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Mitteilungsblatt - Bundesanstalt für Wasserbau

1. 0 010 0 015 0 020 0 025 0 030 N sone S M a Bild 12 Absch tzung der Lage des Geschwindigkeitsmaxi mums f r Luftmodelle mit Glasabdeckung in Abh n gigkeit von der Sohlrauheit n Bild 12 dienen das auf Erfahrungen bei konstanter zu s tzlicher berh hung beruht G Lsarov 1973 F r die Acrylglasplatte wurde n ate 0 01 s m angesetzt Die se Erfahrungswerte konnten durch Untersuchungen in der Bundesanstalt f r Wasserbau best tigt werden Die Rauheitswerte des Gesamtmodells variieren in fluss baulichen Modellen letztendlich jedoch f r ein Sohlen material bedingt durch die unterschiedlichen anderen Rauheitsanteile z B Form und Transportk rperrau heit Die von Gi LsaRov 1973 angesetzten Richtwerte f r Modellrauheiten und Rauheitswerte in Luftmodellen BAW sind Tabelle 9 zu entnehmen In FAS 1985 wurden f r verschiedene Druckgef lle Flie geschwindigkeiten und Flie tiefen die in Luftmo dellen auftreten k nnen Angaben zum Widerstands beiwert X nach Darcy Weisbach und zur quivalenten Sandrauheit k f r verschiedene Sohlmaterialien ge macht Die Untersuchungen wurden in einer Rinne mit ver nderlicher Str mungstiefe 10 bis 50 mm und breite 50 bis 300 mm durchgef hrt Der Wider standswert wurde bei Verfahren a f r das Sohlma terial aus dem gemessenen vertikalen Geschwindig keitsprofil und bei b als Gesamtwiderstandswert aus den gemessenen mittleren Geschwindi
2. Farbzuordnu ng 2 0 m NN 0 0 m NN Bild 30 2D PTV gemessene Oberfl chengeschwindigkeiten und daraus berechnete Treibk rperbahnen Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 39 Hentschel h ia h Sohle m NN 100 150 200 2350 300 350 od 450 500 Abstand linker HM m Bild 31 Modell und Natursohlh hen 5 Versuchsbetrieb beispielhafte Analysen 5 1 Instation rer Geschiebetransport bei station rem Abfluss Bei station ren Untersuchungen konstanter Abfluss mit gleichen Rand und Anfangsbedingungen stellt sich trotzdem ein instation rer Geschiebetransport ein Bei station rer Hydraulik k nnen die Modelle gut ge nutzt werden um mittlere Ver nderungen von Soh le und Wasserspiegel einer Variante nach einer hin l nglich langen Versuchsdauer zu analysieren Damit sind statistisch belastbare Variantenvergleiche dieser prim ren Kenngr en m glich Dar ber hinaus ist es 3000 Geschiebetransportmessungen ber die gesamte Woche bei station rem Modellabfluss 2500 M3 oO oO oO 1500 Geschiebetransport t d 1000 00 Hydraulische Flussmodelle mit beweglicher Sohle 1000 Abfluss m s durch den instation ren Geschiebetransport m glich auch die Dynamik dieser Gr en ber die Zeit zu er fassen Bild 31 zeigt f r eine Untersuchung an der Elbe im Modell gemessene Querprofile in der Grafik als VO bezeichn
3. Bild 17 Systemskizze Lamellenwehr 4 4 Geschiebekreislauf Am oberstromigen Modellrand muss das auch in der Natur in die Strecke hineintransportierte Geschiebe zugegeben und am unteren Modellrand das ausgetra gene Material dem Modell wieder entnommen werden Die Zugabemenge ist dabei abh ngig vom Abfluss und auf der Grundlage von Naturdaten zu kalibrieren Die ausgetragenen Mengen sind f r die Analyse der Wir kung unterschiedlicher Regelungsvarianten zu quanti fizieren Es kann bei den Untersuchungen der BAW zur Wir kung von Stromregelungskonzepten keinen Transport des ausgetragenen Geschiebes zum Modelleinlauf in einem geschlossenen Kreislauf geben da in Abh n 34 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Hentschel Hydraulische Flussmodelle mit beweglicher Sohle Einlauf mit St mungs beruhigung Geschiebe trocknung Geschiebezugabe unter Wasser Wasser zum Tiefbeh lter Geschiebe ing trocknung Beruhigungs PT becken B Geschiebe mesa 1 Geschiebe trocknung Pumpe Geschiebe sammler Lamellenwehr Geschiebe j messung Wasser vom Tiefbeh lter i Hochbeh lter Bild 19 Systemskizze Wasser und Geschiebekreislauf gigkeit vom Modellzustand ein Ungleichgewicht zwi schen Ein und Austrag besteht die Sohle tieft sich z B im Mittel durch eine Variante ein s
4. 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 Vs Vscrit Bild 8 Abh ngigkeit der relativen Fahrspurbreite b von Vs Va und dem Kotangens der B schungsnei gung m erf a die jeweils dem Mittel eines Datenkollektivs von rund 15 Versuchsfahrten entsprechen auf den entsprechenden Mittelwert der jeweiligen Versuchs serie die sich durch unterschiedliche Tiefg nge bzw B schungsneigungsunterschied unterschieden bezo gen Auf der horizontalen Achse ist als Einflussgr e wieder das Verh ltnis der Schiffsgeschwindigkeit zur kritischen Schiffsgeschwindigkeit aufgetragen Die Messdaten streuen sehr stark Dies liegt vor allem daran dass die Schiffsf hrer im zwar eingeengten aber immer noch ausreichend bemessenen Korridor zwischen gespannter Leine und Buhnenk pfen einen ausreichenden Man vrierraum besitzen der auch aus gesch pft wurde Eingedenk der Messwertstreuung ist jedoch kein signifikanter Einfluss der Schiffsgeschwin digkeit erkennbar Der Sicherheitsabstand erf a po st aber in hohem Ma e von T und m abh ngig Dies wird auf Bild 10 am Beispiel des Tiefgangeinflusses deut lich In erster N herung sind die erforderlichen Sicherheits abst nde somit von der Schiffsgeschwindigkeit v un abh ngig und sie steigen mit dem Tiefgang sowie mit Kotangens der B schungsneigung m an Die Unab h ngigkeit von der Schiffsgeschwindigkeit erkl rt sich aus der Tatsache dass jede Versuchsserie mit einer angestrebten ko
