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Technische
Universität Dresden
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Institut
für Wasserbau und THM
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Prof.Dr.-Ing.habil. Detlef Aigner
Kopplung von Fließgesetzen und Turbulenzmodellen
Problemstellung
Die Kritiken an den heute angewendeten Fliessformeln (Manning-Strickler
und universelle Fliessformel) und die Forschungen und Bestrebungen zu ihrer
Verbesserung zeigen zwei Probleme.
Erstens gilt das quadratische Widerstandsgesetz nicht allumfassend
sondern nur für voll turbulente Strömungen bei hydraulisch rauem
Verhalten.
Zweitens wird in den Fließformeln eine mittlere Geschwindigkeit
angenommen. Abweichend zu dieser Annahme existiert eine ungleichmäßige
Geschwindigkeitsverteilung im Abflussquerschnitt durch den Einfluss der
Geometrie und der Rauheit. Unterschiedliche Geschwindigkeitsverteilungen
und Querströmungseinflüsse existieren schon innerhalb eines Profils
bei unterschiedlichen Wasserständen, was zu erheblichen Fehlern bei
der Anwendung der Fließformeln z. B. zur Berechnung einer Schlüsselkurve
führen kann.
Ermittlung von form- und rauheitsbeeinflussten Abflussbeiwerten (System)
Numerisches Modell
Die Möglichkeiten der heutigen Strömungssimulation und der heutigen
Messtechnik erlauben, die Ergebnisstreuungen bei der Anwendung der Fließformeln
auszugleichen bzw. zu reduzieren. Eine Lösung dazu zeigt Kölling
(1994) in seiner Dissertation zur Ermittlung von Kalibrierungsfaktoren
zur Durchflussmessung. Diese numerische Modellierung ermittelt eine exakte
Verteilung der Geschwindigkeit für beliebige Abflussprofilen in Abhängigkeit
von der Geometrie und der Rauheit des Gerinnes.
Geschwindigkeitsprofil (Messung)
Kalibrierung der Berechnungen
Auf der Grundlage dieser berechneten Geschwindigkeitsverteilung können
Beiwerte (Geschwindigkeits-, Form- und Rauheitsbeiwert) zur Korrektur der
Fließformeln abgeleitet werden. Die Anwendung dieses Verfahrens erfordert
eine umfangreiche Kalibrierung, das heißt begleitende Messungen an
Abflussprofilen oder Auswertung bereits durchgeführter Messungen.
Sind diese Beiwerte an Objekten mit bekannten Geometrie und Rauheitseinflüssen
überprüft, können sie auf andere Gerinne mit anderen Geometrien
und Rauheiten übertragen werden.
Das Institut für Wasserbau und Technische Hydromechanik der TU
Dresden verfügt über eine Naturversuchsanlage an der Wilden Weißeritz,
an der naturnahe Untersuchungen durchführbar sind.
Studentenpraktikum an der Naturversuchsanlage
Literaturhinweise
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Aigner, Detlef: Hydraulische Berechnung von offenen Gerinnen. Wasserwirtschaft/Wassertechnik.
Heft 6,1994
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Bjarsch, Benno: Die Abhängigkeit der Fließgeschwindigkeit vom
Fließquerschnitt. Wasserwirtschaft-Wassertechnik, Heft 2, 1990, S.
45
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Bjarsch, Benno: Bedeutung von Modellversuchen bei der Entwicklung von Fließformeln.
Wasserbauliche Mitteilungen des Institutes für Wasserbau der TU Dresden,
Heft 13, 1998
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Dittrich, Andreas: Wechselwirkung Morphologie/Strömung naturnaher
Fliessgewässer. Habilitationsschrift in Heft 18 der Mitteilungen des
Institutes für Wasserwirtschaft und Kulturtechnik der Universität
Karlsruhe (TH), 1998
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DVWK-Merkblätter zur Wasserwirtschaft 220: Hydraulische Berechnung
von Fließgewässern. Verlag Paul Paray Hamburg und Berlin, 1991
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Engelund, F.: Hydraulic resistance of alluvial streams. ASCE, Vol 92, No.
Hy. 2, 1966
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Evers, P.: Untersuchung der Strömungsvorgänge in gegliederten
Gerinnen mit extremen Rauheitsunterschieden. Mitteilung des Institutes
für Wasserbau und Wasserwirtschaft der RWTH Aachen, Heft 45, 1983
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Khodashenas, S. R.; Paquier, A.: A geometrical method for computing the
distribution of boundary shear stress across irregular straight open channels.
Journal of Hydraulic Research, Vol. 37, 1999, No. 3
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Kölling, Christian: Finite-Elemente-Simulation der Geschwindigkeitsverteilung
in Kanälen und teilgefüllten Rohrleitungen. Mitteilung Nr. 60
der Technischen Universität München, Institut für Hydraulik
und Gewässerkunde Hrsg. Prof. Valentin, 1994
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Naudascher, Eduard: Hydraulik der Gerinne und Gerinnebauwerke. Springer-Verlag,
Wien New York 1987
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Wagner, Harold: Schubspannungsverteilung bei unterschiedlichen Rauheiten
von Böschung und Sohle. Wasserbauliche Mitteilungen des Institutes
für Wasserbau und THM der TU Dresden, Heft 18, 2000
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Dresden, den 6.12.2004 |