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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 rauheitsabhängigen Beiwerten

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.
 
Isotachen der Geschwindigkeit
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.
 
Naturversuchsanlage Wilde Weißeritz
Studentenpraktikum an der Naturversuchsanlage


Literaturhinweise

Dresden, den 6.12.2004