huss Technische Hydromechanik Band 4 Hydraulische und numerische Modelle 2., durchgesehene und korrigierte Auflage Helmut Martin, Reinhard Pohl u. a.

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1 Technische Hydromechanik Band 4 Hydraulische und numerische Modelle -? 2., durchgesehene und korrigierte Auflage Helmut Martin, Reinhard Pohl u. a. HUSS-MEDIEN GmbH Berlin huss

2 Inhaltsverzeichnis 1 Hydraulisches Versuchswesen (G. Bollrich, D. Aigner) r 1.1 Einleitung Ähnlichkeit eines hydraulischen Modells ; Kriterien der mechanischen Ähnlichkeit Kombination physikalischer Größen Dimensionsanalyse (ZT-Theorem) Dimensionslose Zahlen aus Kräfteverhältnissen Dimensionslose Darstellung von Differentialgleichungen Ähnlichkeitsgesetze ; Eulersches Modellgesetz Frondesches Ähnlichkeitsgesetz ' Verzerrtes FroudemodeU Reynolds'sches Ähnlichkeitsgesetz Webersches Ähnlichkeitsgesetz Cauchy-Machsches Ähnlichkeitsgesetz Modellregeln und Übertragungsgrenzen Turbulenzgrenze Fließwechselgrenze Rauheitsgrenze Kapillargrenze Kavitationsgrenze Belüftungsgrenze Verzerrte Modelle : Modelle mit bewegter Sohle Modellfamilien Analogiemodelle Numerische Modelle Hydrometrie Messgrößen Messungen des Wasserstandes Druck-, Kraft- und Spannungsmessung Geschwindigkeitsmessung Durchflussmessung Temperaturmessungen Sonstige Messverfahren Ausweitung der Messergebnisse 49

3 VIII Inhaltsverzeichnis 1.6 Literatur Verwendete Bezeichnungen in Kapitel Gerinneströmung (H. Martin, D. Carstensen) 2.1 Einleitung :C Fließformeln ' Klassische Fließformel von Brahms und de Chezy Empirische Fließformel Universelle Fließformel Stationär gleichförmiger Durchfluss Rauheiten Gleichmäßig über den benetzten Umfang verteilte Rauheiten Ungleichmäßig über den benetzten Umfang verteilte Rauheiten Fließquerschnitt Rechteckprofil Trapezprofil = Kreisprofil Muldenprofil Haubenprofü Zusammengesetzte Querschnitte Stationär ungleichförmiges Fließen Schubspannungen (D. Carstensen) Phänomenologische Theorien der turbulenten Strömung Schubspannung bei ungleichförmigem Abfluss Bestimmung der lokalen Wandschubspannung Literatur Verwendete Bezeichnungen in Kapitel Numerische Modellierung ober- und unterirdischer Strömungs- und Transportprozesse (H.-J. G. Diersch) 3.1 Einleitung Grundlagen und Voraussetzungen Erhaltungsprinzip Formen der Bilanzgleichungen Mathematische Konventionen Gravitation und Variable HydraulischerRadius Freie Oberflächen 121

4 Inhaltsverzeichnis j IX Viskose Spannungen auf Oberflächen > Potentialströmung Grundlegende Bilanzgleichungen Fluid-Massenerhaltung Fluid-Impulserhaltung Z)arcy-Strömung im porösen Medium Ebene und drehsymmetrische Parallel-(/>OKew//e)-Strömung Bewegungsgleichungen für Oberflächenabfluss und Kanalströmung Massenerhaltung chemischer Spezies (Kontaminanten) Energieerhaltung Verallgemeinerte Transportgleichungen Strömung Kontaminanten-Transport Wärme-Transport Fimte-Element-Formulierungen Hauptgleichung, Randbedingungen und Wichtungsansatz Räumliche Diskretisierung Zeitliche Diskretisierung O-Methode Prädiktor-Korrektor-Methode..' Finite-Element-Basisoperationen Anwendungen Strömungssimulator FEFLOW Problemerstellung Variantenberechnungen und weiterführende Aufgaben Zusammenfassung Literatur 160 Anlage A: Nomenklatur 161 Anlage B: Analytische Auswertung der Matrixelemente für ein 1 D-Kanalelement Hydraulik der Wasserbehandlungsanlagen und industrieller Prozesse (D. Aigner) 4.1 Einleitung, Grundlagen der hydraulischen Bemessung Erhaltungssätze Fließformeln Strömungsverluste Überfalle : Ausfluss '. 176

