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Hydraulik I W. Kinzelbach 1. Einführung und Eigenschaften des Wassers.

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Präsentation zum Thema: "Hydraulik I W. Kinzelbach 1. Einführung und Eigenschaften des Wassers."—  Präsentation transkript:

1 Hydraulik I W. Kinzelbach 1. Einführung und Eigenschaften des Wassers

2 Wasserdisziplinen Grundlagenfächer –Hydromechanik (Hydraulik = technische Hydromechanik) –Hydrologie Anwendung –Wasserwirtschaft –Wasserbau –Siedlungswasserwirtschaft

3 Wo wird Hydromechanik benötigt? (1) Wasserversorgung –Grundwasserfassungen und Brunnen –Trinkwassertalsperren –Rohrleitungsnetze und Behälter Siedlungswasserbau –Kanalisation –Kläranlagen

4 Wo wird Hydromechanik benötigt? (2) Energiewirtschaft –Wasserkraftwerke –Kühlwasser für Wärme- kraftwerke –Pumpspeicherung Hochwasserschutz –Hochwasserrückhaltebecken, –Retentionsräume –Dämme und Schutzmauern

5 Wo wird Hydromechanik benötigt? (3) Seebau und Küstenschutz –Neulandgewinnung und Uferschutz –Deiche, Sperrwerke und Häfen –Offshore-Technik Binnenschiffahrt und Flussbau –Staustufen und Schleusen –Kanäle und Hafenanlagen –Sediment- und Geschiebetransport

6 Wo wird Hydromechanik benötigt? (4) Konstruktiver Ingenieurbau –Belastung von Bauwerken durch Wind und Wasser –Bodenmechanik Umweltschutz –Altlastensanierung –Gewässerrenaturierung –Schadstoffausbreitung

7 Wo wird Hydromechanik benötigt? (5) Landwirtschaftlicher Wasserbau –Bewässerung und Beregnung –Entwässerung und Dränage –Wasserfassungen

8 Gliederung der Vorlesung Einführung, Eigenschaften des Wassers Hydrostatik Hydrodynamik idealer Fluide Hydrodynamik realer Fluide Strömungskräfte Verlustfreie Rohrströmung Rohrströmung mit Verlusten Verlustfreie Gerinneströmung Gerinneströmung mit Verlusten Grundwasserströmung Alle Strömungen stationär und eindimensional Instationäre und 2D- Strömungen in Hydraulik II

9 Tätigkeiten Berechnung von Strömungen (Verteilung von Druck und Fliessgeschwindigkeiten) Berechnung von Kräften, die durch Strömungen verursacht werden Ziel: Verstehen von Strömungen, Dimensionierung

10 Empfohlene Bücher... G. Bollrich, G. Preissler, Technische Hydromechanik, Bd. 1, Grundlagen, 5. Auflage 2000, 456 S., ISBN: , Verlag für Bauwesen … ….

11 Hydrostatik Fliessgeschwindigkeit = 0 Hydrodynamik Fliessgeschwindigkeit >0 Ideale Fluide Zähigkeit = 0 Reale Fluide Zähigkeit > 0

12 Was ist ein Fluid? Fluide (Gase und Flüssigkeiten) und Festkörper Unterschied –Fluidpartikel können sich frei gegeneinander bewegen und fliessen unter der kleinsten tangentialen (Scher-) Kraft. Sie reagieren auf Scherspannungen mit einer Verformungsgeschwindigkeit –Festkörper reagieren auf Scherspannungen mit einer endlichen Verformung Fluid Festkörper Scherspannung

13 Arten von Fluiden –Flüssigkeit: grosse Dichte, starke Anziehungskräfte, behält Volumen bei, bildet freie Oberfläche aus Flüssigkeiten und Gase – Was ist der Unterschied? Flüssigkeit Freie Oberfläche Gas Expandiert –Gas: Schwache Anziehungskräfte, füllt den ganzen zur Verfügung stehenden Raum aus, bildet keine Oberfläche aus Im Folgenden interessiert das Fluid Wasser

14 Eigenschaften des Wassers Dichte Viskosität Oberflächenspannung Wärmeausdehnung Kompressibilität Dampfdruck Spezifische Wärme Löslichkeit von Gasen

15 Dichte (1) Wichtig für: Hydrostatischen Druck, Trägheitskräfte, Dichteschichtung in Gewässern Definition: Masse pro Volumeneinheit Anomalie des Wassers

