Hydromechanik der Gerinne und Küstengewässer: für Bauingenieure, Umwelt- und Geowissenschaftler
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| Format: | Book |
| Language: | German |
| Published: |
Berlin
Parey Buchverl.
2002
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| Subjects: | |
| Online Access: | Inhaltsverzeichnis |
| Physical Description: | XIX, 330 S. Ill., graph. Darst. |
| ISBN: | 3826334035 |
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| adam_text | Titel: Hydromechanik der Gerinne und Küstengewässer
Autor: Zanke, Ulrich
Jahr: 2002
Inhaltsverzeichnis
Vorwort V
Symbolverzeichnis XIV
1 Historische Entwicklung 1
2 Eigenschaften von Flüssigkeiten 5
2.1 Allgemeines.................................... 5
2.2 Dichte....................................... 5
2.3 Schallausbreitung ................................ ^
2.4 Viskosität (Zähigkeit).............................. 7
2.5 Scheinviskosität ................................. 10
2.6 Dampfbildung, Dampfdruck, Kavitation.................... 11
2.6.1 Dampfbildung................................ ?
2.6.2 Dampfdruck, Kavitation.......................... 12
2.7 Oberflächenspannung.............................. 13
2.8 Kapillarität.................................... 13
3 Hydrostatik 15
3.1 Vorbemerkung..................................
3.2 Druck....................................... 15
3.3 Überdruck, Unterdruck, Atmosphärendruck.................. 16
3.4 Druckhöhe.................................... 17
3.5 Druckkraft.................................... 17
3.6 Lage des Kraftangriffs.............................. 18
3.7 Schräge ebene Wände.............................. 19
3.8 Teilflächen unter der Oberfläche........................ 20
3.9 Gekrümmte Wände............................... 20
3.10 Innendruck in Rohrleitungen und Behältern.................. 21
3.11 Ausrichtung der Oberfläche........................... 22
4 Hydrodynamik 23
4.1 Aufgaben, Phänomene und Lösungswege................... 23
4.1.1 Aufgabe der Hydrodynamik........................ 23
4.1.2 Phänomene ................................. 23
Inhaltsverzeichnis
4.1.3 Lösungswege................................. 24
4.1.3.1 Grundannahmen........................... 24
4.1.3.2 Lösung durch Modelle und Modellvorstellungen.......... 25
4.1.4 Genauigkeit hydraulischer Berechnungsergebnisse............ 28
4.2 Definitionen und Grundzusammenhänge.................... 30
4.2.1 Definitionen................................. 30
4.2.1.1 Querschnitt, Geschwindigkeit, mittlere Querschnittsgeschwindigkeit 30
4.2.1.2 Rohrströmung - Offenes Gerinne .................. 31
4.2.1.3 Druckhöhenlinie und Energiehöhenlinie............... 32
4.2.1.4 Gleichförmige oder ungleichförmige Strömung........... 33
4.2.1.5 Stationare oder instationäre Strömung............... 33
4.2.1.6 Begriffe: Wirbel und Walzen..................... 34
4.2.2 Grundgleichungen und grundlegende Zusammenhänge.......... 36
4.2.2.1 Massenerhaltung (Kontinuitätsgleichung).............. 36
4.2.2.2 Energieerhaltung (BERNOULLI- Gleichung)............ 36
4.2.2.3 Impulsstrom, Kräftebilanz (Stützkraftsatz)............. 39
4.2.2.4 Turbulenz............................... 44
4.2.2.5 Energieverluste, Wandschubspannung................ 47
4.2.3 Potentialströmung.............................. 56
4.2.3.1 Grundlagen.............................. 56
4.2.3.2 Potentialnetze............................. 59
4.2.3.3 Kreisströmung............................. 62
4.3 Energie Verluste in Rohren und Gerinnen ................... 64
4.3.1 Verlusthöhen, Widerstands- und Verlustbeiwerte............. 64
4.3.2 Strömungswiderstand............................ 65
4.3.2.1 Strömungszustand .......................... 65
4.3.2.2 Grenzschicht.............................. 66
4.3.3 Reibungs-Verlustbeiwerte.......................... 67
4.3.3.1 Laminare Strömung.......................... 67
4.3.3.2 Turbulente Strömung......................... 70
4.3.3.3 Berechnungsgleichungen....................... 73
4.3.3.4 Äquivalente Sandrauheit ks..................... 73
4.3.3.5 Formrauheiten ............................ 75
4.3.4 Örtliche Verluste .............................. 76
4.4 Strömungen in Rohren ............................. 77
4.4.1 Allgemeines.............................. 77
4.4.2 Berechnungsgrundlagen.......................... 78
4.4.3 Berechnungs-Grundfälle .......................... 82
Inhaltsverzeichnis ¡?
