Erschließung der automatischen Strömungsoptimierung zur Lösung von Gestaltungsaufgaben im Wasserbau

Demny, Gerd; Köngeter, Jürgen

doi:25826

Erschließung der automatischen Strömungsoptimierung zur Lösung von Gestaltungsaufgaben im Wasserbau

Demny, Gerd (Author)

2003 & 2004

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Gerd Johannes Wolfram Demny

ImpressumAachen : Shaker 2003

UmfangXXI, 203 S. : Ill., graph. Darst.

ReiheMitteilungen / Lehrstuhl und Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen ; 137

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2004

Druckausgabe: 2003. - Onlineausgabe: 2004

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Köngeter, Jürgen (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2004-08-24

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-9488
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/61795/files/Demny_Gerd.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Bauingenieurwesen (300000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Wasserbau (Genormte SW) ; Umströmung (Genormte SW) ; Optimierung (Genormte SW) ; Numerische Strömungssimulation (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Diffusor (frei) ; Laufwasserkraftanlage (frei) ; Trennpfeiler (frei) ; Strömungsmodellierung (frei) ; Strömungsoptimierung (frei) ; Quasi-Newton-Algorithmus (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Auslegung umströmter Bauwerke im Wasserbau ist häufig mit der Fragestellung nach einer optimalen Lösung verknüpft. Die Suche danach erfolgt in der Praxis mit Hilfe physikalischer oder numerischer Modelle in Verbindung mit dem Wissen, der Erfahrung und der Intuition des mit der Aufgabe betrauten Ingenieurs. In der vorliegenden Arbeit wird untersucht, inwieweit der Auslegungsprozess durch den Einsatz automatischer Optimierungsalgorithmen verbessert werden kann. Dazu wird ein auf die Anforderungen des Wasserbaus zugeschnittenes Konzept entwickelt, bei dem die numerische Strömungsmodellierung und der Optimierungsalgorithmus zum Werkzeug der automatischen Strömungsoptimierung verbunden werden. Auf der Grundlage einer umfangreichen Fehleranalyse anhand des Beispieles der Diffusorströmung werden Empfehlungen für die Ingenieurpraxis abgeleitet, durch die die Validität der automatischen Strömungsoptimierung für jeden Anwendungsfall überprüft und sichergestellt werden kann. Das große Potenzial der automatischen Optimierung wird anhand der Trennpfeileroptimierung einer kleinen Laufwasserkraftanlage nachgewiesen. Gegenüber bereits bekannten, günstigen Trennpfeilerkonturen kann der Strömungsverlust am Rechen mit Hilfe des neuen Werkzeugs nochmals reduziert werden. Dabei zeigt sich, dass nicht nur die Formgebung des Pfeilergrundrisses, sondern auch die vertikale Gestaltung des Pfeilers eine große Rolle spielen kann. Mit Hilfe der automatischen Strömungsoptimierung wird dabei eine Pfeilerkontur ermittelt, die auch unter konstruktiven Gesichtspunkten optimale Eigenschaften aufweist.

Today, numerical flow models are widely used tools in hydraulic engineering, as for the design of turbine intakes. In this field, problems are often closely linked to the question of an optimal solution depending on various influences. With the connection of an optimization algorithm and a flow model the tool of automatic optimization is created, which can be used to find the optimal solution. The intention of this thesis is to answer the question, if automatic optimization is a trustworthy tool and to what extend it can contribute to the design process in hydraulic engineering. The various types of problems in hydraulic engineering demand a flexible tool, which can be adapted to a specific application. A concept was developed, which easily allows the exchange of the modules of the automatic optimization. A comprehensive error analysis shows, how errors can impede a successful termination of the optimization process. In order to ensure a validated optimization, a stepwise process of error control was developed. The separation pier of a small water power plant was optimized to show the practical applicability of the new tool. The horizontal and the vertical shape of the pier were subject to optimization. In comparison to other, well known pier geometries the optimized contours offer an additional reduction of flow losses at the trash-rack. With the help of the automatic optimization a pier contour was identified, which also shows good properties regarding constructional demands.

OpenAccess:
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