5. Die verwendeten Kunststoffgranulate bestanden aus Einkornmaterial Die Kornform des Acetalharzes ent sprach in etwa der nat rlichen Kornform des Quarz sandes vgl Bild 4 die Kornform des Polystyrols war zylinderf rmig vgl Bild 5 Bild 4 Kornform des Acetalharz Granulats Der Formfaktor FF c a b mit a l ngste Achse b mittlere Achse und c k rzeste Achse betrug f r das Acetalharz FF 0 84 f r das Polystyrol FF 0 75 nat rliche Sedimente besitzen einen Formfaktor von FF 0 7 ASCE 1962 110 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Bild 5 Kornform des Polystyrol Granulates 3 2 Versuchsdurchf hrung Die experimentellen Hauptuntersuchungen wurden in einer Versuchsrinne des Leichtwei Instituts f r Was serbau der TU Braunschweig durchgef hrt Die Ver suchsrinne besa verglaste Seitenw nde und war 11 m lang 0 30 m breit und 0 60 m tief vgl Bild 6 Der Zufluss zur Versuchsrinne wurde mit einem induk tiven Durchflussmesser IDM gemessen Der Was serstand wurde durch eine Wehrklappe am Ende der Rinne reguliert und mit einem verfahrbaren Pegel be stimmt Fahrbarer Messpegel berdruck Piezometer Ventil Schtitztafel L ngs schnitt Ee Glaswandung Wehrklappe PE I RR FR FEN N 5 ee f j MOM 9 Geschlossener Einlauftank Sedimentbett Ablauf Fahrbarer Messpegel Draufsicht pii gt Wehrklappe
6. Systemmodelle die man zur Untersuchung grund s tzlicher Wirkzusammenh nge mit stark auf das Wesentliche vereinfachter Geometrie betreibt Da runter sind Rinnenversuche oder idealisierte Fluss modelle zu verstehen Letztere werden auch als geometrisch zweidimensionale Modelle betrieben die nur in der Horizontalen eine ver nderliche Geo metrie aufweisen w hrend die Flie tiefe konstant ist z B f r Untersuchung von Buhnenfeldern kon stanter Tiefe oder Kolkuntersuchungen in einem ge kippten L ngsschnitt durch den Kolk Die langj hrigen Erfahrungen mit aerodynamischen Un tersuchungen von Fl ssen f hrten dazu dass im Rah men der oben aufgezeigten Modelltypen neue Model lierungsverfahren etabliert wurden Je nach Aufgaben stellung waren Modelloptimierungen erforderlich um mit m glichst geringem Aufwand die wesentlichen physika lischen Ph nomene ausreichend hnlich abzubilden Eine Neuerung die im Kapitel 2 2 beschrieben wird be steht in der Verwendung einer variablen zus tzlichen berh hung Andere finden sich in den Kapiteln 5 und 6 Modellaufbau und Messtechnik 2 2 Aerodynamische Str mungsmodelle Ein wesentlicher Unterschied der Str mung in Fl ssen und in aerodynamischen Modellen besteht darin dass im Modell das Str mungsmedium Luft anstatt Wasser genutzt wird Durch die Druckmodellierung bilden sich unterschiedliche Kr fte und Geschwindigkeitsvertei lungen aus In der Druckstr mung des
7. 1984 SUMBAL 1966 und FAuLHABER 1986 durchgef hrt F r Projekt untersuchungen kamen Luftmodelle mit beweglicher Sohle bei Problemstellungen des Pfeilerkolkes bei Wasserentnahmen und Flussregelungsma snahmen zum Einsatz Einige Rinnenversuche mit Luftstr mung SumBAL 1966 Ikepa 1982 FAS 1985 und 1937 liefer ten systematisch auswertbare Ergebnisse die teilwei se mit Versuchen in Wasserrinnen verglichen wurden Aerodynamische Modelle lassen sich zur Untersu chung des Geschiebetransports leicht einsetzen weil der Geschwindigkeitsma stab nicht direkt mit den geo metrischen Ma st ben verbunden ist Er kann somit in Abh ngigkeit von der Geschwindigkeit bei Geschiebe bewegungsbeginn des Modellsediments gew hlt wer den Aerodynamische Geschiebetransport Modelle werden berwiegend zur qualitativen Untersuchung der Ge schiebetransportprozesse eingesetzt u a FAS 1988 BAW 1997 Beispiel Luftmodell Lenzen an der Elbe An einem Beispiel soll die Einsatzm glichkeit eines ae rodynamischen Geschiebetransport Modells f r fluss bauliche Untersuchungen aufgezeigt werden Es war eine optimale Variante zur Schlitzung des Altdeichs bei einer Deichr ckverlegung zu finden Zur Untersuchung der zu erwartenden Tendenzen der Sohlenentwicklung nach der Deichr ckverlegung wur de ein Luftmodell des Abschnitts Elbe km 474 2 bis 484 1 mit fester Sohle L ngenma stab 1 1000 H henma stab 1 500 variable zus tzliche berh
8. 6 1 Vorbemerkung Es ist die Regel dass zu jedem aufw ndigen hydrau lischen Modell zur Vorbereitung und Begleitung nu merische Modelle parallel betrieben werden Je nach Aufgabenstellung und Komplexit t k nnen damit Vari anten numerisch vor ausgew hlt werden oder erg n zende Berechnungen durchgef hrt werden z B ex treme Hochwasserereignisse Daneben gibt es aber auch direkte Kopplungen zwi schen hydraulischen und numerischen Modellen bei denen zum Beispiel variantenabh ngige Ver nde rungen der Sohlform in den hydraulischen Modellen als ge nderte Rauheitswerte in den numerischen Mo Hentschel Hydraulische Flussmodelle mit beweglicher Sohle dellen Verwendung finden Daneben k nnen die Er gebnisse aus den hydraulischen Modellen auch f r die Weiterentwicklung numerischer Verfahren verwendet werden 6 2 Synergieeffekte In hydraulischen Modellen mit beweglicher Sohle ist es schwierig oder unm glich ausgedehnte Gew sserab schnitte gt 10 Kilometer sehr lange Zeitr ume Jahr zehnte oder extreme Hochwasserereignisse zu un tersuchen sodass f r diese Fragestellungen in jedem Fall mindestens ein numerisches Modell neben dem hydraulischen Modell betrieben wird Numerische Mo delle ohne hohen Detaillierungsgrad werden dar ber hinaus f r Voruntersuchung des Naturzustandes Mo dellplanung oder von Varianten verwendet An einem Untersuchungsabschnitt der Elbe Elbe Reststrecke El km 508 bis 521 BA
