Strömungen einfach berechnen: Nachschlagwerk zu hydraulischen Transienten veröffentlicht
Der ZHAW-Forscher Zhengji Zhang hat eine Monografie veröffentlicht. Sein Werk behandelt Strömungsvorgänge in Wasserkraftwerken und offenbart eine einfache Lösung für ein komplexes Berechnungsproblem.
Druckstösse in Wasserkraftwerken sind unvermeidlich. Sie treten immer dann auf, wenn Pumpen oder Turbinen gestartet, gestoppt oder reguliert werden. Als Folge davon steigt der Druck in Wasserleitungen plötzlich an oder sinkt ab. «Man nennt die Druckstösse deshalb auch Wasserhammer», erklärt Zhengji Zhang vom ZHAW-Institut für Energiesysteme und Fluid-Engineering (IEFE) und ergänzt: «Die Strömungsvorgänge, die mit Druckstössen auftreten, werden hydraulische Transienten genannt.»
Genau um diese hydraulischen Transienten geht es in Zhangs Monografie. Er sagt: «Die Transienten bestimmen nicht nur das Baukonzept eines Wasserkraftwerks, sondern auch dessen täglichen Betrieb.» Druckstossberechnungen seien deshalb von zentraler Bedeutung. Dank ihnen können Druckstösse und Druckerhöhungen in Rohrleitung unter Kontrolle gebracht werden.
Die Berechnung ist aufwändig
«Es ist eine unschöne Tatsache, dass Druckstösse in der Wasserkraft nicht ohne Weiteres berechnet werden können», gibt Zhengji Zhang zu bedenken. Heute auf dem Markt erhältliche Programme basierten auf unterschiedlichen und teilweise umstrittenen Algorithmen. «Sie sind für uns Ingenieure schwer zugänglich und unzuverlässig.» Zudem müssen Rechenergebnisse in der Realität oft durch Messungen validiert werden.
Die heute verwendete Grundlage für Druckstossberechnungen ist die Method of Characteristics, kurz MOC. «Die Methode verlangt grosse Datenmengen, weshalb sie mit Programmen wie Excel nicht umzusetzen ist», sagt Zhengji Zhang. Darüber hinaus weisen die MOC-Berechnungen verschiedene Schwachstellen auf. «Erstens sind bis heute nicht alle Einflüsse auf Druckstossberechnungen restlos geklärt und zweitens sind die Rechenmethoden ziemlich chaotisch, wenn es um Anwendung und Interpretation bei Pumpen und Turbinen geht.» Dass in den meisten hydraulischen Systemen in Wasserkraftwerken Wasserschlösser installiert sind, erschwert die Berechnungen weiter.
Ein Buch liefert die Lösung
«In die Monografie sind Entwicklungen aus meinen persönlichen Einsätzen eingeflossen» sagt der IEFE-Forscher Zhengji Zhang. Sein Buch zeigt, dass hydraulische Transienten und damit Strömungsvorgänge einfach mit beispielsweise Excel berechnet werden können. «Es spielt keine Rolle, wie komplex das vorliegende System ist», ergänzt Zhang. Die einfache Berechnung ermöglicht es, Einflüsse auf den Systemdruck und die Systemstabilität zu untersuchen. «Die Berechnung kommt ohne umstrittene Annahmen aus», erklärt Zhengji Zhang. Das macht eine experimentelle Validierung der Berechnungsergebnisse überflüssig.
«Meine Monografie beschreibt Grundlagen von hydraulischen Transienten und Rechenmethoden», sagt Zhang. Seine Arbeit umfasst die Wave Tracking Method (WTM), präzise Anfangs- und Randbedingungen, den Einfluss von Ventilen, Generierung von Druckstössen, Erhaltungs- und Übertragungsgesetze von Druckwellen, Reibungsverluste und das dynamische Verhalten von Wasserschlössern. Aus all diesen Aspekten hat Zhang die direkte Rechenmethode MDC entwickelt. «Rechenbeispiele dazu sind ebenfalls im Buch enthalten», verrät der Forscher.
«Mit meinem Buch will ich eine Referenz für Selbstprogrammierung und Berechnung von hydraulischen Transienten bieten», sagt Zhengji Zhang. Damit soll das Buch allen Ingenieuren und Wissenschaftlerinnen in der Praxis als Nachschlagwerk dienen. «Ausserdem hoffe ich, dass die Rechenmethoden dereinst standardisiert werden.»
Online-Angebot
Zhengji Zhangs Monografie mit dem Titel "Hydraulic Transients and Computations" wurde von Springer verlegt.