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Optimization of the reaeration potential on embankment stepped spillways in skimming flow regime
(2008)
Application of the optical flow method to velocity determination in hydraulic structure models
(2016)
Non-intrusive measuring techniques have attained a lot of interest in relation to both hydraulic modeling and prototype applications. Complimenting acoustic techniques, significant progress has been made for the development of new optical methods. Computer vision techniques can help to extract new information, e. g. high-resolution velocity and depth data, from videos captured with relatively inexpensive, consumer-grade cameras. Depth cameras are sensors providing information on the distance between the camera and observed features. Currently, sensors with different working principles are available. Stereoscopic systems reference physical image features (passive system) from two perspectives; in order to enhance the number of features and improve the results, a sensor may also estimate the disparity from a detected light to its original projection (active stereo system). In the current study, the RGB-D camera Intel RealSense D435, working on such stereo vision principle, is used in different, typical hydraulic modeling applications. All tests have been conducted at the Utah Water Research Laboratory. This paper will demonstrate the performance and limitations of the RGB-D sensor, installed as a single camera and as camera arrays, applied to 1) detect the free surface for highly turbulent, aerated hydraulic jumps, for free-falling jets and for an energy dissipation basin downstream of a labyrinth weir and 2) to monitor local scours upstream and downstream of a Piano Key Weir. It is intended to share the authors’ experiences with respect to camera settings, calibration, lightning conditions and other requirements in order to promote this useful, easily accessible device. Results will be compared to data from classical instrumentation and the literature. It will be shown that even in difficult application, e. g. the detection of a highly turbulent, fluctuating free-surface, the RGB-D sensor may yield similar accuracy as classical, intrusive probes.
Untersuchungen zur Tragfähigkeit und Steifigkeit eines neuartigen Wandelements in Holzbauweisen
(2018)
We present first results from a newly developed monitoring station for a closed loop geothermal heat pump test installation at our campus, consisting of helix coils and plate heat exchangers, as well as an ice-store system. There are more than 40 temperature sensors and several soil moisture content sensors distributed around the system, allowing a detailed monitoring under different operating conditions.In the view of the modern development of renewable energies along with the newly concepts known as Internet of Things and Industry 4.0 (high-tech strategy from the German government), we created a user-friendly web application, which will connect the things (sensors) with the open network (www). Besides other advantages, this allows a continuous remote monitoring of the data from the numerous sensors at an arbitrary sampling rate.Based on the recorded data, we will also present first results from numerical simulations, taking into account all relevant heat transport processes.The aim is to improve the understanding of these processes and their influence on the thermal behavior of shallow geothermal systems in the unsaturated zone. This will in turn facilitate the prediction of the performance of these systems and therefore yield an improvement in their dimensioning when designing a specific shallow geothermal installation.
Dipl.-Ing. Ralf Engels - DHI Wasser und Umwelt GmbH, Syke. 24 S. (S. 70-93) Beitrag zum 1. Aachener Softwaretag in der Wasserwirtschaft <1,2007, Aachen> Einleitung [des Autors] Die hydrodynamische Kanalnetzmodellierung ist ein Standardwerkzeug für die Bemessung von Kanalnetzen. Neben der Berechnung der hydrologischen und hydraulischen Gegebenheiten in einem städtischen Einzugsgebiet gehören auch weiterführende Technologien mittlerweile zum Standard. So können alle steuerbaren Elemente eines Kanalnetzes dynamisch so optimiert werden, dass die Leistungsfähigkeit des Kanalnetzes zusätzlich gesteigert werden kann. Automatische Werkzeuge zur dynamischen hydraulischen Schmutzfrachtberechnung ermöglichen die Erweiterung der Steuerung – insbesondere von Entlastungsanlagen – im Hinblick auf die entlasteten Schmutzfrachten und geben darüber hinaus detaillierte Informationen für den Betrieb der Kläranlage. Weiterführende biologische Prozessmodellierungen ergänzen dieses Themenfeld. GIS Werkzeuge können bei der räumlich differenzierten Modellierung von Kanalnetzen wertvolle Dienste leisten. Die detaillierte Betrachtung einzelner Haltungsflächen in ihrem räumlichen Zusammenhang ist damit ebenso möglich wie eine komplette Verwaltung aller für die Kanalnetzmodellierung notwendigen Daten in einem übersichtlichen grafischen Menü. Die Grenzen der Kanalnetzmodellierung lagen in früheren Zeiten an dessen Rand. Detaillierte Informationen über die Wege des Wassers auf der Geländeoberfläche, an der Schnittstelle zu Vorflutern und in der Interaktion mit Grundwasser waren bisher nicht modelltechnisch bewertbar. Eine dynamische Kopplung verschiedener Modelle zur Darstellung aller relevanten hydraulischen Prozesse ermöglicht eine integrative Betrachtung aller möglichen Wege, die das Wasser in der Stadt nehmen kann (Mark & Djordjevic, 2006). Dieser Beitrag präsentiert den Stand der Technik für die integrierte Modellierung städtischer Überschwemmungen mit Hilfe der Modellkopplung von Oberflächenmodellen und Kanalnetzmodellen.