9. hydraulisch glatte Sohle Re lt 3 32 Luft 4 a na ae A Agh EEEE Ii TFE ET TE N a u A A AA De SE ser er lt en B Jil 73 am ae AFi T N BAS WAD er I OOF OTARDA ONNXIZNI mx I NIRZSIRE LIBRI See ae am E iy S See ae mn ra mr ARE TAT PEN S S ER MOM Ee EI I SS N EL 0 08 0 12 0 21 0 18 0 26 0 44 0 66 0 88 1 76 3 51 6 58 13 17 Ne IE R L Ta fa nla o 0 1 1 10 9 m 100 KA K Legende Reh Luft Wasser C Bewegungsbeginn in Luft aus Str mung BAGNOLD 1978 D Bewegungsbeginn in Luft aus Teilchensto BAGNOLD 1978 E Bewegungsbeginn in Wasser nach SCHR DER 1994 I PAOI O A nS f nn m m A En ee aS 0 31 041 0 82 1 64 308 6 16 Bild 10 Geschiebebewegungsbeginn in Wasser und Luftstr mung nach Zanke 1982 Im Luftmodell verl uft der Geschiebetransport so mit wie in der Natur als verz gerte Bewegung in Transportk rpern Allerdings sind in der Natur in den meisten Untersuchungen an Fl ssen die pr genden Transportk rper D nen und B nke Bei der bertragung der geometrischen Abmessungen der Modell Riffel auf Naturverh ltnisse mit Mittel und Gro formen D nen war somit zwar eine hnlich keit der Transportk rperh hen zu erreichen wohin gegen die L ngen der Transportk rper im Modell zu gering waren Bei aerodynamischen Geschiebetransport Modellen liegen nur wenige Erfahrungswerte hinsich
10. Bild 6 Versuchsaufbau f r die Kolkversuche Die Versuchsrinne besa einen geschlossenen Ein lauftank Dadurch war es m glich auch Druckh hen zu erzeugen die die Tiefe der Rinne berschritten Die Druckh he im Einlauftank wurde in einem au en am Einlauftank hochgef hrten Piezometer gemessen Zwischen dem Einlauftank und der Versuchsrinne wur de ein senkrechtes Plansch tz montiert welches in der Vertikalen regulierbar war Hinter dem Plansch tz wur de ein Sedimentbett mit einer L nge von 2 m und einer Tiefe von 25 cm eingebaut Ettmer Physikalische Modellierung von Kolkprozessen Besondere Anforderungen wurden an die Messungen der Kolkgeometrie gestellt Eine Messung der Kolk oberfl che w hrend eines Kolkprozesses gestaltete sich schwierig da durch die kontinuierliche Eintiefung des Kolkprozesses die Oberfl che st ndigen Ver nde rungen unterlag Zudem lagen im Kolkloch erhebliche Sedimentkonzen trationen vor Vorversuche ergaben dass der Einfluss der Glaswand auf die Kolkgeometrie vernachl ssigbar war und damit ber die gesamte Rinnenbreite ein Kolk loch mit ann hernd gleicher Kolkgeometrie vorlag Auf die Glaswand der Rinne wurde daraufhin von au Ren eine transparente Folie mit Abstandsraster aufge bracht Die Kolkformen wurden videometrisch erfasst und charakteristische Zeitpunkte w hrend des Kolkpro zesses auf das Abstandsraster aufgetragen vgl Bild 7 Eine berpr fung der Kolkgeometrien erfolg
11. den Ein Sandkorn umfasst jeweils ungef hr 20 bis 200 Bildpunkte Pixel Hierbei darf unterstellt werden dass die beobachteten Bewegungen in den aufgezeichne ten Bildsequenzen im Wesentlichen den Sandk rnern 4000 3000 f counts 2000 f 1000 y mm x mm Bild 27 Ergebnisse der Bewegungsmessung an der Grenze zwischen Sand und Kies zugeordnet werden k nnen Damit konnte gezeigt wer den dass ber die erfolgte Bildaufzeichnungsdauer von 60 Sekunden tats chlich einzelne K rner bewegt wurden Der untere Teil von Bild 27 zeigt die r umliche Zuord nung der Bewegungen innerhalb des aufgezeichne ten Bildausschnitts wo Sandkornbewegungen stattge funden haben Diese Art der Darstellung kann als Be wegungskartierung bezeichnet werden Der schwarze Bildbereich umfasst den gesamten Bildausschnitt die Endoskopbildfl chen sind als Kreise in dem schwar zen Bildteil markiert Der aufgezeichnete mittlere Bild fluss l uft von rechts nach links Die jeweils detektierte Bewegungsfrequenz ist durch die jeweilige Helligkeit der einzelnen Bildpixel kodiert Schwarz korrespon diert mit ruhenden Bildpunkten wei mit maximal er fassten Bewegungsfrequenzen Die in der Aufzeich nung detektierten maximalen Bewegungen erscheinen hierbei in dem oberen lang gestreckten Bildausschnitt der sich unmittelbar an der Grenze zwischen dem un terlagernden Sand und dem dar berliegenden Kies befindet Die integr
