Flussbau
Flussbau; ETHZ Master, Vertiefung Wasserbau G.R. Bezzola
Flussbau; ETHZ Master, Vertiefung Wasserbau G.R. Bezzola
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Cartes-fiches
Streuung, um Breite der Kronverteilung zu beschreiben
\(\sigma=\sqrt{d_{84} \over{d_{10}}}\)
weitere Parameter Feststoffe
(Dichte Quarz und Kalk)
- Dichte von Sedimenten (fehlen Erhebungen, für Quarz \(\rho_s \approx 2'650 \ kg/m^3\), Jura-Kalk 2400-2500)
- Dichte von Ablagerungen (Gesamtvolumen)
Lagerungsdichte: \(\rho_l = {\rho_sV_s\over{V_{tot}}} ={\rho_s(V_{tot}-V_p)\over{V_{tot}}}=\rho_s(1-n)\); Geschiebeablagerung:Porosität n=0.3 und pl=1'850 kg/m3;Feinsande n höber, n>0.5 möglich - Ruhewinkel und Kippwinkel; (Ruhewinkel für d>5 36-41°
- Formfaktor (für natürliche Körner FF=0.7, Kugel=1)
- Sinkgeschwindigkeit mit FD=G': \(v_S=\sqrt{{4\over{3}} {(s-1)\ g\ d\over{c_{D}}} } \)
zwei Arten Strömungen
laminare Strömung, nahezu parallele Stömungsbahnen
turbulente Strömung
Bestimmung über REynoldszahl; \(Re={u\ l \over v}\); u=Geschwindigkeit, l= charakteristische Länge (D oder rhyd)
in den im Flussbau interessierenden Gerinnen ist die Strömung in der Regel turbulent.
Zeitliche Mittelung der Bewegungsgleichungen
turbulente Schwankungsbewegung sind gegeben durch die zeitliche Mittelwerte der quadratischen Schwankungsgrössen.
Gleichungssystem nicht mehr lösbar, das Schwankungsbewegungen nicht bekannt sind. Erst wenn Zusammenhang Schwankungsgrössen und mittlerer Bewegung angegeben, kann System gelöst werden.
Zusammenhang kann nur empirisch gegeben werden. Wesentlicher Inhalt Turbulenzhypothese oder Turbulenzmodelle. Er weden nicht Turbulenzen beschrieben, sondern deren Auswirkungen auf mittleres Strömungsfeld.
Mischbewegung verursacht Verluste
Mit Hilfe der Wandschubspannung definierte Parameter
Schubspannungsgeschwindigkeit \(U_* = {\sqrt{\tau_0 \over \rho}}=\sqrt{\rho \ g\ h \ J\over \rho}={\sqrt{ \ g\ h \ J}}\)
wichtige Kenngrösse im Zusammenhang mit der Behandlung des Fliesswiderstands und der Fliessgesetze
Laminare Strömung
Zähigkeitskräfte dominieren, keine Schwankungsbewegungen zu beobachten (u'=v'=w')
\(\tau=\tau_l=\rho\ \nu\ {\partial\bar{u} \over{\partial}y}\)
Für grosse Abflusstiefen y<<h und y/2h ~0 ergibt sich vereinfacht \({\bar{u} \over U_*}={U_*y \over \nu}\); bei laminarer Strömung ist die Geschwindigkeitsverteilung von der beschaffenheit der Sohle UNabhängig.
Turbulente Strömung
Schubspannungen werden durch ide Geschwindigkeitsschwankungen der tubulenten Mischbewegung verursacht
turbulente zweidimensionele gleichförmige Parallelströmung \(\tau=\tau_t=-\rho\ \overline{u'\nu'}\)
Boussinesqu analog zu Zähigkeitsbeiwert \(\mu=\rho\nu\); Impulsaustauschgrösse \(A_\tau\)
\(\tau_t=-\rho\ \overline{u'\nu'}=A_\tau {\partial\bar u \over \partial y}\)
scheinbare kinematische Zähigkeit oder Wirbelviskosität der turbulenten Strömung
\(\varepsilon_y={A_\tau\over\rho}\)
Mischungswegfomel nach Prandtl
\(\tau_t=\rho l^2 \Big|{\partial\bar u \over \partial y}\Big| \Big({\partial\bar u \over \partial y}\Big)\)
gilt für inkompressible Strömungen
Mischungsweglänge l: Abstand in Querrichtung, den ein Flüssigkeitselement mit der mittleren Geschwindigkeit seiner ursprünglichen Schicht zurücklegen muss, bis der Unterschied zwischen seiner Geschwindigkeit und der Geschwindigkeit am neuen Ort gleich der mittleren Längsschwankung der turbulenten Strömung ist.
