Randebedingungen - Wasserkontakt bei DELPHIN 6.1
1. Überblick
Die Randbedingung Wasserkontakt modelliert einen direkten Kontakt der Oberfläche mit flüssigen Wasser. Dabei kann ein Wasserstrom in das Randelement auftreten. Dieser Wasserstrom kann über die Druckdifferenz zwischen äußeren Druck und Kapillarduck des Randelementes berechnet oder direkt angegeben werden. Weiterhin wird kontrolliert inwieweit das Randelement bereits mit Wasser gefüllt ist um Übersättigung zu vermeiden. Falls der Wassergehalt nahe der Sättigung ist, wird der Strom abgemindert bzw. abgeschaltet. Diese Randbedingung kann nur im detaillierten Oberflächenmodell verwendet werden.
Zusätzlich zum Flüssigwasserstrom wird auch dessen Enthalpie berücksichtigt. Dazu muss bei allen Arten eine Temperatur des Wassers als Klimabedingung mit angegeben werden.
Es gibt 3 Arten:
-
aufgeprägter Strom
-
Oberflächenwert
-
hydrostatisches Druckprofil
1.1. Aufgeprägter Strom
Hier wird ein Flüssigwasserstrom als Klimabedingung mit angegeben. Bei konstanten Werten muss der Strom in der Einheit kg/m2s angegeben werden. Falls eine Klimadatei im ccd-Format verwendet werden soll muss das Schlüsselwort WaterFlux verwendet werden. Hier ist ein Beispiel dafür:
# Das ist ein Beispiel WaterFlux kg/m2h 0 01:00:00 0.0 0 02:00:00 0.001 10 01:00:00 0.001 10 02:00:00 0.0 365 00:00:00 0.0
Auch hier wird, wie oben beschrieben, der Wasserfluss in der Nähe des effektiven Feuchtegehaltes des Randmaterials reduziert bzw. abgeschaltet. Unten sieht man noch den Dialog.
1.2. Oberflächenwert
Bei diesem Modell wird Wasser mit angegebenen Druck und Temperatur angesetzt.
gl - Flüssigwasserstrom in kg/m2s
Kl - mittlere Flüssigwasserleitfähigkeit des Randmaterials für den vorhandenen Wassergehalt
pe - Druck des außen anliegenden Wasser (in Randbedingung vorgegeben)
ps - Kapillardruck im Randelement
Δx - Dicke des Randelementes
Der Druck und die Temperatur werden als Klimadaten verwendet und können somit zeitabhängig sein. Der Druck selbst wird als Druckhöhe verwendet. Dies repräsentiert die Höhe einer Wassersäule. Diese Höhe kann auch negativ sein, was dann eine Zugspannung (Saugspannung) darstellt. Im Bild unten ist der Dialog für eine solche Randbedingung mit einer Saugspannung von -1mm (entspricht -10Pa) dargestellt. Die Umrechnung von Höhe zu Druck erfolgt mittel folgender Gleichung:
ρw - Dichte von Wasser (1000kg/m3)
g - Erdbeschleunigung - 9,81m/s2
h - Höhe der Wassersäule in m
1.3. Hydrostatischer Druck
Hier wird wie beim Modell davor ein Druck angegeben und daraus dann der Wasserfluss berechnet. Der angegebene Druck stellt allerdings die Höhe einer Wassersäule in y-Richtung der Konstruktion dar. Damit kann das Modell auch nur für 2D oder 3D Konstruktionen angesetzt werden. Weiterhin muss die dazu verwendete Oberfläche sich in y-Richtung ausdehnen. Ein typischer Anwendungsfall sind erdberührende Außenwände welche Grundwasserkontakt haben. Durch die verwendete Druckhöhe kann dann die Höhe der Grundwassersäule bis zum unteren Ende der Konstruktion dargestellt werden.
Im Bild oben sieht man eine 2D Konstruktion. Das Gitternetz soll die Diskretisierung andeuten. Die Zahlen rechts stellen die Numerierung der Elemente in y-Richtung dar. In Delphin wird immer ein normales Koordinatensystem verwendet dessen Nullpunkt in der linken unteren Ecke sitzt. Die blaue Linie an der linken Kante der Konstruktion soll eine Oberfläche mit einem Wasserkontakt darstellen. Die Zuweisung erfolgte in y-Richtung von Element 0 bis 9. Das blaue Dreieck daneben stellt nun das hydrostatische Druckprofil der Wassersäuöe dar. Die Höhe dieser Wassersäule ergibt sich aus der Eingabe im Dialog der Randbedingung. Nun kann man z.B. den Druck für Element 7 folgendermaßen berechnen:
p7 - Wasserdruck für Element bei y-Koordinate 7
ρw - Dichte von Wasser (1000kg/m3)
g - Erdbeschleunigung - 9,81m/s2
h7 - Koordinate des Mittelpunktes vom Element mit y-Koordinate 7 in m
hh - Höhe der gesamten Wassersäule in m
Falls die Wassersäule niedriger als die Koordinate eines Elementes ist würde ein negativer Druck berechnet werden. In diesem Fall wird der Wasserkontakt abgeschaltet indem der Wasserfluss auf Null gesetzt wird.