Dr.-Ing. Lothar Fuchs vom itwh Hannover mit 13 Seiten (S. 57-69) Beitrag zum 1. Aachener Softwaretag in der Wasserwirtschaft <1, 2007, Aachen> Zusammenfassung [des Autors] Die wesentlichen technischen Probleme der Kanalnetzbewirtschaftung sind gelöst. Der Markt bietet bewährte Messgeräte, Steuerungseinrichtungen, Datenübertragungs-, Regler- und Rechnersysteme, die sich für den Einsatz in der Stadtentwässerung eignen. Mit den heute existierenden Simulationsmodellen können die Auswirkungen von Bewirtschaftungssystemen abgeschätzt werden, bevor diese implementiert werden. Die für Bewirtschaftungssysteme notwendige Ausrüstung ist eine andere, als die traditionell in der Stadtentwässerung übliche. Sie erfordert in jedem Fall mehr und teureren Wartungsaufwand sowie anders ausgebildetes Personal. Bei einem Kostenvergleich mit konventionellen (d.h. ungesteuerten) Systemen muß die umfassende Information und Kontrolle des bewirtschafteten Systems berücksichtigt werden. Die permanente Information über den Betriebszustand sowie die in allen existierenden Bewirtschaftungssystemen erreichten Verminderungen von Regenentlastungen und (in geringerem Maße) hydraulischen Überlastungen lassen es geraten erscheinen, Kanalnetzbewirtschaftung nicht nur unter dem Gesichtspunkt der höheren Betriebskosten, sondern auch denen der möglich Einsparungen von Investitionen und der höheren Effizienz zu beurteilen. Analog lässt sich zeigen, dass bewirtschaftete Systeme kleiner ausgelegt werden können und dennoch die gleiche Effizienz besitzen wie größer dimensionierte, statisch wirkende Systeme.
Dipl.-Ing. Dirk Hecker von der Ingenieurgesellschaft Tuttahs & Meyer in Aachen. Vortrag gehalten beim 1. Aachener Softwaretag in der Wasserwirtschaft <1, 2007, Aachen> 27 S. (S. 28-54) Zusammenfassung [des Autors]: Nach den spektakulären Hochwasserereignissen an Rhein, Elbe und Donau hat die Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. (DWA) einen Fachausschuss zur Erstellung eines Merkblattes M 103 „Hochwasserschutz für Abwasseranlagen“ berufen. Das Merkblatt zeigt in den Kapiteln Konzeption, Planungsgrundsätze und Hochwassermanagement eine strukturierte Vorgehensweise zur bestmöglichen Vorsorge zum Schutz der Abwasseranlagen im Hochwasserfall. Entsprechend den Forderungen des im Jahr 2005 verabschiedeten Gesetzes zur Verbesserung des vorbeugenden Hochwasserschutzes, floss in das Wasserhaushaltsgesetz unter anderem die allgemeine Verpflichtung jedes potentiell vom Hochwasser Betroffenen ein, geeignete Schutzmaßnahmen zur Schadensminimierung zu treffen. Hierbei werden speziell die Wasserversorgung und die Abwasserbeseitigung erwähnt. Im DWA-M 103 wir detailliert dargestellt wie und mit welchem Aufwand die Abwasseranlagen zu überprüfen sind und wie hierzu ein Hochwasserschutzkonzept erstellt werden kann. Zusätzlich werden Hinweise für die Planung von Abwasseranlagen in hochwassergefährdeten Bereichen gegeben, die den störungsfreien Betrieb im Hochwasserfall gewährleisten sollen. Schlussendlich werden das Hochwassermanagement und der Betrieb dargestellt und hier wichtige Anregungen gegeben im Ernstfall ausreichend vorbereitet zu sein. Das DWA-M 103 richtet sich in erster Linie an die Betreiber und Planer von Abwasseranlagen. Jedoch werden hier auch, gerade durch die Vielzahl von Checklisten, Kommunen Denkanstöße und Anregungen für die Hochwasservorsorge/-schutz von öffentlichen Gebäuden und Einrichtungen gegeben.
