Wie man die hydraulische Theorie versteht

Transkript

1 Ralph Schröder Ulrich Zanke Tee nise e H rau I Kompendium für den Wasserbau 2. Auflage mit 210 Abbildungen Springer

2 I Einführung... Hydraulik als angewandte Hydromechanik. Fluidbezogene hydraulische Begriffe. Bewegungsorientierte hydraulische Begriffe... 1 I Hydrostatische Nachweise Druckverteilung 2.2 Druckkraft nach Richtung und Größe Lage der Druckkraft. 2.4 Ersatzflächenmethode I Hydromechanische Grundlagen. Allgemeine Transportbilanz. Spezifizierte Transportbilanz. Massentransport.. Fremdstofftransport. Impulstransport... Einfluß der Turbulenz. Hydraulische Grundgleichungen. Kontinuitätsgleichung... Impulssatz. Radiale Druckgleichung. Bernoullische Gleichung.. Allgemeiner Verlustansatz Uberfall und Ausfluß..... Normal ~ngeströmte Uberfälle Gerade Uberfälle. Vollkommen,er Ü~rfall 36 Unvollkommener Uberfall

3 VIII Kelchüberfälle Vollkommener Überfall 40 Unvollkommener Überfall 41 Heberüberfälle Seitliche Uberfälle. Ausfluß unter Schützen. Vollkommener Grundstrahl 47 Unvollkommener Grundstrahl 48 Ausfluß aus kleinen Öffnungen Vollkommener Ausfluß 51 Unvollkommener Ausfluß 52 Potentialströmung Potentialtheoretisches Modellkonzept Geschwindigkeitspotential und Laplace-Gleichung. Stationäre ebene Potentialströmung Potentialnetz Netzerstellung Grafische Methode 57 Analytische Ansätze 58 Elektrische Analogie 59 Numerische Verfahren 59 Netzauswertung. Geschwindigkeitsfeld 60 Drockfeld 62 Grundwasserhydraulik... Durchströmung poröser Medien Eigenschaften des Strömungsträgers Widerstandsverhalten Potentialtbeoretische Analogie Verallgemeinerte Darcy-Gleichung Potentialnetzanwendungen. Bauwerksunterläufigkeit 69 Sohlenwasserdruck 70 Hydraulischer Grundbruch 71 Strömungen mit freiem Grundwasserspiegel Aufbereitung der Kontinuitätsbedingung Volumenstrombilanz 74 Dupuit-Annahme 74 Boussinesq-Gleichung 75 Dupuit-Forcbbeimer-Gleichung 75 Stationäre Strömungsfälle (Boden homogen und isotrop) Dammdurchsickerung 76 Abzugsgräben 76 Entwässerungsstollen 77 Brunnenfonneln 78 Kritische Wertung

4 I Verallgemeinerte Dupuit-Forchheimer-G1eichung. Numerische Auswertung Quadratraster 81 Diskretisierung 82 Gleichungssysrern 82 Weitere numerische Auswertemöglichkeiten 83 Rohrhydraulik Stationäre Rohrströmungen Druck-und Energielinienverlauf.. Verlusthöhenarten. Ortliehe Verlusthöben 86 Kontinuierliche Verlusthöhen 86 Nichtkreisförmige Rohrquerschnitte. Schubspannung und mittlere Geschwindigkeit. Verlusthöhe und Wandschubspannung SChubspannungsverteilung Darcy-Weisbach-G1eichung Verlusthöhenberechnung Örtliche Widerstände. Einlaufverlust 93 Rechenverlust 93 Verluste durch Querschnittswechsel 94 Umlenkungsverlust 95 Abzweigverluste 96 Verluste durch Verschlußorgane 98 Verluste durch Einbauten und Nischen 99 Rohrwiderstand bei laminarer Strömung. Rohrwiderstand bei turbulenter Strömung. Hydmulisch glattes Widerstandsverhalten 104 Vollkommen rauhes Widerstandsverhalten 105 Ubergangsverbalten bei Sandrauheit 106 Prandtl-Colebrook-Gleichung Rauheitsbestimmung. Schätzverfahren 108 Abtastverfahren 111 Rohrstromungsexperiment 111 Asymmetrische Spaltströmung 112 Geschwindigkeitsverteilung Laminares Geschwindigkeitsprofil Turbulente Geschwindigkeitsprofile. Glatte Rohrwand 116 Raube Rohrwand 117 Vergleich mit der Spaltströmung 117 Instationäre Rohrströmungen Schwingungsfähige Systeme. Massenschwingung 119 Druckwellen 120 IX