12. digkeitsvektoren innerhalb des Messvolumens berech net worden Die Diagramme zeigen einen deutlichen D mpfungseffekt bei der mit einem Kieskorn abge deckten geschlossenen Pore Obwohl beide Poren in gleicher H he senkrecht zur Sohle ausgerichtet wa ren sind die Flie geschwindigkeiten innerhalb der ge schlossenen Pore erheblich niedriger als in der of fenen Pore Die Geschwindigkeitsfluktuationen in der geschlossenen Pore sind gleichfalls ged mpft Die Standardabweichungen der Messwerte sind in der ge schlossenen Pore ungef hr 50 kleiner als in der of fenen Pore Q 0 056m s H d 20 H d 20 4g 2Pen pore wd 2 PYON g 5 26mmis a 4 30mm s 30 3 _ 5 10 15 20 25 30 tfa Bild 14 Zeitserien f r horizontale u und vertikale v Geschwindigkeiten in der offenen Pore Q 0 056m s H d 20 H_ d 20 closed pore y d 2 ug 7 V 6 P 3 7 P i i 5 2 T i 5 E 2 5 E 5 i N g 2 34mmis 7 g 2 03mmis 5 10 15 20 25 30 t s Bild 15 Zeitserien f r horizontale u und vertikale v Geschwindigkeiten in der geschlossenen Pore Zur r umlichen Korrelation der Messwerte wurden in einer weiteren Versuchsreihe die Vertikalposition ei ner Messpore kontinuierlich variiert Bei gleichen Str mungsbedingungen wurden die unterschiedlichen Tiefenlagen bei y d 2 8 und 16 eingeste
13. 0 1 Awasse Z 0 2 S Bild 10 Eine umfassende Erkl rung f r diesen Unter schied der Grenzkurven f r den Bewegungsbe ginn in Wasser und Luftstr mung fehlt in der Lite ratur nach wie vor In Bild 10 sind die Grenzkurven f r den Bewegungs beginn SHieLDs Kurve in Wasser und Luft nach Zan KE 1982 dargestellt Dabei wurden die Parameter und Formeln aus der Tabelle in Bild 10 genutzt e Der Transport in der Luftstr mung erfolgt mehr springend als in Wasser Dar ber hinaus spielt der Impuls der durch den Zusammensto von bereits in Bewegung befindlichen Teilchen mit noch ru henden Teilchen der Sohle eine gr ere Rolle als in der Wasserstr mung gr ere Geschwindigkeiten gr eres Verh ltnis von Geschiebe zu Fluiddich te siehe Tabelle 5 So ist die erforderliche Ge schwindigkeit zur Einleitung der Teilchenbewegung durch die Luftstr mung Linie C in Bild 10 deutlich gr er als die durch Teilchensto Linie D in Bild 10 Mit Teilcheneintrag von oberstrom beginnt der Transport somit eher als ohne Sind erst einmal Teil chen in Bewegung nimmt der Transport schnell zu Schneeballeffekt Fluiddichte kg m 1000 N jr VE _ S e 0 000767 Tabelle 5 Dichteverh ltnisse in Wasser und Luftstr mung mit Sandgeschiebe e Die geometrischen Ma st be der Luftmodelle las sen nur kleine Teilchen als Modellgeschiebe zu Bei einem Geometriema stab von 1 500 entspricht der Korndurchmesser eines Modellteilchens mit
14. 0 entsprechen dem Ansatz von Casperlein 1967 f r Spline Auswertungen Hal bierung des Gef lles am Wasserspiege Wichtungsfaktoren y I 0 air v ru rm Linker Rand E 4 0 v tr bolia Rechter Rand E a eb up 4 tyty r v V Mittlerer Bereich E xl y x2 y yl y2 4 2 Die Methode des FD Rasters erm glicht die Berech nung von Teilabfl ssen in ausgew hlten Bereichen der Geometrie z B im Flussschlauch ber Buhnen oder im Vorland Die Berechnung der Teilabfl sse Qt zwischen verti kalen Schnitten erfolgt mit der Gleichung b my my Ot A gt E x y 0 3 Ela y x atl yal 0 5 E b y J A dx dy Elementgr e mit Qt Vertikaler Teilabfluss des Streifens dx Elementbreite in x Richtung dy Elementbreite in y Richtung a Erste vertikale Elementreihe des Streifens b Letzte vertikale Elementreihe des Streifens nx Anzahl der Elemente in x Richtung my Anzahl der Elemente in y Richtung E x y Geschwindigkeitswert des Elementes x y Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 103 Hentschel Berechnung der Teilabfl sse bei horizontalen Schnitt linien Qt o a S 5 E x y seh aj xs yat 0 5 Ely 7 y5il mit Qt Horizontaler Teilabfluss des Streifens a Erste horizontale Elementspalte des Streifens b Letzte horizontale Elementspalte des Streifens Bei der Analyse von geschlossenen Systemen z B aerodynamische Modelle m
15. 4 aus der Bedingung N 1 f r 2 8 m tief abgeladene und 11 4 m bzw 22 8 m brei te Fahrzeuge mit c 1 0 folgende B schungspara meter ab denen kein Sicherheitsabstand bei Begeg nungen guten Sichtbedingungen und regelm igem Ufer Fall 1 in Kapitel 3 mehr erforderlich ist m 5 f r einspurige und 10 f r zweispurige GMS und SV F r Richtungsverkehr mit einer Spur Bemessunggsfall 2 in Kapitel 3 sind bei diesen B schungsneigungen fol gende Sicherheitsabst nde erforderlich ca 2 1 m bei ein und 4 1 m bei zweispurigen Fahrzeugen F r 1 3 geb schte Ufer ergeben sich bei sonst gleichen Verh ltnissen folgende Werte f r den Bemessungsfall 1 nach Kapitel 3 1 3 m f r das einspurige und 5 4 m f r das zweispurige Fahrzeug F r den Bemessungs fall 2 ergeben sich 3 4 m und 9 5 m Diese Beispiele machen deutlich dass die Schiffsbreite einen ganz er heblichen Einfluss auf die erforderlichen Sicherheits abst nde hat Abschlie end sei an einem Beispiel der Einfluss der in Kapitel 3 definierten unterschiedlichen Sicherheitsni veaus verdeutlicht Hierzu wird die Fahrrinnenbreite er mittelt die sich bei der Begegnung eines 2 8 m tief ab geladenen 22 8 m breiten und 110 m langen Koppel verbandes im 4 m tiefen Kanal mit einem entsprechend abgeladenen GMS errechnet F r gute Sicht und re gelm ige Ufer Bemessungsfall 1 ergibt sich analog zu den Richtlinien und unter der Annahme dass sich f r im Mittel 1 5 spurige