5 X Inhaltsverzeichnis 4.3 Spezielle hydraulische Problemstellungen Stromtrennung Wasserverteilung Stromvereinigung Wasserabzug Freigefälledruckleitungen Versturzleitungen : Strömungsturbulenz Entstehung der Strömungsturbulenz Turbulenzdefinition Z Turbulenztheorie Auswirkungen turbulenter Strömungen Turbulenzerzeugung Turbulenzverhinderung Beurteilung der hydraulischen Wirksamkeit Schlüsselkurve einer Anlage Gradienten-Zeit-Diagramm Geschwindigkeits- und Impulsentwicklung» Dichteströmung und Dichteschichtung Verweilzeitanalyse Literatur Verwendete Bezeichnungen in Kapitel Probabilistische Aspekte der hydraulischen Bemessung (R. Pohl) 5.1 Deterministische Bemessung Bemessung auf probabilistischer Grundlage Grundlagen für die probabilistische Bemessung Datengewinnung, Korrelation und Regression Verteilungsfunktionen Momente der Verteilungsfunktionen Anpassung spezieller Verteilungsfunktionen an Datenreihen Normalverteilung : Logarithmische Normalverteilung Extremwertverteilungen GwOTÄe/verteilung Pearswj-III-Verteilung und Log-Pearson -III-Verteilung Anpassungstest für die gewählte Verteilung Zweidimensionale stetige Verteilungen Erzeugung von Zufallszahlen Anwendungen auf hydrologisch-meteorologische Größen 255

6 Inhaltsverzeichnis XI 5.4 Logische Bäume Fehlerbaum Ereignisbaum Ursachen - Folgen - Diagramm Geschlossene Lösungen : Statistische Versuche, Monte-Carlo-Methode Zulässige Versagenswahrscheinlichkeiten Literatur Verwendete Bezeichnungen in Kapitel Spezielle hydraulische Probleme an ausgewählten Betriebseinrichtungen (H. Martin) > 6.1 Kavitation bei Betriebseinrichtungen Einleitung : Physikalische Grundlagen Kavitationsmodelle r Kennzahlen für Kavitationserscheinungen Vereinfachtes Kavitationsmodell Schlussfolgerungen Standardüberfälle Einleitung Konstruktive Gestaltung Überfallströmungen Ermittlung des Abflusses Einschätzung der Kavitationsgefahr : Ringkolbenventile in Grundablass- und Entnahmeleitungen von Stauanlagen Einleitung Hydraulische und geometrische Parameter Stellverhältnis Flächenverhältnisse des Austrittsstrahles Hydraulische Parameter Ringkolbenventil am Ende einer Rohrleitung Ringkolbenventil mit einer angeschlossenen Rohrleitung h Kavitationsverhalten Ausmündung in Luft Anschluss einer Rohrleitung Berechnungsbeispiele Literatur Verwendete Bezeichnungen in Kapitel 6 343

7 XII Inhaltsverzeichnis 7 Rohrnetze, Druckstoß in Rohrleitungen (H.-B. Horlacher) 7.1 Einleitung Wichtige Grundgleichungen für die Rohrnetzberechnung Grundgleichungen der Rohrströmung Grundgleichungen von örtlichen Verlusten und von Anlagenkomponenten Grundstrukturen von Rohrleitungssystemen , Elemente und Knoten : Verästelungssysteme Maschensystem Berechnungsverfahren für Rohrleitungsnetze Grundsätzliche Einteilung der Verfahren Maschenorientierte Berechnungsverfahren 351 ' Sequentielle Lösungsmethode (Cross-Verfahren) ' Simultane Lösungsmethode Knotenorientierte Berechnungsverfahren Instationäre Strömungen in Rohrleitungen Einführung : Berechnungsgrundlagen Bewegungsgleichung Die Kontinuitätsgleichung " Zur Druckwellenfortpflanzungsgeschwindigkeit Das Charakteristikenverfahren Randbedingungen Allgemeines Behälter mit konstantem Wasserspiegel Behälter mit veränderlichem Wasserspiegel Geschlossene Armatur Drossel Armatur am Ende einer Rohrleitung Armatur zwischen zwei Rohrleitungen Knoten Druckbehälter mit Gaspolster (Windkessel) Druckbehälter mit Gaspolster und Drossel Wasserschloss Pumpe mit konstanter Drehzahl Programmbeispiel: Armatur am Ende einer einsträngigen Leitung Literatur Verwendete Bezeichnungen in Kapitel 7 : 396 Stichwortverzeichnis 397