16 Dichte (2) Masse pro Volumen –Wasser (4°C) Wasser = 1000 kg/m 3 –Quecksilber Hg = kg/m 3 –Luft (20 o C, 1 atm) Luft = 1.22 kg/m 3 Dichte von Gasen nimmt mit Druck zu (Kompressibilität) Dichte von Flüssigkeiten ist nahezu konstant (inkompressibel) bei konstanter Temperatur

17 StoffDichte [kg/m 3 ] reines Wasser0°C 4°C 30°C 999, Eis0°C917 Salzwasser 3.5% Salzgehalt (Nordsee) 1026 Salzwasser 0.94% Salzgehalt (Ostsee) 1007 Quecksilber 20°C13546 Heizöl Benzin700 Trichlorethen1300 Luft (bei 1013 Pa und 10°C)1.25

18 Dichte (3): Anomalie des Wassers Grösste Dichte bei 4°C Funktionaler Zusammenhang (näherungsweise) T in °C max in kg/m 3 Gilt für Süsswasser. Meerwasser hat keine Anomalie!!

19 Spezifisches Gewicht Gewicht pro Volumen (z. B. bei 20 o C, 1 atm) Wasser = (998 kg/m 3 )(9.807 m/s 2 ) = 9790 N/m 3 Luft = (1.205 kg/m 3 )(9.807 m/s 2 ) = 11.8 N/m 3

20 Viskosität (1) Wichtig für: Strömungszustand (laminar-turbulent), Fliesswiderstände Definition der Schubspannung Schubspannung hängt von Geschwindigkeitsgradienten ab Newtonsche Flüssigkeit Allgemein Dynamische Viskosität (Ns/m 2 )

21 Viskosität (2) Kinematische Viskosität Stoff (20 ) m 2 /s Wasser1.0 Glycerin971 Trichlorethen0.15 (m 2 /s) Einheiten einer Diffusionskonstanten. Beschreibt Diffusion von Impuls in Geschwindigkeitsgradient

22 Viskosität (3) Viskosimeter Feststehender Zylinder Rotierender Zylinder v 0 Bahngeschwindigkeit d Drehmoment M aus M

23 Oberflächenspannung (1) Wichtig für: Höhe des Kapillarsaums im Grundwasser, Massstabseffekte im wasserbaulichen Versuchsmodell, Messwehre bei kleinen Überfallhöhen, Mehrphasenströmung Pro Flächenzuwachs zu verrichtende Arbeit: (N/m) wasser = N/m (bei 20 o C) Wasser Luft Keine Nettokraft Nettokraft nach innen Phasengrenze

24 Oberflächenspannung (2) Kapillarspannung In kreisrunder Kapillare mit Benetzungswinkel r 1, r 2, Krümmungsradien Bei Wasser - Glas:

25 Oberflächenspannung (3) Benetzungwinkel Flüssigkeit ist nicht benetzend Flüssigkeit ist benetzend

26 Beispiele (1) Kapillarer Anstieg zwischen zwei Platten und in Rohr Unterschied: Bei Platten ist ein Krümmungsradius Bei Rohr sind beide Krümmungsradien gleich Anstieg aus Gleichgewichtsbedingung: Gewicht=OS-Kraft

27 Beispiele (2) Druck in einer Seifenblase Vorsicht, zwei Oberflächen bei Seifenfilm Druck aus Gleichgewichtsbedingung: Druckkraft = OS-Kraft Druckkraft OS-Kraft Halbe Seifenblase Schnittprinzip

28 Löslichkeit von Gasen (Sauerstoff) Wichtig für: künstliche Belüftung (Kläranlagen, Seen, Wehre), Leitungen mit Unterdruck, Wasseraufbereitung, aquatische Fauna Temperatur [°C] Sauerstofflöslichkeit [mg/l]

29 Kompressibilität (1) Wichtig für: Schallausbreitung in der Flüssigkeit, Druckstossvorgänge, Grundwasserspeicherung in gespanntem Aquifer Definition von Kompressibilität Für Wasser bei 10°C: = m 2 /N Schallgeschwindigkeit In Wasser bei 20°C ca m/s Relative Deformation pro Druckänderung

30 Kompressibilität (2) E-Modul (Inverses der Kompressibilität) für Wasser E = 2.2 GPa 1 MPa Druckänderung entspricht = 0.05% Volumenänderung Wasser ist relativ inkompressibel

31 Wärmeausdehnung Wichtig für Behälterauslegung Definition Wärmeausdehnungskoeffizient = 1000 kg/m 3, T in o C

32 Dampfdruck Wichtig für Heber und Siphon, Ansaugseite von Pumpe, Kavitation Wasser kocht, wenn Aussendruck= Dampfdruck


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