Hydromechanik. WS 10/11 4 SWS Vorlesung/Übungen Prof. Dr. rer.. nat. Manfred Koch
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1 Hydromechanik WS 10/11 4 SWS Vorlesung/Übungen Prof. Dr. rer.. nat. Manfred Koch kochm@uni-kassel.de Daniela Petzke dpetzke@uni-kassel.de Gebäude Technik III/2 Glaskasten 4. Etage Raum Fachbereich Geohydraulik und Ingenieurhydrologie 1 Hydromechanik Hy dro-, (vor Vokalen auch:) hydr-, Hydr- [zu griech. hýdor = Wasser] Me cha nik,die; -, -en [lat. (ars) griech. mēchanike (téchnē) = die Kunst, Maschinen zu erfinden Hydrostatik Lehre von den ruhenden Flüssigkeiten und den sich in ihnen ausbildenden inneren Kräften unter dem Einfluss äußerer Kräfte Hydrodynamik Lehre von der Bewegung der Flüssigkeiten unter dem Einfluss von äußeren und Trägheitskräften Fachbereich Geohydraulik und Ingenieurhydrologie 2 1
2 Wasserversorgung The Great Man-Made River Project (Lybien) Fachbereich Geohydraulik und Ingenieurhydrologie 3 mehrere Funktionen: Energiegewinnung Trinkwasser Hochwasserschutz Naherholung Fischerei Talsperre Edersee (Hessen) Talsperre Carlsfeld (Sachsen) Fachbereich Geohydraulik und Ingenieurhydrologie 4 2
3 Wasserkraft, Verkehrswasserbau Drei-Schluchten-Staudamm (Jangtsekiang, China) Fachbereich Geohydraulik und Ingenieurhydrologie 5 Verkehrswasserbau Suez-Kanal (Ägypten) Fachbereich Geohydraulik und Ingenieurhydrologie 6 3
4 Hochwasserschutz Hochwasserrückhaltebecken Fachbereich Geohydraulik und Ingenieurhydrologie 7 Grundwassernutzung, Flussbau (Renaturierung), Küstenschutz Grundwasserabsenkung, Grundwassersanierung Küstenschutz (Deich) Flussbau (Renaturierung) Fachbereich Geohydraulik und Ingenieurhydrologie 8 4
5 Gliederung Vorlesung Kapitel 0. bis Einführung, Tabellen - physikalische Größen, Einheiten - physikalische & chemische Eigenschaften des reinen Wassers 1. Hydraulisch relevante Eigenschaften der Fluide - Dichte, Zähigkeit, Oberflächenspannung, Wärmedehnung usw. 2. Hydrostatik - Druck (Definition, Druckhöhe, hydrostatische Grundgleichung, Manometer) - hydrostatische Kräfte (horizontale, vertikale, geneigte Flächen) - Auftrieb eines Körpers in Flüssigkeiten 3. Grundprinzip und Gesetze der Hydromechanik beweglicher Fluide - Arten von Strömungen, Massenerhaltung, Bernoulli-Gleichung, Implussatz Fachbereich Geohydraulik und Ingenieurhydrologie 9 Gliederung Vorlesung Kapitel 4. bis Grundlagen der Hydromechanik realer Strömungen - hydromechanische Kennzahlen, laminare & turbulente Strömung usw. - Gesetz von HAGEN-POISEUILLE, DARCY-WEISBACH Gesetz usw. 5. Strömungen um Körper: K Fluid- und aerodynamische Widerstände - Widerstandskraft und Auftrieb, Aspekte der Grenzschichttheorie - praktische Berechnung des Widerstandes (Beiwert) 6. Gerinneströmungen - physikalische Grundprinzipien der stationären, reibungsfreien Gerinneströmung - stationäre, reibungsbehaftete Gerinneströmung - empirische Fließformeln für Gerinneströmungen - Optimierung von Gerinne - Querschnitten Fachbereich Geohydraulik und Ingenieurhydrologie 10 5
