3 Wassertransport 3.1 Hydromechanische Grundlagen Wasserwesen Institut für Siedlungs- und Industriewasserwirtschaft Peter Krebs Professur Siedlungswasserwirtschaft Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft 3 Wassertransport 3.1 Hydromechanische Grundlagen 3.2 Abfluss unter Druck 3.3 Freispiegelabfluss 3.4 Bauvorgang zur Erstellung von Rohrleitungen Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft Kap. 3 Wassertransport
3.1 Hydromechanische Grundlagen 3 Wassertransport 3.1 Hydromechanische Grundlagen Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft Kap. 3 Wassertransport
Strömungsmodelle 3D, turbulent 1D, instationär, ungleichförmig Grundlagenforschung Untersuchung lokaler Prozesse 1D, instationär, ungleichförmig Numerische Modelle der Urbanhydrologie Ereignissimulation Variantenvergleich 1D, stationär, gleichförmig Leicht verständlich und anwendbar Dimensionierung Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft Kap. 3 Wassertransport
Beispiel 3D Strömung Sekundärströmungen; Large Eddy Simulationen (LES) Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft Kap. 3 Wassertransport
Stationäre und gleichförmige Strömung Normal-abfluss Stationär Gleichförmig Kontinuität Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft Kap. 3 Wassertransport
Stationäre und gleichförmige Strömung Eindeutige Beziehung zwischen Abfluss und Wassertiefe Keine Hysterese Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft Kap. 3 Wassertransport
Energieerhaltung v IE IP IS Referenzkote Dl Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft Kap. 3 Wassertransport
3.2 Abfluss unter Druck 3 Wassertransport Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft Kap. 3 Wassertransport
Darcy-Weisbach (Prandtl-Colebrook) Energieliniengefälle Reibungsverlust Strömungsgeschwindigkeit Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft Kap. 3 Wassertransport
Reibungsbeiwert Glatter Bereich Übergangs-bereich Rauer Bereich mit der Reynoldszahl Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft Kap. 3 Wassertransport
Reibungsbeiwert Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft Kap. 3 Wassertransport
Rauhigkeitskoeffizient kS (Sandrauheit) Rohrmaterial k Bereich (mm) S neu alt Steinzeug 0.03 – 0.15 0.3 – 3.0 PVC 0.03 – 0.06 0.15 – 1.50 Beton 0.06 – 1.50 1.5 – 6.0 Faserzement 0.015 – 0.030 0.6 – 6.0 Mauerwerk – guter Zustand 0.6 – 6.0 3.0 – 15 Mauerwerk – schlechter Zustand - 15 – 30 Druckleitungen 0.03 – 0.60 Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft Kap. 3 Wassertransport
Lokale Verluste Übergang k (-) Rohreintritt (scharfkantig) 0.50 Rohreintritt (angerundet) 0.25 Rohreintritt (trompetenförmig) 0.05 Rohraustritt (abrupt) 1.0 90° Krümmer (scharf) 1.0 90° Krümmer (weit) 0.2 Schacht, gerade (Teilfüllung) < 0.1 Schacht, gerade (eingestaut) 0.15 Schacht mit 30° Krümmung (eingestaut) 0.5 Schacht mit 60° Krümmung (eingestaut) 1.0 Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft Kap. 3 Wassertransport
Hazen-Williams Gleichung Empirische Gleichung für die Rohrströmung ! Geschwindigkeit R = Hydraulischer Radius I = Gefälle C = Rauheitsbeiwert 0.85 = Koeffizient Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft Kap. 3 Wassertransport
3.3 Freispiegelabfluss 3 Wassertransport Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft Kap. 3 Wassertransport
Freispiegelströmung Normalabflusstiefe: Gleichgewicht zwischen Reibung und Hangabtrieb Energieliniengefälle = Rohrgefälle Hydraulischer Radius allgemein für das gefüllte Rohr Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft Kap. 3 Wassertransport
Manning-Strickler Gleichung Voraussetzung: Normalabfluss Geschwindigkeit Abfluss Rauhigkeitsbeiwert, „Stricklerkoeffizient“ Für kS/D = 0.001 bis 0.01 Material kSt (m1/3/s) Glas > 100 Zement 80 – 100 Beton 65 – 100 Mauerwerk 50 – 75 Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft Kap. 3 Wassertransport
Teilfüllung Empirischer Ansatz Franke (1956) Geschwindigkeit Abfluss Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft Kap. 3 Wassertransport
Teilfüllung mit Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft Kap. 3 Wassertransport
Betriebs-k-Wert: kb kb in mm Kanaltyp Normierte Spezielle Schächte Transportkanal 0.5 0.75 Hauptsammelkanal 0.75 1.5 Mauerwerk, Ortsbeton 1.5 1.5 Keine Schächte, Druckleitungen 0.25 Kombination, Annahme 1 Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft Kap. 3 Wassertransport
Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft Kap. 3 Wassertransport
Kritische Werte für Sedimentbildung (halbvolles Rohr) DN v I krit krit (mm) (m/s) (%o) 150 0,48 2,72 200 0,50 2,04 300 0,56 1,51 400 0,67 1,45 500 0,76 1,40 600 0,84 1,37 800 0,98 1,31 1000 1,12 1,26 1200 1,24 1,24 1400 1,34 1,20 1600 1,44 1,18 1800 1,54 1,16 2000 1,62 1,14 Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft Kap. 3 Wassertransport
Strömen und Schießen Froudezahl F < 1 strömen h > hC Informationen stromab und stromauf F > 1 schießen h < hC Informationen nur stromab F = 1 “kritisch” h = hC minimale Energie Übergang schießen strömen Wassersprung hC ist unabhängig vom Gefälle ! h > hC flacher Kanal h < hC steiler Kanal Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft Kap. 3 Wassertransport
3.4 Bauvorgang zur Erstellung von Rohrleitungen 3 Wassertransport 3.4 Bauvorgang zur Erstellung von Rohrleitungen Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft Kap. 3 Wassertransport
Sicherung von Rohrgräben Ohne Verbau Mit Saumbohle Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft Kap. 3 Wassertransport
Sicherung von Rohrgräben Waagrechter Normverbau Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft Kap. 3 Wassertransport
Sicherung von Rohrgräben Senkrechter Verbau Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft Kap. 3 Wassertransport
nicht verbauter Graben Mindestgrabenbreite in m (DIN EN 1610) DN verbauter Graben nicht verbauter Graben (mm) (m) > 60° 60° 225 OD + 0.40 225 – 350 OD + 0.50 350 – 700 OD + 0.70 700 – 1200 OD + 0.85 > 1200 OD + 1.00 OD = Außendurchmesser in m = Böschungswinkel gegen die Horizontale Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft Kap. 3 Wassertransport
Rohrgraben ohne Verbau Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft Kap. 3 Wassertransport
Berstlining Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft Kap. 3 Wassertransport
Schlauchrelining Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft Kap. 3 Wassertransport
Symbole A Abflussquerschnitt b Wasserspiegelbreite D Durchmesser F Froudezahl g Erdbeschleunigung h Abflusstiefe hC kritische Abflusstiefe hN Normalabflusstiefe If Energieliniengefälle IP Druckliniengefälle IS Sohlgefälle des Rohres kb Betriebsrauheit kS Sandrauheit kSt Strickler Rauhigkeitsbeiwert P benetzter Umfang p Druck Q Abfluss R Hydraulischer Radius Re Reynoldszahl t Zeit v Geschwindigkeit hE Reibungsverlust Reibungsbeiwert Kinematische Viskosität Dichte Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft Kap. 3 Wassertransport