5 X Schwingung des Wasserspiegels im Schwallschacht Reduzierte Schwingungsuntersuchung 123 Betriebsfall..Schließen" 124 Betriebsfall "Öffnen" 125 Betriebsfall "Teilöffoen" 125 Betriebsfall "Allmähliches Öffnen" 126 Numerische Auswe,rtung 126 Einzeldruckrohr unter Druckstoßbelastung... Gleichungssystem 127 Linearisierte Gleichungen 130 Druckstoßberechnung nach Allievi Reglercharakteristik 132 Allievische Kettengleichungen 132 Druckstoß-Sonderfälle 133 8etriebsfall "SchnellschluP" 133 Betriebsfall Sch""lllJjflllmg" 134 DruckstöfJe nach beendetem SchliefJen 134 Druckstö{Je nach beendetem Öffnen 134 Gerinnehydraulik... Stationäre Gerinneströmungen Normalabfluß. Dimensionslose Fließfonnel -138 Manning-Strickler-Formel 139 Abflußkurven 142 Dreieckgerinne 143 Teilg4Jllltes Rohr 143 Einfluß der Querschnittsform. Ebene Strömung mit freier Oberfläche Schubspannungsverteilung 149 Laminare GerinnestTÖmung 149 Turbulente GerinnestTÖmung 150 Glatte Sohle 151 Rallhe Sohle 151 Gegliederte Gerinne.. Gerinne mit Vorländem 152 Rauheitsgegliederte Gerinne 154 Seitenwandeinfluß beim Rechteckgerinne 155 Mindestenergieltöhe und mögliche Wassertiefen Schießen 158 Strömen 159 Kritischer (Grenz-)Zustand 159 Sonderfall Rechteckgerinne 160 Grenztieje 160 Grenzgeschwindigkeit 160 Energiehöhenminimum 160 fr1aximalabflup 160 OrtHche Verlusthöhen bei strömendem Abfluß Einlaufverlust 161 Erweiterungsverlust 162 Tauchwandverlust

6 XI Gerinnebauwerke 164 Einbauten 164 Obergangsbauweru 164 Wehranlagen 165 Wechselsprung 166 Aufstau Aufstau bei strömendem Durchfluß 169 Aufstau bei Fließwechsel 171 Ungleichförmiger Abfluß in Gerinnen. Spiegelliniengleichung 173 Abschätzung des Spiegellinienverlaufs 175 Iterative Spiegellinienberechnung 176 Methode I, Methode Methode 3, Methode Iterative Auswertung 118 Berechnungsrichtung 179 Vorarbeiten luit1 begleitende Kontrollen 180 Disk.ontinuierlicher Abfluß 181 Streichwehr 183 Sammelrinne 184 Abfluß mit Lufteinmischung 185 Selbstbeliifteter Alf/uß 186 Zwangsbeliifteter Alf/uß 190 Abfluß in gekrümmten Schußrinnen 192 Instationäre Strömungen mit freiem Wasserspiegel Vorkommen, häufige Berechnungsfälle. Flutwellen 194 Schwall- und Sunkwellen 194 Einzelwellen 195 Periodische Oberflächenwellen 195 Instationäre Spiegellinienberechnung Einzelwellen, Schwall und Sunk... Fortschreitende Oberflächenwellen. Sinusoidal-Wellen 203 Cnoidal-Wellco 206 Wellenbewegung unter Ufereinfluß... Refraktion 208 Shoaling 210 Brandung 211 Diffraktion 212 Reflexion 213 Bauwerksbelastung durch Wellen... Vertikale Wand mit stehender Welle 215 Vertikale Wand mit brechender Welle 217 Pfahlartige Bauwerke Einleitungs- und Ausbreitungsvorgänge Umweltrelevante Strömungsprobleme Geschichtete Ausbreitung Dichteströme 222 Kritische Schichtdicke 225

7 XII \ Salzwasserkeil 226 Warmwasserkeil 226 Widerstandsdaten und Dichtewerte 227 Durchmischte Ausbreitung Diffusion und Dispersion 230 TransportgIeichungen 231 Dispersionskoeffizienten 233 Salzwasserintrusion 234 Wärmeausbreitung 236 Sedimenttransport. Ursachen, Arten, Begriffe. Feststoffmaterial 241 Transportarten 242 Geschiebeführende Schicht 243 Maßgebende Komgröße 243 Transportkörper 244 Soh\enbeanspruchung. Kompaktquerschnitt des Hauptgerinnes 245 Sohle des Hauptgerinnes 245 Transportwirksame Schubspannung. Reduzierte Schleppspannung 247 Bettrauheit 248 Kornrauheit 252 Reduktionsfaktor 252 Kritische Sohlenschubspannung. Shields-Diagramm 255 Liu-Darstellung 258 Sinkgeschwindigkeit 259 Suspensionsbeginn 261 Stabilisierende Effekte 262 Geschiebetransport. Meyer-Peter-Fonnel 265 Einstein-Fonnel 266 Engelund-Fredsoe-Formel 267 vanrijn-fonnel 268 Zanke-Fonnel 268 Fonnelvergleich 269 Schwebstofftransport. Schwebstoffverteilung 270 Referenzkonzentration 272 Transportierte Schwebstoffmasse 275 Gesamltransport. Einstein-Formel 279 Pernecker-Vollmers-Fonnel 280 Engelund-Hansen-Fonnel 280 Ackers-White-Formel 280 Formelvergleich 281 Transport fraktionsweise 282 Kennzahlenübersicht \

8 XIII Eintiefung und Auflandung Quasi-stationäre Berechnung 288 Instationäre Berechnung 288 Diffusionsanalogie 289 Hyperbolisches Modell 293 Tabellenverzeichnis. Formelzeichen... Literaturverzeichnis Sachverzeichnis 286 xv XVII