16. 6 Die Flie geschwindigkeit in der Sch tz ffnung betrug in Versuch 1 v 0 77 m s und in Versuch 2 v 0 49 m s Die maximale Kolktiefe wurde in Versuch 1 nach rd 4h 5 min erzielt Danach erfolgte nur noch eine wei tere Ausdehnung in L ngsrichtung wie die Aufnahmen der Kolkgeometrie nach 22 Stunden Versuchszeit do kumentieren vgl Bild 8 20 15 10 5 Q Bo gt gt DAET t 2 min _ a t 15 min 10 t 1h40 min x t 4h 5min 15 o t 22h 05min 20 0 20 x cm 40 60 80 Bild 8 Zeitlicher Verlauf des Kolkprozesses f r Versuch 1 Quarzsand d 1 58 mm Im Versuch 2 wurde die maximale Kolktiefe bereits nach 2h 20 min Versuchsdauer erreicht Wie Bild 9 zeigt vollzog sich auch hier eine weitere L ngsent wicklung des Kolkes die Tiefe des Kolkes nahm nicht weiter Zu Obwohl in Versuch 1 und Versuch 2 zwei v llig unter schiedliche Sohlenmaterialien verwendet wurden und die Versuchsdauer bis zum Erreichen der maxima len Kolktiefe ebenfalls erhebliche Unterschiede auf 112 wies zeigen Bild 8 und Bild 9 dass in beiden Versu chen sehr hnliche Kolkgeometrien mit einer maxima len Kolktiefe von rd 7 5 cm erzielt wurden 20 15 10 5 50 z Ep Pe t 2 min x t 15 min 10 a t 1h t 2h20min 15 o t 3h 5 min 20 0 20 40 60 80 x cm Bild 9 Zeitlicher Verlauf des Kolkprozesses f r Versuch 2 Acetalharz Eine berlagerung der Kolkgeometrien
17. Au enstr mung haben gezeigt da eine Zunahme der Bewegungsintensit t von Sandk rnern an der Grenze zwischen Sand und Kies in den hier durchgef hrten Versuchen im Wesentlichen nur durch die zus tzlich zur Au enstr mung berlagerte Wellenbelastung fest gestellt werden konnte Die gemessenen Geschwin digkeitsgr en verlaufen jeweils synchron mit den auf die Sohle einwirkenden Wasserspiegelauslenkungen aus der u eren berstr mung Sie spiegeln sich je weils mit den einwirkenden u eren Druck bzw Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 133 Wenka K hler Simultane Druck und 3D Geschwindigkeitsmessungen Wellenamplitude cm huurre k oO 0 Geschwindigkeit um s Srhnwmonkom a oO mittlere Horizontalgeschwindigkeit mittlere Vertikalgeschwindigkeit Bild 30 Gemessene Wasserspiegelausienkungen w hrend einer Wellenbelastung oben und gemessene Be wegungsgeschwindigkeiten an der Grenze zwischen Sand und Kies unten Wasserspiegelfluktuationen unmittelbar wider vgl Bild 30 K hler et al 2004 4 Zusammenfassung An Boden Wasser Grenzfl chen gewinnen die einwir kenden Druck nderungen erheblichen Einfluss auf das mechanische Verhalten des Bodens unter Str mung und Wellenbelastung Ungesch tze Gew ssersohlen k nnen diesen Wasserbelastungen oftmals nicht ohne Sch den widerstehen Sie zeigen sich durch Verfor mungen Rutschungen
18. FAS 1987 Rationalisierung von Geschiebeuntersu chungen im Flussbau unver ffentlichter Forschungs bericht der Forschungsanstalt f r Schifffahrt Wasser und Grundbau Berlin FAS 1988 Kraftwerk Vockerode Sicherung der K hl wasserversorgung Ergebnisse der aerodynamischen Untersuchungen Berlin unver ffentlicht FAULHABER P 1983 Ein Beitrag zur Anwendung ae rodynamischer Modelle im wasserbaulichen Versuchs wesen In Wasserwirtschaft Wassertechnik Heft 8 Berlin S 274 276 FAULHABER P 1986 Aerodynamische Modellierung hydraulischer Abfl sse mit freier Oberfl che Mittei lungen der Forschungsanstalt f r Schiffahrt Wasser und Grundbau Heft 50 Berlin S 71 152 FAULHABER P 1998 Kombination von aerodyna mischen und numerischen Modellen zur Untersuchung von flussbaulichen Problemen In Wasserbauliche Mit teilungen Heft 13 100 Jahre Hubert Engels Laborato rium Institut f r Wasserbau und Hydromechanik der TU Dresden S 215 224 GiLyarov N P 1973 Modelirovanije retschnych poto kov Modellierung von Flussstr mungen Gidrometeo izdat Leningrad HENTSCHEL B KAUTHER R 2000 Hochgeschwindig keitskamera im wasserbaulichen und geotechnischen Versuchswesen In Mitteilungsheft der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 82 Karlsruhe S S 119 121 HENTScHEL B 1997 FIKS Benutzerhandbuch Bun desanstalt f r Wasserbau Berlin HENTScHEL B 2007a Hydraulische Flussmodelle mit bewe
19. H lt L er m glichen den Einsatz von Modellen mit h herer Rauheit als bei nicht berh hten Modellen e Die Wahl der Modellierungsweise wird von der Art der zu untersuchenden Fragestellungen wesentlich beeinflusst Bestimmte Mess und Untersuchungs verfahren sind nur bei einigen Modellierungsver fahren einsetzbar So ist es z B nicht m glich in einem Luftmodell mit extrem rauer Sohle die Sohl stromlinien mit Hilfe eines Erosionsverfahrens Ka pitel 6 2 1 sichtbar zu machen e Variable zus tzliche berh hungen f hren gegen ber der konstanten berh hung zu einer st rkeren Verzerrung geometrische berh hung der Model Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 61 Faulhaber Neue Methoden der aerodynamischen Modellierung le bei gleicher urspr nglich angenommener geo metrischer berh hung 5 Modellaufbau Luftmodelle werden in der Regel auf Tischen aufge baut Als Grundplatten dienen meist Kristallglas Ta feln neuerdings auch lagestabile plane Kunststoff Ta feln Eine gut dichtende Modellumrandung erm glicht die h hengenaue Auflage der Abdeckplatten aus Kris tall oder Acrylglas Das gesamte Modell muss so ge dichtet werden dass trotz erheblichem Unterdruck im Modell kein ungewollter Lufteinzug erfolgt Weiter f h rende Erl uterungen zum Modellaufbau finden sich in FAULHABER 1986 Wesentlich f r den Betrieb von aerodynamischen Mo dellen ist der detailgetreue Au