6 Informationsmaterialien, Literatur Skript, Zusammenfassung Vorlesung, Literatur, Übungsaufgaben Literatur BOLLRICH, G. (1996): Technische Hydromechanik 1. Verlag Bauwesen, Berlin BOHL, W. (1987): Technische Strömungslehre. Vogel Buchverlag, Würzburg. MARTIN/ POHL/ ELZE (1996): Technische Hydromechanik 3. (Aufgabensammlung). Verlag für Bauwesen, Berlin. ROBERSON/ CROWE (1993): Engineering Fluid Mechanics. John Wiley Sons Inc., New York EVETT/ LIU (1989): Fluid Mechanics & Hydraulics. McGraw-Hill Inc Fachbereich Geohydraulik und Ingenieurhydrologie 11 Physikalische Größen und Einheiten Fachbereich Geohydraulik und Ingenieurhydrologie 12 6
7 Physikalische Größen und Einheiten Druck Energie Fachbereich Geohydraulik und Ingenieurhydrologie 13 Das Wassermolekül Wassermolekül Polarität des Wassermoleküls Ausbildung von Wasserstoffbrücken Molekulare Packung in Wasser (links) und Eis (rechts) Fachbereich Geohydraulik und Ingenieurhydrologie 14 7
8 temperaturabhängige Kenngrößen des reinen Wassers (1) Dichte ρ = 1000 [kg/m³] (2) Wichte γ = g * ρ [kg/m²s² bzw. N/m³] (3) Dynamische Viskosität µ = 10exp-3 [Pa *s] Kinematische Viskosität ν = µ/ ρ = 10exp-6 [m²/s] (4) Kompressibilität ϐ = 1/V * dv/dp [1/Pa] Inkompressibilität 1/ϐ = E [Pa] (5) Oberflächenspannung ϭ = 7.2 * 10exp-2 [N/m] (6) Leitfähigkeit [µs, ms, S] (7) Aggregatzustände: Eis, Wasser, Dampf Fachbereich Geohydraulik und Ingenieurhydrologie 15 temperaturabhängige Kenngrößen des reinen Wassers Fachbereich Geohydraulik und Ingenieurhydrologie 16 8
9 Beispiel Pumpspeicherwerk Waldeck Pumpspeicherkraftwerk Waldeck dient der elektrischen Energieerzeugung durch Umwandlung der potentiellen Energie aus Wasser. Die Stromerzeugung geschieht durch den Einsatz einer Francis-Turbine, wobei das zuvor bergauf gepumpte Wasser mittels Fallrohre (Druckrohre) die Turbine durchströmt. allgemeines Schema (Pumpspeicherwerk) Fachbereich Geohydraulik und Ingenieurhydrologie 18 9
10 Beispiel Pumpspeicherwerk Waldeck Maschinensätze Pumpspeicherwerk Pumpspeicherwerk Waldeck und Unterbecken (leereres) Oberbecken Fachbereich Geohydraulik und Ingenieurhydrologie 19 Berechnungen Pumpspeicherwerk Aufgabenstellungen: (1) Das Oberbecken hat eine Fläche von 16.4 km². Das Wasser fließt durch Röhren in das 200m tiefer liegende Unterbecken. Um welche Höhe d senkt sich der Wasserspiegel im Oberbecken, wenn durch das Ausströmen des Wassers in das Unterbecken die Energie von 5.1*10 8 KJ frei wird? (2) *Wie viel m³ Wasser muss durch die Röhre strömen, damit die Energie von 213KJ, die sie z.b. zum Kochen von 0.6L Wasser benötigen, erzeugt wird? [ƞ Rohr = 0.95; ƞ Turbine = 0.9; ƞ elek = 0.8; Höhendifferenz Ober- und Unterbecken beträgt 360m] *Auszug Aufgabe 8, Physikklausur Februar Fachbereich Geohydraulik und Ingenieurhydrologie 20 10
11 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fachbereich Geohydraulik und Ingenieurhydrologie 21 11
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