Die vorliegende Arbeit stellt eine neue Möglichkeit vor, Strahlen, die aus Rohrausleitungen in schmale rechteckige Kanäle gleitet werden, zu vergleichmäßigen. Das System besteht aus einem statischen Mischer und überführt Strahlen mit sehr geringem Platzbedarf in gleichmäßige Kanalströmungen. Der Anwendungsbezug dieser Entwicklung dient der Gestaltung von Dotationsbecken, welche für die Einleitung größerer Wassermengen (Dotation) in Fischaufstiegsanlagen genutzt werden. Dotation ist an Fischaufstiegsanlagen großer Fließgewässer mit Wasserkraft notwendig, um eine für aufwandernde Fische wahrnehmbare Leitströmung zu erzeugen. Somit stellt diese Arbeit einen Beitrag für die Wiederherstellung der ökologischen Durchgängigkeit an großen Fließgewässern dar. Problematisch ist hierbei, dass der Durchfluss in der Regel mit Rohrleitungen in das Dotationsbecken geleitet wird und sich hierin als Strahl mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten ausbreitet. Derartige Strahlen machen den Wanderweg entlang der Einleitungsstelle für Fische unter Umständen unüberwindbar. Aus diesem Grund empfehlen Leitfäden für den Bau von Fischaufstiegsanlagen die Dotation möglichst langsam, mit gleichmäßig verteilten Strömungsgeschwindigkeiten und turbulenzarm einzuleiten. Um dieses Ziel zu erreichen sind die Strahlen vor der Einleitung in die Fischaufstiegsanlage in eine Strömung mit gleichmäßigem und turbulenzarmen Geschwindigkeitsprofil zu überführen (Vergleichmäßigung). Die Vergleichmäßigung muss in der Regel möglichst effektiv, also mit geringem Platzbedarf, erfolgen, da an vielen Standorten für Fischaufstiegsanlagen ein sehr begrenztes Platzangebot vorliegt. In der aktuellen Literatur über den Bau von Fischaufstiegsanlagen fehlen jedoch konkrete Bemessungsgrundlagen, wie genau Dotationsbecken zu diesem Zweck gestaltet werden können. Infolgedessen sind zur Verringerung von Planungsunsicherheiten derzeit große Dotationsbecken oder planungsunterstützende Modellversuche notwendig. Um diese Be-messungslücke zu schließen, wird im ersten Schritt ein Kriterium zur Bewertung der Gleichmäßigkeit in der Strömung von Dotationsbecken eingeführt. Im zweiten Schritt werden Einbauten für die Vergleichmäßigung von Strahlen in Dotationsbecken (Vergleichmäßigungselemente) getestet. Im dritten Schritt werden statische Mischer, welche sich als sehr effektive Vergleichmäßigungselemente herausgestellt haben, tiefergehend untersucht. Das Bewertungskriterium beurteilt die Gleichmäßigkeit der Strömung im Dotationsbecken im Vergleich zu einer Referenzströmung. Hierbei wird die Gleichmäßigkeit einer Strömung mit der räumlichen Standardabweichung der mittleren Geschwindigkeiten in x-Richtung (Hauptfließrichtung) eines Querschnitts beschrieben. Da Dotationsbecken aus hydraulischer Sicht schmale rechteckige Kanäle (Verhältnis von Breite und Fließtiefe < 5) darstellen, wird als Referenzströmung die voll entwickelte Strömung solcher Kanäle festgelegt. Für die Berechnung der Referenzströmung werden analytische und numerische Modelle (DES-Turbulenzmodell) eingesetzt und eine Gleichung zur Vorhersage der möglichen Gleichmäßigkeit abgeleitet. Potenziell geeignete Vergleichmäßigungselemente sollten Strahlen umlenken und/oder zerteilen, um eine effektive Abnahme der maximalen Strömungsgeschwindigkeiten zu erzeugen. Nachteilig wirken sich in diesem Zusammenhang jedoch Prozesse aus, bei denen Oberflächenstrahlen oder sich vereinigende Strahlen ausgebildet werden. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen werden neun Vergleichmäßigungselemente mit numerischen Modellen (RANS-Turbulenzmodell) untersucht und anhand der Referenzströmung bewertet. Im Vergleich untereinander sind statische Mischer, welche ursprünglich für die laminare Vermischung hochviskoser Stoffe entwickelt wurden und hier erstmalig für eine Vergleichmäßigung von turbulenten Strahlen in Becken getestet werden, am wirksamsten. Weiterführende Untersuchungen über die Funktionsweise von statischen Mischern zei-gen, dass deren Wirksamkeit maßgebend von dem Verhältnis aus Strömungsgeschwindigkeit in der Zuleitung und Strömungsgeschwindigkeit im Dotationsbecken abhängt. Zu hohe Geschwindigkeiten in der Zuleitung verursachen einen Aufstau zwischen Zuleitung und statischem Mischer, welcher eine hydraulische Überlastung (stärkere Durchströmung des oberen Bereiches) erzeugt und folglich die Abströmung weniger gleichmäßig wird. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, kann die Zuströmungsgeschwindigkeit durch den Einsatz mehrerer Rohrleitungen reduziert werden. Ein Abgleich der numerischen Modellversuche mit gegenständlichen Modellversuchen zeigt sehr gute Übereinstimmungen. Schlussendlich werden anhand einer Dimensionsanalyse Bemessungsparameter definiert und Regeln für die Bemessung statischer Mischer empirisch abgeleitet. Anhand dieser kann die Strömungsgeschwindigkeit in der Zuleitung, die notwendige Dotationsbeckenlänge zum Erreichen einer gleichmäßigen Strömung, der Aufstau und der Energiehöhenverlust für eine Bandbreite an Randbedingungen dimensioniert werden. Das neuartige System mit statischem Mischer ermöglicht es allgemein, sehr gleichmäßige Geschwindigkeitsprofile in kurzen Becken, etwa in der Länge von fünf Dotationsbeckenbreiten, zu erreichen.
Bemessung statischer Mischer für die Erzeugung gleichmäßiger Strömungen in Dotationsbecken von Fischaufstiegsanlagen
Desingning static mixer for the generation of homogeneous flow in supply structures of fishways
2023
Miscellaneous
Electronic Resource
German
static mixer , jets in confined surroundings , ecological connectivity , passability , flow homogenisation , Strömungsvergleichmäßigung , Auffindbarkeit , statische Mischer , Strahlen in begrenztem Raum , Passierbarkeit , ökologische Durchgängigkeit , auxiliary flow , attraction flow , Fischaufstieg , Dotation , upstream fish migration
DDC: | 627 |
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