20. amp J hne 1993 und Bildauswertung angewendet die seinerzeit mit einem hnlich konzipierten festen Endos kopkopf zur Bewegungssegmentierung von Bildauf zeichnungen zur Sandverfl ssigung Fluidisierung entwickelt und eingesetzt wurden K hler et al 1999 Spies et al 2000 Das Ergebnis dieser Algorithmen ist eine bin r kodierte Bildmaske die aus allen aufge zeichneten Bildsequenzen gewonnen wird In dieser Maske hat jeder Bildpunkt Pixel den Wert 1 wenn eine Bewegung detektiert werden konnte andernfalls erh lt der jeweilige Bildpunkt den Wert O Hierdurch k nnen die einzelnen unterschiedlichen Regionen in nerhalb der aufgezeichneten Bildausschnitte eindeutig identifiziert werden Im zweiten Schritt wird eine spe ziell entwickelte Auswertetechnik zum optischen Fluss angewendet J hne et al 1998 Spies et al 1999 um die zweidimensionalen Geschwindigkeiten der Be wegungen aus den Bildmasken zu ermitteln Das Bild 27 zeigt ein exemplarisches Ergebnis einer dieser Auswertungen zu den hierzu im Rinnenexperi ment durchgef hrten Messungen Das dargestellte Er gebnis dieser Messung korrespondiert mit den ber str mungsbedingungen wie sie bereits in Bild 8 aus den Messungen zur Oberfl chenstr mung des glei chen Experiments dargestellt wurden Der obere Teil von Bild 27 beschreibt die aufgezeichneten Zeitserien zur Bewegungsfrequenz Die Ordinate bezeichnet hier bei die Anzahl der Pixel die sich in Bewegung befan
21. ber eine Gutachten Datenbank verf g bar sind Physikalische Wasserbauwerksmodelle sind zumeist im gleichen L ngen und H henma stab von 1 10 bis 1 50 verkleinerte geometrisch hnliche Nachbildungen der Naturausf hrung und werden mit Wasser als soge nannte hydraulische Modelle betrieben Hydraulische Bauwerksmodelle zur Untersuchung von Schleusen Wehren Kraft und Pumpwerken sowie ganzer Stau stufen sind in der Regel sogenannte kurze Modelle bei denen der Einfluss der Z higkeit und somit der Ober fl chenrauheit auf das Str mungsgeschehen eine un tergeordnete Rolle spielt gegen ber den Tr gheitskr f ten welche bei Form nderungen der Str mungsberan dung erheblich auf die Str mung einwirken k nnen Es handelt sich um Modelle mit freier Oberfl che bei wel chen die Schwerkraft die Str mungsvorg nge nicht nur pr gt sondern in Gang setzt und aufrecht erh lt Des halb kann die geometrische kinematische und dyna mische hnlichkeit dieser Modelle zur Natur durch Ein haltung der str mungsmechanischen Natur Kennzahl nach Froude im Modell gew hrleistet werden Seit wenigen Jahren ist es durch die inzwischen ver f gbare Leistungsf higkeit kommerzieller Hardware m glich f r die dreidimensionale Modellierung der hy drodynamischen Prozesse im Nahfeld von Wasserbau werken numerische Modelle einzusetzen Die BAW be teiligt sich an der Entwicklung von hydrodynamischer Software f r die L sung der spezi
22. hnlichkeit der Durchflussanteile bei stark strukturierter Geometrie k nnen durch dieses Mo dellierungsverfahren vermieden werden Allerdings er h ht sich durch diese Methode die geometrische ber h hung da die zus tzliche berh hung in die Geome trie einbezogen wird Tabelle 2 Die Modellgeometrie wird zus tzlich zur urspr nglich gew hlten geome trischen berh hung nochmals verzerrt Konstante und variable zus tzliche berh hung k n nen bei Bedarf erg nzend angewendet werden Konstante zus tzliche Wariable zus tzliche berh hung berh hung 1 350 1 175 L ngenma stab 1 350 H henma stab 1 175 Geometrische berh hung ohne zus tz 1 2 12 liche berh hung Zus tzliche berh hung variabel 35 der Gesamth he Hm a mm Geometrische berh hung mit zus tzli variabel 1 114 cher berh hung F r die Str mung relevanter H henma 1 175 1 114 stab F r die Str mung relevante berh hung 1 2 1 3 Tabelle 2 Beispiel f r geometrische Ma stabsverh ltnisse bei konstanter und variabler zus tzlicher berh hung Da mit der variablen zus tzlichen berh hung zwar die hnlichkeit hinsichtlich vertikaler mit Fokus auf den Nahbereich des Wasserspiegels und horizonta ler Geschwindigkeitsverteilung gew hrleistet werden kann ggf aber hnlichkeitsprobleme z B in der N he von Bauwerken aus einer zu gro en berh hung ent stehen muss bei d
23. hung 40 der Gesamtmodelltiefe zum Geschiebetrans portmodell umgebaut BAW 2000 Dazu wurde die Flusssohle im Abschnitt der geplanten Deichr ckver legung im Gew sserbett entfernt und statt derer ein k rniges Material in H he der mittleren Sohle einge bracht Geschiebekoffer Nachdem verschiedene Materialien getestet worden waren erwies sich Sand d 0 57 mm U 2 0 als geeignet Bild 5 Das Soh lenmaterial in der Natur entspricht dem Geschiebe weist einen mittleren Korndurchmesser d_ von 1 13 bis 1 8 mm und eine Ungleichf rmigkeit U 2 16 bis 3 53 auf BfG 1994 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 51 Faulhaber Neue Methoden der aerodynamischen Modellierung z era f z j W k Deichschlitze mit F ver T Rinnen y a T pz Eo EEE 2 Ep i E F T Ses An r 5 z j sr su Modellma stab Bild 5 Luftmodell Elbe bei Lenzen Sohle des Geschiebe koffers nach dem Versuch mit geschlitztem Deich i ri 1 1000 Die Versuche wurden jeweils ausgehend von einer in H he der mittleren Sohle eingeebneten Sohle durch gef hrt Es wurde ein station rer Durchfluss von der Gr e eines 3 bis 4 j hrlichen Hochwassers einge stellt Das Modell wurde so gefahren dass deutlicher Geschiebetransport nur bei gleichzeitiger Materialzu gabe ber einen geeichten Dosator stattfand Bei den Versuchen wurde das Modell 20 Minuten mit insge samt 5 kg Zugabe betrieben anschlie en