Das Oberflächenabflussmodell von Keser und die Grenzwertmethode : Die Abflussbildung im Vergleich.
(2007)
Dipl.-Ing. Rudolf Herzog , Rehm Software Berg / Ravensburg. 9 S. (S. 94-102). Beitrag zum 1. Aachener Softwaretag in der Wasserwirtschaft a1, 2007, Aachen>. Zusammenfassung [des Autors] Die grundlegenden Ansätze der beiden Modelle sind ähnlich. Der hauptsächliche Unterschied liegt darin, dass die Grenzwertmethode die Angabe einer Bodenart erfordert, die ihrerseits wieder Probleme verursachen kann. Es kann nicht davon ausgegangen werden, dass die Bodenarten homogen anliegen. Die ersatzweise Vorgabe einer für alle Einzugsgebiete einheitlichen Bodenart hilft da nicht wirklich weiter. Es stellt sich vielmehr die Frage, ob der zusätzliche Aufwand eine signifikante Verbesserung des Ereignisses zur Folge hat. Der Vorteil der Grenzwertmethode liegt auf der Hand: Die Parameterwahl ermöglicht eine flexible Steuerung des Modells, in die Abflussbildung kann differenziert eingegriffen werden. Das NA-Geschehen kann weitgehend kalibriert werden. Es ist allerdings auch zu bedenken, dass die Flexibilität des Modells risikobehaftet ist - die Abflussbildung kann nach Belieben beeinflusst werden. Fazit: Flexibel in der Anwendung, bei NA-Messung empfehlenswert. Im Allgemeinen geringere Abflussmengen als Keser. Die Blackbox von Keser ist zwar nicht steuerbar, entzieht sich damit aber auch Wissensdefiziten und Manipulationseinflüssen. Über Parameter und deren Auswirkungen muss nicht spekuliert werden. Wenn mehrere Personen mit dem Modell von Keser arbeiten, ergeben sich im Gegensatz zur Grenzwertmethode zwangsweise dieselben Ergebnisse - gleiche geometrische Oberflächendaten vorausgesetzt. Außerdem kommt Keser ohne die Bodenart aus. Fazit: Bei BFG >20%, einfache Handhabung, geringer Aufwand. Gegenüber der Grenzwertmethode (mittlere Verhältnisse) jedoch etwas höhere Abflüsse. Das Programmpaket HYKAS der Fa. Rehm Software ermöglicht u.a. den Nachweis von Kanalnetzen und bietet in diesem Zusammenhang beide Modellansätze zur Auswahl an. Der Programmanwender kann damit eine am Datenbestand bzw. an den Vorgaben des Auftraggebers ausgerichtete Modellauswahl treffen. Die realitätsnahe Ermittlung der Oberflächenabflüsse ist kompliziert. Weitere Unwegsamkeiten warten nach der Abflussbildung bei der Abflusskonzentration auf: Es ist z.B. die Festlegung der Fließlänge auf der Oberfläche erforderlich... Es ist noch ein weiter Weg bis zur Kläranlage.