4.4.4 Örtliche Verluste .............................. 83
4.4.4.1 Querschnittsänderungen....................... 83
4.4.4.2 Einlauf................................. 85
4.4.4.3 Krümmer............................... 86
4.4.4.4 Segmentkrümmer........................... 86
4.4.4.5 Kniestücke............................... 87
4.4.4.6 Rohrvereinigungen und Abzweige.................. 87
4.4.4.7 Verschlußorgane............................ 88
4.4.4.8 Einbauten............................... 89
4.4.4.9 Austrittsverluste........................... 90
4.4.5 Geschwindigkeits- und Durchsatzmessung................. 91
4.5 Strömungen in offenen Gerinnen........................ 93
4.5.1 Allgemeines................................. 93
4.5.2 Strömen-Schießen-Wechselsprung..................... 94
4.5.2.1 Grenzzustand............................. 95
4.5.2.2 Übergänge Strömen - Schießen - Strömen ............. 100
4.5.2.3 hgr und vgr bei anderen Querschnittsformen............ 102
4.5.3 Normalabfluß................................ 103
4.5.3.1 Fließformeln für Normalabfluß.................... 104
4.5.3.2 Hydraulischer Radius......................... 106
4.5.3.3 Widerstandsbeiwerte ?........................ 106
4.5.3.4 Empirische Fließformeln....................... 106
4.5.3.5 Genauigkeitsrahmen und Rückrechnung der Rauheit....... 109
4.5.3.6 Abflußkurve (Schlüsselkurve)....................HO
4.5.3.7 Geschwindigkeitsverteilung in geraden Fließstrecken........ 111
4.5.3.8 Geschwindigkeitsverteilung in Kurven offener Gerinne ...... 118
4.5.4 Örtliche Verluste (Querschnittsänderungen, Einbauten, Richtungsände-
rungen) .................................... 120
4.5.4.1 Umströmung von Inseln....................... 120
4.5.4.2 Verluste an Einlaufen......................... 121
4.5.4.3 Pfeiler................................. 122
4.5.4.4 Rechen................................. 127
4.5.5 Gerinne - Querschnitte........................... 128
4.5.5.1 Hydraulisch günstige Querschnittsformen.............. 128
4.5.5.2 Natürliche Querschnittsformen und Ersatzquerschnitte...... 129
4.5.5.3 Gegliederte Querschnitte....................... 130
4-5.6 Gerinne mit Bewuchs............................ 131
4-5.7 Steilgerinne ................................. 132
Inhaltsverzeichnis
4.5.8 Teilgefüllte Rohrleitungen.........................133
4.5.9 Ausfluß und Überfall............................135
4.5.9.1 Allgemeines.............................. 135
4.5.9.2 Ausfluß ................................ 136
4.5.9.3 Abfluß über Wehre.......................... 138
4.5.9.4 Ausfluß unter Schützen........................ 144
4.5.9.5 Druckkräfte auf Schützen und Klappen............... 146
4.5.9.6 Heber ................................. 147
4.5.9.7 Abstürze................................ 149
4.5.9.8 Tosbecken............................... 150
4.6 Ungleichförmige Strömung...........................154
4.6.1 Differentialgleichung der Wasserspiegellinie................ 154
4.6.2 Iterative Wasserspiegelberechnung..................... 155
4.6.3 Ungleichförmigkeit infolge Zu- oder Ableitung.............. 157
4.6.4 Überschlägige Berechnung der Stauweite................. 158
4.7 Instationäre Strömung.............................. 160
4.7.1 Allgemeines.................................160
4.7.2 Schwall und Sunk..............................160
4.7.3 Druckstoß in Rohrleitungen........................163
4.7.3.1 Effektive Druckstoßgeschwindigkeit................. 163
4.7.3.2 Reflexionen von Druckstößen .................... 164
4.7.3.3 Wasserschloß ............................. 165
4.8 Sekundärströmungen .............................. 166
4.8.1 Allgemeines.................................166
4.8.2 Sekundarströmungen erster Art......................166
4.8.2.1 Sekundärströmungen in seitlichen Ausbuchtungen......... 166
4.8.2.2 Sekundärströmungen in Abzweigen................. 167
4.8.2.3 Strömung in Krümmungen...................... 168
4.8.3 Sekundärströmungen zweiter Art ..................... 172
4.9 Sedimenttransport................................ 174
4.9.1 Relevanz...................................174
4.9.2 Quantitativer Transport..........................175
4.9.2.1 Genauigkeit..............................175
4.9.2.2 Definitionen und Materialkennwerte ................175
4.9.2.3 Sedimente (Definitionen, Herkunft).................176
4.9.2.4 Wirksame Schubspannung an der Sohle...............176
4.9.2.5 Kritische Strömungszustände, Bewegungsbeginn..........177
4.9.2.6 Geschiebetransport..........................181
Inhaltsverzeichnis XI
4.9.2.7 Transport in Suspension....................... 185
4.9.2.8 Gesamttransport........................... 194