24. ist auf der linken Ordinate in den Pixel Einheiten der Bilderfassungsrate pixel per frame aufgetragen Die rechte Ordinate beschreibt die mittleren Geschwin digkeiten der ausgel sten Sandbewegungen an der Grenzfl che Sand Kies u free surface flow y sediment 15 my sediment 40 1 0 j H N 30 _ N Y i l m Ee MU 1 3 V avv 10 Z UN u F ih hi El 7 gt Tanman a a n en ee A 0 3 gt 05 bs djo amp i G Ei i r i z I i 4 B N h d n 10 4 0 f Wi N 45 20 0 5 10 15 20 t s Bild 29 Korrelation zwischen den mittleren gemessenen Sandkorngeschwindigkeiten und der freien Au en str mung Wie in dem Bild 29 zu ersehen ist finden die Bewe gungen der Sandk rner jeweils zu den Zeitpunkten statt an denen die Geschwindigkeitsvektoren der frei en Oberfl chenstr mung in Str mungsrichtung be trachtet ihr jeweillges Maximum erreichen Dies stimmt berein mit den in der Versuchsrinne strom abw rts gelegenen Orten der eingesetzten optischen Messbereiche Periskope Die Messungen zur Sand bewegung wurden ungef hr 50 cm entfernt stromab w rts von den Messbereichen der freien Oberfl chen str mung durchgef hrt vgl hierzu auch die Versuchs anordnung in Bild 4 und erkl rt damit den in Bild 29 erkennbaren zeitlichen Versatz der gemessenen Ge schwindigkeitsspitzen Die Analysen zu den Druckschwankungen in der
25. mit n Damit erh ht eine gr ere Drehzahl bzw ein gr Reres v gleicherma en die Ruderquerkraft wie die An saugkraft zum Ufer Der Einfluss von v wird dadurch kompensiert Der Einfluss des Tiefganges kann analog erkl rt wer den Je gr er dieser ist desto enger wird der R ck str mungsquerschnitt neben dem Schiff und desto gr Ber die Ansaugkraft Einen hnlichen Einfluss hat die B schungsneigung Entscheidend ist hierbei der Rest Abflussquerschnitt zwischen Schiff und Ufer der mit m variiert Diese berlegungen zusammen mit den in Kapitel 5 diskutierten Bemessungsans tzen die eine grund s tzliche Proportionalit t der Sicherheitsabst nde zur Schiffsbreite unterstellen legen den Schluss nahe dass der Restquerschnitt zwischen Schiff und Ufer proportional zum eingetauchten Schiffsquerschnitt am Hauptspant T B sein muss der die Gr e der R ck str mung im ufernahen Bereich bestimmt um eine si chere Fahrt zu erm glichen Theoretische berlegungen die um den Rahmen der Publikation nicht zu sprengen hier nicht dargelegt wer den sollen kommen im Grundsatz zum gleichen Er gebnis wobei weitere Einflussparameter hinzukom men wie die Anzahl der Schiffsschrauben die Gr Be und Konstruktion der Ruder die Motorisierung pro Ladungstonne und die Fahrzeugl nge um die wich tigsten Einflussgr en zu nennen Da die Fahrzeuge aber bestimmte nautische Mindestanforderungen er f llen m
26. mungsanalyse ETTMER B Physikalische Modellierung von Kolkprozessen WENKA T K HLER H J Simultane Druck und 3D Geschwindigkeitsmessungen im Porenraum einer Kiessohle S HNGEN B DETTMANN T NEUNER H Modelluntersuchungen zur Ermittlung der erforderlichen horizontalen Sicherheitsabst nde von Binnenschiffen zu Uferb schungen Gesamtinhaltsverzeichnis aller bisher erschienenen Mitteilungsbl tter Seite 25 47 75 79 91 101 107 119 137 151 Vorwort Flussbauliche Fragen stellten sich den Menschen seit sie ihre Siedlungen an den Ufern der Fl sse gr ndeten Mit dem Segen des Elementes waren f r die Menschen jedoch auch Schrecken verbun den denen sie zunehmend durch vorsorgende Ma nahmen zu begegnen suchten Der Schutz vor Hochwasser und insbesondere die Nutzung der Fl sse als Transportwege erforderten es schon fr h sich mit den flusshydraulischen Fragen auseinanderzusetzen Jahrhunderte lang wurde Erfahrungs wissen vornehmlich auf der Grundlage von Naturbeobachtungen gesammelt weitergegeben und im Rahmen naturphilosophischer Systeme gedeutet Am bergang zur Neuzeit jedoch befassten sich Philosophen und Uhniversalgelehrte nicht nur mit den Erscheinungsformen des Wassers sondern suchten nach Erkl rungen f r komplexe hydraulische Ph nomene Hierzu wurden zunehmend Mes sungen und Experimente durchgef hrt die auf Ergebniswiederholbarkeit zielten der Beginn des naturwissenschaftlichen Ze
27. nderungen Die ReynoLos Zahl ist auch ein Kriterium f r die hn lichkeit der Verluste an Einbauten Bei flussbaulichen Untersuchungen ist praktisch bei vielen Einbauten nur eine schwache oder gar keine Abh ngigkeit von der Reynoldszahl festzustellen wenn n mlich die Verluste durch Str mungsabl sung an scharfen quer zur Str mung liegenden Kanten entstehen Kosus 1984 Dies betrifft die Gr e des Verlustes mit Blick auf die Gesamtstr mung Will man allerdings gerade Ph nomene an solchen Un stetigkeitsstellen der Str mung z B Wirbel und Wal zen im Buhnenfeld untersuchen muss eine hnlich keit des Energieaustausches in der Scherzone und da mit der Abl se oder Einstr mwinkel gew hrleistet sein Untersuchungen an Diffussoren sich erweiternde Ka n le zeigten dass der kritische ffnungswinkel a bei dessen berschreitung in Str mungserweiterungen Abl sungsgefahr besteht abh ngig von der REYnoLDs Zahl ist Geht man davon aus dass sich im hinter dem Buhnenkopf aufweitenden Str mungsfeld Einstr m winkel auspr gen die sich mit zul ssigen Erweite rungswinkeln bei Diffusoren vergleichen lassen so w ren folgende Beziehungen zu beachten Tabelle 4 Reynoldszahl in der Anstr mung Erweiterungswinkel ohne Abl sung a 10 0 78 4 0 Tabelle 4 Erweiterungswinkel von Diffusoren nach Eck 1988 50 000 100 000 150 000 200 000 2 000 000 8 4 Da die ReynoLos Zahlen im Lu