Dipl.-Ing. Hartmut Hoevel - Erftverband, Bergheim. 3 Seiten (S. 75-77). Beitrag zum 2. Aachener Softwaretag in der Wasserwirtschaft <2, 2009, Aachen> Die Erft ist ein linker Nebenfluss des Rheins. Der Fluss ist durch eingeleitetes Sümpfungswasser aus dem rheinischen Braunkohletagebau hinsichtlich der Wassermenge und der Temperatur stark belastet. Die vorgestellten Überlegungen betreffen die Fragen: 1. Wie soll die Erft im Jahr 2045, also nach dem voraussichtlichen Ende der Tagebauaktivitäten im Rheinischen Braunkohlerevier und damit einhergehender Beenigung der Sümpfungswassereinleitung, aussehen? 2. Wie schnell und auf welche Weise soll die Umgestaltung der Erft vonstatten gehen?
Mischwassereinleitungen in Gewässer nach BWK Merkblatt M3 - Vorteile des detaillierten Nachweises
(2009)
Dipl.-Ing. Brigitte Huber und Dr.-Ing. Gerd Demny - Wasserverband Eifel Rur, Düren. 16 Seiten ( S. 59-74). Beitrag zum 2. Aachener Softwaretag in der Wasserwirtschaft <2, 2009, Aachen> Zusammenfassung [der Autoren] Für das städtisch geprägte Einzugsgebiet des Broicher Baches sind ein vereinfachter und ein detaillierter Nachweis nach BWK-M3 durchgeführt worden. Dabei zeigt sich, dass die Methodik des vereinfachten Nachweises nicht geeignet ist, um eine realitätsnahe Abbildung der einleitungsgeprägten Abflüsse des Gewässers zu erhalten. Dies ist insbesondere auf die Vernachlässigung von Wellentranslation und -retention im Gerinne zurückzuführen. Die dadurch entstehende Fehleinschätzung der Abflussverhältnisse versperrt den Blick auf eine situationsgerechte Maßnahmenplanung. Der mit Hilfe eines NA-Modells geführte detaillierte Nachweis ist zwar in der Erstellung aufwändiger, zeichnet aber ein reales Bild der Abflusserhöhung durch Einleitungen. Mit Hilfe des Modells können die wesentlichen Einflüsse schnell lokalisiert und zielführende Maßnahmenvarianten identifiziert werden. In dem hier vorgestellten Beispiel des Broicher Baches können die ursprünglich identifizierten acht Maßnahmen auf eine reduziert werden. Das Gesamtvolumen der erforderlichen Rückhaltungen wird um die Hälfte verringert. Der Vergleich beider Nachweismethoden legt nach Ansicht der Autoren nahe, den vereinfachten Nachweis höchstens für eine erste Einschätzung des Maßnahmenbedarfs anzuwenden. Die Maßnahmenidentifikation und -dimensionierung sollte grundsätzlich mit der detaillierten Nachweismethode durchgeführt werden, die auf einem entsprechenden NA-Modell basiert. Dies gilt insbesondere für Gewässerstrecken, deren Abfluss durch mehrere, hintereinander liegende Einleitungsstellen geprägt ist.
In: Alfha.net / Sektion Bauingenieurwesen: 1. [Erster] Erfahrungsaustausch : Absolventen des Fachbereichs Bauingenieurwesens berichten. 13. Oktober 2006. S. 16-17 Der Umbau des Aachener Buschtunnels im Rahmen des europäischen Hochgeschwindigkeitsschienennetzes wird im sogenannten "Neuen Österreichischen Tunnelbauverfahren (NOeT)", also ein Ausbau in Kalotte, Strosse und Sohle durchgeführt.
The replacement of existing spillway crests or gates with labyrinth weirs is a proven techno-economical means to increase the discharge capacity when rehabilitating existing structures. However, additional information is needed regarding energy dissipation of such weirs, since due to the folded weir crest, a three-dimensional flow field is generated, yielding more complex overflow and energy dissipation processes. In this study, CFD simulations of labyrinth weirs were conducted 1) to analyze the discharge coefficients for different discharges to compare the Cd values to literature data and 2) to analyze and improve energy dissipation downstream of the structure. All tests were performed for a structure at laboratory scale with a height of approx. P = 30.5 cm, a ratio of the total crest length to the total width of 4.7, a sidewall angle of 10° and a quarter-round weir crest shape. Tested headwater ratios were 0.089 ≤ HT/P ≤ 0.817. For numerical simulations, FLOW-3D Hydro was employed, solving the RANS equations with use of finite-volume method and RNG k-ε turbulence closure. In terms of discharge capacity, results were compared to data from physical model tests performed at the Utah Water Research Laboratory (Utah State University), emphasizing higher discharge coefficients from CFD than from the physical model. For upstream heads, some discrepancy in the range of ± 1 cm between literature, CFD and physical model tests was identified with a discussion regarding differences included in the manuscript. For downstream energy dissipation, variable tailwater depths were considered to analyze the formation and sweep-out of a hydraulic jump. It was found that even for high discharges, relatively low downstream Froude numbers were obtained due to high energy dissipation involved by the three-dimensional flow between the sidewalls. The effects of some additional energy dissipation devices, e.g. baffle blocks or end sills, were also analyzed. End sills were found to be non-effective. However, baffle blocks with different locations may improve energy dissipation downstream of labyrinth weirs.