Mischungsweglänge
Prandtl postuliert lineare Abhängigkeit vom Abstand zur Sohle
\(l=\kappa y\); Kappa wird dabei empirisch bestimmt und in der Regel als Konstante betrachtet (~0.4)
Zusammenhang zwischen Prandtl'schen Mischungswegformel und dem Ansatz von Boussinesq
Zusammenhang Wirbelviskosität und dem Mischungsweg
\(\varepsilon_y=l^2 {\partial\bar u\over{\partial y}}\)
Turbulentes Gschweindigkeitsprofil
\({\partial \bar u \over \partial y}={U_* \over \kappa y}\); Integriert und für y=0 mit Geschwindigkeit \(\bar u=0\) folgt
\({ \bar u \over U_*}={1 \over \kappa} ln{y \over y_0} =(5.75 \ log({y \over k_s})+8.48)\)
Fallunterscheidung an der Sohle oder an einer Wand.
Die hoch ist diese 'zähe' laminare Unterschicht (\(\delta\)) im Vergleich der Rauhigkeitserhebung
turbulente Strömung über hydraulisch glatter Sohle (unabhängig von Rauigkeit der Wand)
turbulente Strömung pber hydraulisch rauer Sohle (nur von Rauigkeit der Wandn abhängig)
Übergangsbereich (von Reynoldszahl und Wandrauigkeit
charakteristisches Mass für die Rauigkeit der Sohle
äquivalente Sandrauigkeit \(k_s\)
Entspricht dem Durchmesser von Sandkörnern einheitlicher Grösse in dichter Anordnung auf einem planen Untergrund, die den gleichen hydraulischen Widerstand aufweisen, wie die betrachtete Sohle
geometrisches Rauigkeitsmass~äquivalente Sandrauigkeit
hydraulisch glatt wenn
laminare Unterschicht so dick, dass Rauigkeitserhebungen der Wandung vollständig von dieser Schicht überdeckt sind.
\(Re_*={U_* k_s \over\nu}\leq 5\)
y0 muss experimentell bestimmt werden, kann als Proportional zim Verhältnis der kin Zähigkeit und Schubspannungsgeschwindigkeit angesehen werden \(y_0 \sim{\nu \over U_*}\)
Es kann umgeformt und eingesetz werden => \({ \bar u \over U_*}={1 \over \kappa} ln{U_* y \over \nu} +5.5\)
In turbulenter Strömung mit hydraulisch glatter Sohle lassen sich verschiedene Bereich unterscheiden
turbulente Strömung über hydraulisch rauer Sohle
Rauigkeitserhebungung über den Übergangsbereich hinaus
\(Re_*={U_* k_s \over\nu}\geq 70\)
Geschwindigkeits messungen in Kreisrohren mit einheitlicher Sandauskleidung nach NIKURADSE
Geschwindigkeitsprofil unter den Annahmen, dass ks=d und \(\kappa= 0.4\)
\({ \bar u \over U_*} =5.75 \ log({y \over k_s})+8.48={1 \over \kappa} ln{29.8 y\over k_s}\)
Wobei der rechte Teil der Gleichung mehrheitlich angewendet wird.
Der Abstand des Bezugshorizont wird als \(y_0={k_s \over 29.8}\) beschrieben.
Problematik bei der Anwendung: Lage des Bezugshorizont und der Quantifizierung des äquivalenten Sandrauigkeitsmass ks
Zusammenhang zwischen ks und dmD
Wie kann er beschrieben werden und welchen Durchmesser wird dazu benötigt um ks anzunähern
\(k_s \approx (1.5-4) \ d_{90}\)
Für gleichmässige Längenprofile und nahezu ebener Sohle wird eher ein Wert von 2d90 angesetzt
Turbulente Strömung im Übergangsbereich
Beispiel Alpenrhein als Grenze bis einmündung in den Bodenses zeigt, dassi I Kiesflüssen auch bei relativ kleinen Längsgefällen und geringen Abflusstiefen die turbulenten Strömung über hydraulische raue Sohle dem Normalfall entspricht.
wake-Funktion
Ansatz auf empirischem Weg gefunden, wird mit wake-Funktion ergänzt.
\({\bar u \over U_*}={1 \over \kappa} ln \Big ({y \over k_s} \Big )+B+\omega \Big( {y \over \delta _G}\Big)\)
wobei die wake-Funktion geschrieben wird als \(\omega \Big( {y \over \delta _G}\Big) = {2\Pi \over \kappa} sin^2 \Big({\pi \over 2}{y \over \delta _G}\Big )\)
Abstand Sohne und Grenzschichtdicke wird berücksichtigt
Geschwindigkeitsprofil über hydraulisch rauer Sohle
Annahme Konstanten: \(\kappa =0.4 \\ B\approx 8.5 \\ \Pi \approx 0.25\)
\({ \bar u \over U_*} =2.5 \ ln({y \over k_s})+8.5+0.2\ sin^2 \Big({\pi \over 2}{y \over h}\Big )\)
Für praktische Anwendungen wird die wake-Funktion daher oft nicht berücksichtigt und folgende Formel wird angewendet.