4.9.3 Transportmengen-Dauerlinie........................ 195
4.9.4 Morphodynamische Modelle........................ 196
4.9.5 Sohlensicherung mit Steinschüttungen .................. 196
4.10 Hydromechanische Grundlagen der Wasser- und Windkraftnutzung .... 199
4.10.1 Generelles.................................. 199
4.10.2 Leistung................................... 200
4.10.3 Hydraulische Varianten der Energieumwandlung............. 202
4.10.3.1 Freistrahlturbine (PELTON-Turbine)................. 202
4.10.3.2 Turbinen in Rohrleitungen...................... 206
4.10.3.3 Leiteinrichtungen........................... 212
4.10.3.4 Wasserräder.............................. 213
4.10.4 Windkraft.................................. 216
4.10.5 Pumpen................................... 218
5 Hydromechanik des Küstenbereichs 220
5.1 Tiden (Gezeiten)................................. 220
5.1.1 Allgemeines................................. 220
5.1.2 Begiffe, Definitionen............................. 221
5.1.2.1 Tidekurve und Tidewellenlinie.................... 221
5.1.3 Entstehung der Gezeiten.......................... 222
5.1.4 Ausprägung der Gezeiten.......................... 227
5.1.4.1 Gezeiten in Meeren.......................... 227
5.1.4.2 Gezeiten in Flüssen.......................... 234
5.1.5 Veränderung von Wassertiefe oder lokalem Füllvolumen......... 240
5.2 Windstau..................................... 242
5.2.1 Allgemeines................................. 242
5.2.2 Wirksame Windschubspannung...................... 242
5.2.3 Windstauansatz ohne Rückströmung................... 244
5.2.4 Windstau bei Zirkulationsströmung.................... 245
5.3 Wellen und Seegang............................... 248
5.3.1 Allgemeines................................. 248
5.3.2 Natürlicher Seegang............................. 252
5.3.2.1 Auswertung von Wellenmessungen................. 252
5.3.2.2 Beschreibung des Seegangs...................... 254
5.3.3 Wellenausbildung unter Windeinfluß
(Seegangs vor hersage)............................ 261
5.3.4 Wellentheorien................................ 262
Inhaltsverzeichnis
5.3.4.1 Lineare Theorie (Theorie kleiner Wellenhöhen) ..........262
5.3.4.2 Theorien endlicher Wellenhöhen...................264
5.3.5 Strömungen unter Wellen..........................267
5.3.6 Energie, Energiefluß und Gruppengeschwindigkeit............267
5.3.7 Wechselwirkungen bei Grundberührung ( Flachwassereffekte ).....269
5.3.7.1 Vorbemerkung............................. 269
5.3.7.2 Shoaling................................ 269
5.3.7.3 Refraktion............................... 270
5.3.7.4 Wellenbrechen............................. 272
5.3.8 Effekte an Hindernissen........................... 283
5.3.8.1 Diffraktion............................... 283
5.3.8.2 Reflexion................................ 284
5.3.8.3 Transmission ............................. 287
5.3.8.4 Wellenauflauf............................. 290
6 Simulation von Strömungen 292
6.1 Wasserbauliches Versuchswesen......................... 292
6.1.1 Allgemeines................................. 292
6.1.2 Modellgesetze................................ 293
6.1.2.1 Strömungen mit freier Oberfläche.................. 293
6.1.2.2 Luftmodelle von Flüssen....................... 294
6.1.2.3 Strömungen in vollgefüllten Rohren................. 296
6.2 Numerische Simulation............................. 297
6.2.1 Einsatzbereiche numerischer Modelle................... 297
6.2.2 Formulierung numerischer Modelle .................... 298
6.2.3 Auswahl der Prozesse ........................... 300
6.2.4 Modellgleichungen.............................. 303
6.2.4.1 Auswahl der Modellgleichungen................... 303
6.2.4.2 Beispiel einer Modellgleichung: Massenerhaltung und Transport-
gleichung ................................303
6.2.4.3 Kontinuitätsgleichung ........................304
6.2.4.4 Impulsgleichung............................305
6.2.5 Grundlegende numerische Methoden ...................306
6.2.5.1 Gitternetze.............................. 306
6.2.5.2 Finite Differenzen (FD) ....................... 308
6.2.5.3 Finite Elemente (FE)......................... 309
6.2.5.4 Finite Volumen (FV)......................... 309
6.2.6 Instationäre Probleme ........................... 311
6.2.7 Numerische Effekte............................. ??
Inhaltsverzeichnis XIII
6.2.7.1 Numerische Diffusion.........................311
6.2.7.2 Überschwingen der Lösung......................313
6.2.8 Ablauf einer Modellierung.........................313
Tabellenverzeichnis 316
Literaturverzeichnis 317
Namens- und Stichwortverzeichnis 323
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