regelorgane (Pumpe)

30 Berechnungsergebnisse

31 Berechnungsergebnisse Langzeitsimulation Überstaunachweis: Ergebnisse für jede Haltung

32 Berechnungsergebnisse Langzeitsimulation

33 Absetzwirkung in Becken und Stauraumkanälen Definition und Berechnung unabhängiger Ereignisse Niederschlag (Rain Tool) variable Bindung der Schmutzstoffe Freie definierbare Absetzwirkung getrennt für jedes Bauwerk Trockenwetter Werktage, Wochenende Häusliches und industrielles Abwasser Fremdwasser (Monatsgang) 25 Gangliniengruppen (Tagesgang) Schmutzparameter 6 Schmutzstoffe, Konzentration getrennt definierbar für jede Teileinzugsfläche Häusliches und industrielles Abwasser, Fremdwasser, Regenwasserabfluss von befestigten und unbefestigten Flächen Hydrodynamische Schmutzfrachtberechnung 2-(4)-Komponenten-Methode mit konstanten Konzentrationen pro Schmutzparameter

34 Stofftransport Kontinuitätsgleichung für den instationären, diskontinuierlichen Stofftransport (Chen, 1975) : mit der Stofffracht SF X, der durchflossenen Querschnittsfläche A, der Frachtkonzentration und den seitlichen Frachtzuflüssen SF TW,X und SF RW,X. Die Querschnittsfläche A und der Abfluss Q werden vorab mit Hilfe der Kontinuitätsgleichung und der vollständigen Bewegungsgleichung für den instationären Abfluss von B. de Saint-Venant ermittelt und sind daher bekannt.

35 Trockenwetter

36 Schmutzstoffe

37 Ergebnisse für jedes Sonderbauwerk Ergebnisse Schmutzfrachtberechnung Entlastungshäufigkeiten

38 Ergebnisse Schmutzfrachtberechnung

39 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Ihre Fragen beantworte ich gerne! Dr. Raju Rohde/ Dipl.-Ing. Armin Müller Hansastraße München Fon +49 (0)89 / Fax Internet: Danke für die Aufmerksamkeit!


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