Even though BIM (Building Information Modelling) is successfully implemented in most of the world, it is still in the early stages in Germany, since the stakeholders are sceptical of its reliability and efficiency. The purpose of this paper is to analyse the opportunities and obstacles to implementing BIM for prefabrication. Among all other advantages of BIM, prefabrication is chosen for this paper because it plays a vital role in creating an impact on the time and cost factors of a construction project. The project stakeholders and participants can explicitly observe the positive impact of prefabrication, which enables the breakthrough of the scepticism factor among the small-scale construction companies. The analysis consists of the development of a process workflow for implementing prefabrication in building construction followed by a practical approach, which was executed with two case studies. It was planned in such a way that, the first case study gives a first-hand experience for the workers at the site on the BIM model so that they can make much use of the created BIM model, which is a better representation compared to the traditional 2D plan. The main aim of the first case study is to create a belief in the implementation of BIM Models, which was succeeded by the execution of offshore prefabrication in the second case study. Based on the case studies, the time analysis was made and it is inferred that the implementation of BIM for prefabrication can reduce construction time, ensures minimal wastes, better accuracy, less problem-solving at the construction site. It was observed that this process requires more planning time, better communication between different disciplines, which was the major obstacle for successful implementation. This paper was carried out from the perspective of small and medium-sized mechanical contracting companies for the private building sector in Germany.
Dipl.-Ing. Stefan Overkamp - GISWORKS GbR, Velbert. 11 S. (S. 7-17). Beitrag zum 2. Aachener Softwaretag in der Wasserwirtschaft <2, 2009, Aachen> Aus der Gliederung: 1 Geoinformationssysteme 2 Anforderungen an eine kommunale Geodateninfrastruktur (GDI) 3 Komponenten einer GDI 3.1 Geodatenmanagement 3.2 Geodatenhaltung 3.3 High-End-GIS 3.4 intraGIS 4 GISWORKS 5 Weiterführende Informationen
In: Alfha.net / Sektion Bauingenieurwesen: 1. [Erster] Erfahrungsaustausch : Absolventen des Fachbereichs Bauingenieurwesens berichten. 13. Oktober 2006. S. 19-20. Zusammenfassung des Vortrags: Prozessanalyse und Revision beim Umbau des Flughafens Hamburg, Beratung von Bauunternehmen, Sachverständigentätigkeit
Energiebilanzen und -potenziale von Abwasseranlagen : Vorstellung neuer Untersuchungsvorhaben in NRW
(2010)
Dr.-Ing. Raju M. Rohde , Dorsch Consult Wasser und Umwelt GmbH, München mit 32 Folien (S. 103-134). Beitrag zum 1. Aachener Softwaretag in der Wasserwirtschaft <1, 2007, Aachen>. Das System BaSYS.L.E.O. Ganglinien-Volumen-Methode Hydrodynamische Kanalnetzberechnung Hydraulische Objekte Hydrodynamische Schmutzfrachtberechnung
In the context of the Corona pandemic and its impact on teaching like digital lectures and exercises a new concept especially for freshmen in demanding courses of Smart Building Engineering became necessary. As there were hardly any face-to-face events at the university, the new teaching concept should enable a good start into engineering studies under pandemic conditions anyway and should also replace the written exam at the end. The students should become active themselves in small teams instead of listening passively to a lecture broadcast online with almost no personal contact. For this purpose, a role play was developed in which the freshmen had to work out a complete solution to the realistic problem of designing, construction planning and implementing a small guesthouse. Each student of the team had to take a certain role like architect, site manager, BIM-manager, electrician and the technitian for HVAC installations. Technical specifications must be complied with, as well as documentation, time planning and cost estimate. The final project folder had to contain technical documents like circuit diagrams for electrical components, circuit diagrams for water and heating, design calculations and components lists. On the other hand construction schedule, construction implementation plan, documentation of the construction progress and minutes of meetings between the various trades had to be submitted as well. In addition to the project folder, a model of the construction project must also be created either as a handmade model or as a digital 3D-model using Computer-aided design (CAD) software. The first steps in the field of Building information modelling (BIM) had also been taken by creating a digital model of the building showing the current planning status in real time as a digital twin. This project turned out to be an excellent training of important student competencies like teamwork, communication skills, and self -organisation and also increased motivation to work on complex technical questions. The aim of giving the student a first impression on the challenges and solutions in building projects with many different technical trades and their points of view was very well achieved and should be continued in the future.