\({ \bar u \over U_*} =2.5 \ ln({y \over k_s})+8.5= 2.5 \ ln \Big({30y \over k_s}\Big)\)
Mittlere Fliesgeschwindigkeit
erst damit ist Abflussberechnung möglich, das heisst eine Pegel-Abflussbeziehung kann vorhergesagt werden.
Geschwindgkeitsverteilung über die durchströnte Fläche liefert den Durchfluss, aus welchem durch Division mit der Querschnittsfläche die mitllere Geschwindigkeit besitmmt werden kann.
\({U_m\over U_*}={1 \over A} \int_{y_0}^{y_{max}} {\bar u (y)\over U_*} dA\)
dimensionslose mittlere Fliessgeschwindigkeit
Für Rohrstroömungen gilt: \({U_m \over U_*}=2.5 \ ln{r \over k_s}+4.75= 2.5 \ ln{13.27 \ r/2 \over k_s}\)
Für Gerinneströmungen: \({U_m \over U_*}=2.5 \ ln{h \over k_s}+6.0= 2.5 \ ln{10.93 \ h \over k_s}\)
mittlere Wandschubspannung
\(\tau_{0\ m} =\rho g {A\over P} J=\rho g {r \over 2} J\); wobei P der benetzte Umfang ist und A die durchströmte Querschnittsfläche
Im Falle eines Kreisrohrer entrspircht \(\tau _{0\ m} =\tau _0\) (also der tatsächlichen Wandschubspannung), welche über den benetzten Umfang eine konstante Verteilung aufweist.
Für Freispiegelgerinne ergiebt sich die mittlere Wandschubspannung (bei Normalabfluss) zu \(\tau_{0\ m}P\Delta L =A\ \Delta L\ \rho\ g\ sin \alpha \approx A\rho g J\) (Komponenten parallel zur Sohle => Schubspannung \(\tau_{0\ m} =\rho g {A\over P} J=\rho g R J\)
hydraulischer Radius
R=A/P
bei Kreisprofilen= r/2
bei offenen Gerinnen, stellt R einen charakteristischen Profilwert dar.
quadratisches Widerstandsgesetz
\({U_m}^2\sim \tau _{0\ m}\)
Beschreibung Zusammenhang mittlere Geschwindigkeit im Profil und mitlere Wandschubspannung mittels eines Widerstandsbeiwert zu verknüpfen
Widerstandsbeiwerte verdiedene Definitionen
Widerstandsbeiwerte
verschiedene Definitionen (Rohrhydraulik und Gerinnehydraulik)
Rohrhydraulik (Darcy-Weisbach): \(U_m=\sqrt{8 \over \lambda}\sqrt{gRJ}\)
Gerinnehydraulik (CHÉZY): \(U_m=c \sqrt{gRJ}\)
STRICKLER: \(U_m= k_{st}\ R^{2/3}\ J^{1/2}\); ermitterlt aus Labor- und Naturdaten
Rauigkeitsbeiwerte
Werden sich bei Rückrechnung mit verschiedenen Formeln unterscheiden. Ebenfalls sind sie Wetter und Profil abhängig
höhe Wasser, Geschwindigkeit und Schubspannung proportional, wenn alles gross oder alles klein.
breite Gerinne haben kleine Abflusstiefe verglichen mit der Gerinnebreite
A=hb und benetzte Umfang P=b
Eigenschaften Wandschubspannungen? und deren Schubspannungsgeschwindigkeit
\(\tau _{0 \ m}=\tau_0 \approx \rho\ g \ h\ J\)
Tatsächliche Wandschubspannung entspricht der mittleren Wandschubspannung
\(U_m= \sqrt{\tau_{0\ m}/\rho}=\sqrt{\tau_{0}/\rho} \approx \sqrt{g\ h\ \rho}\)
mittlere Geschwindigkeit in einem allgemeinen Gerinne durch welche Beziehung beschrieben?
\(U_m= 2.5 \ ln{a\ R \over k_s} \sqrt{g\ R\ J}\);
c kann mit dem Verhältnis \({U_m \over U_*}\) berechnet werden
a von Profilform und verhältnis h/b abhängig, Werte tabelliert
relative Überdeckung und relative Rauigkeit
Überdeckung: \({R \over k_s}\)
Rauigkeit: \({k_s \over R}\)
Potenzgesetz nach STRICKLER
und MANNING
Strickler: \(U_m= k_{st}\ R^{2/3}\ J^{1/2}\)
Manning: \(U_m= {1 \over n}\ R^{2/3}\ J^{1/2}\)
Stricklerbeiwert: \(k_{st}= {21.1\over {\sqrt[6]{d_{90}}}}\); dabei ist d90 in meter einzusetzen