Urban farming is an innovative and sustainable way of food production and is becoming more and more important in smart city and quarter concepts. It also enables the production of certain foods in places where they usually dare not produced, such as production of fish or shrimps in large cities far away from the coast. Unfortunately, it is not always possible to show students such concepts and systems in real life as part of courses: visits of such industry plants are sometimes not possible because of distance or are permitted by the operator for hygienic reasons. In order to give the students the opportunity of getting into contact with such an urban farming system and its complex operation, an industrial urban farming plant was set up on a significantly smaller scale. Therefore, all needed technical components like water aeriation, biological and mechanical filtration or water circulation have been replaced either by aquarium components or by self-designed parts also using a 3D-printer. Students from different courses like mechanical engineering, smart building engineering, biology, electrical engineering, automation technology and civil engineering were involved in this project. This “miniature industrial plant” was also able to start operation and has now been running for two years successfully. Due to Corona pandemic, home office and remote online lectures, the automation of this miniature plant should be brought to a higher level in future for providing a good control over the system and water quality remotely. The aim of giving the student a chance to get to know the operation of an urban farming plant was very well achieved and the students had lots of fun in “playing” and learning with it in a realistic way.
The worldwide Corona pandemic has severely restricted student projects in the higher semesters of engineering courses. In order not to delay the graduation, a new concept had to be developed for projects under lockdown conditions. Therefore, unused rooms at the university should be digitally recorded in order to develop a new usage concept as laboratory rooms. An inventory of the actual state of the rooms was done first by taking photos and listing up all flaws and peculiarities. After that, a digital site measuring was done with a 360° laser scanner and these recorded scans were linked to a coherent point cloud and transferred to a software for planning technical building services and supporting Building Information Modelling (BIM). In order to better illustrate the difference between the actual and target state, two virtual reality models were created for realistic demonstration. During the project, the students had to go through the entire digital planning phases. Technical specifications had to be complied with, as well as documentation, time planning and cost estimate. This project turned out to be an excellent alternative to on-site practical training under lockdown conditions and increased the students’ motivation to deal with complex technical questions.
Abstract des Beitrags zum 1. Aachener Softwaretag in der Wasserwirtschaft <1, 2007, Aachen> 1 S. : Bereits seit Jahrzehnten werden verschiedenste Injektions-Verfahren, welche teilweise aus den Vereinigten Staaten lizenziert wurden, in Deutschland angewendet, um Abwasserkanäle zu ertüchtigen. Die Resultate sind teilweise sehr umstritten, nicht zuletzt aufgrund unzureichender Materialeigenschaften in den Anfangsjahren der Anwendung. Viele Methoden sind darüber völlig aus dem Gebrauch gekommen und haben manchmal das ganze Verfahrensprinzip in Verruf gebracht. Mittlerweile wurden sowohl Verfahren als auch Materialien weiterentwickelt und sind nun in der Lage auch den aktuellen strengen und praxisnahen Testverfahren mittels Säuleninjektionsversuchen zur Beurteilung Umweltverträglichkeit zu genügen. Es wird ein kurzer Überblick über die derzeit am Markt befindlichen/üblichen Regelwerke, Verfahren und Materialien gegeben und die Grenzen und Möglichkeiten im Rahmen der Kanalsanierung aufgezeigt.