28. ndig gegen ber Chemikalien um dauerhaft Konstanz der physikalischen Eigenschaften zu ge w hrleisten e Nahezu keine Feuchtigkeitsaufnahme lt 0 01 damit die physikalischen Eigenschaften ber die Versuchszeit konstant sind e Temperaturbest ndig Konstanz der physikalischen Eigenschaften e Geringe Kosten e Verschiedene Ausfertigungen lieferbar 0 3 0 8 mm stark gl nzend matt wei schwarz f r un terschiedliche Anwendungen Die freie Farbwahl ist z B erforderlich um einen hohen Kontrast zum Modelluntergrund zu gew hrleisten 2 2 2 Referenzierung Zweiter Bestandteil des Postprocessing ist die Refe renzierung der ermittelten Bildkoordinaten Die zentral perspektivische Abbildung ist das grundlegende Modell des photogrammetrischen Messverfahrens Bild 2 Die 92 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Henning et al F ER Rlo a x Mi Bild 2 Zentralprojektion und Bildorientierung aus Luhmann 2003 geometrische Rekonstruktion eines dreidimensionalen Objektes erfolgt ber die Herstellung des Zusammen hangs zwischen Bild und Objektpunkt Von jedem Bild punkt P weist ein Bildstrahl ber das Projektionszen trum O zu dem entsprechenden Objektpunkt P Um diesen Zusammenhang herstellen zu k nnen be n tigt man Kenntnisse ber die innere und u ere Ori entierung der Aufnahmekamera Die Parameter der in neren Orientierung einer Kamera
29. nge der befestigten Sohle Nach Shalash 1959 wird der Einfluss der befestigten Sohle auf den Kolkprozess erst ab einer charakteristi schen L nge sp rbar Diese mit bezeichnete Stre cke kann aus der Beziehung l 1 5 Ah ermittelt wer den F r I lt l ist der Einfluss der befestigten Sohle auf den Kolkprozess vernachl ssigbar Nach Dietz Ettmer Physikalische Modellierung von Kolkprozessen 1973 zeigte sich sogar dass grunds tzlich nur eine schwache Abnahme in der Kolktiefe festzustellen ist wenn die Befestigungsl nge zunimmt Der Einfluss der Befestigungsl nge auf die Kolktiefe kann daher als eher gering angesehen werden insbesondere dann wenn die Rauheit der Befestigungsstrecke klein ist Absturzh he des Wehrvorbodens s Liegt die Gew ssersohle im Unterwasser tiefer als die jenige des Oberwassers so wird nach Shalash 1959 die Abflussform im Unterwasser der Wehranlage be einflusst Grunds tzlich stellte Shalash fest dass un ter ansonsten gleichen Randbedingungen die Kolktiefe mit zunehmender Absturzh he s abnimmt Der Einfluss auf den Kolkprozess beginnt jedoch erst bei einer Ab sturzh he s 0 3 Ah D h f rs lt 0 3 Ah ist kein IN Einfluss auf den Kolkprozess feststellbar Sch tz ffnung a Die Sch tz ffnung a ist der ma gebliche Bauwerkspa rameter f r unterstr mte Stauanlagen Sie wird zumeist als dimensionslose Gr e max t a verwendet Der Quotient max t a wird als rel
30. r den Geschiebetrans port wesentliche Str mung sichtbar gemacht 64 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Faulhaber Neue Methoden der aerodynamischen Modellierung En E f j ik Bild 17 Oder bei Reitwein Kietz Erosionsverfahren Bereich am Ende des Parallelwerks Bauwerke umstr mt Bei Nebelfluidinjektionen wird Nebel der durch Ver sprayung eines erhitzten Wasser Alkohol Gemisches unter Druck in einem so genannten Nebelgenerator au erhalb des Luftmodells entsteht am Modellein lauf oder durch Kan len in definierter H he unter der Modelldeckplatte in das Luftmodell eingeleitet In Be reichen geringer Str mungsgeschwindigkeiten Tur bulenzen wie in Bild 18 im weiten Vorland nach ei ner Deichr ckverlegung bleibt der Nebelstrahl ber eine lange Strecke sichtbar w hrend sich im Bereich der schnellen Hauptstr mung der eingeleitete Nebel schnell mit der Luft vermischt Mit dieser Methode wird die ber die gesamte oder einen Teil der Str mungstie fe integrierte Str mungsrichtung sichtbar gemacht Die beschriebenen Verfahren erlauben die fotogra fische Dokumentation der gro skaligen station ren Str mungsmuster Dar ber hinaus sind zur Bewertung von wasserbaulichen Varianten auch zeitliche Ent wicklungen von Interesse In diesem Zusammenhang wurden bisher Videoaufnahmen der Sohlentwicklung bei aerodynamischen Geschiebetransport Modellen eingesetzt Die Sohlbewegung
31. sungen Querprofile Einzelobjekte verschnitten wur den Es wurde ein Gel ndemodell im Raster von 2498 x 2498 Elementen erstellt In der Natur entspricht das Rasterabst nden von 87 5 x 87 5 cm und im Modell 2 5 x 2 5 mm Bei der Umrechnung des Natur Gel ndemodells in Mo dellh hen wurde das Gel nde ber eine Ebene Talge f lle die mit drei H henpunkten beschrieben wird ge Kippt Im Modellbetrieb wurden sowohl die Topografiedaten in Lage und H he als auch die Lageinformationen der Messdaten z B bei Geschwindigkeitsmessungen mit Hilfe einer Helmert Transformation von den Lage und H hensystemen der Natur in die des Modells und umgekehrt transformiert Auf diese Weise wurde auch die Lagegenauigkeit beim Zusammenf gen des Mo dells aus 20 Kacheln Bild 14 berpr ft Tabelle 10 62 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Faulhaber Neue Methoden der aerodynamischen Modellierung Bild 14 Aufteilung des Modells in 20 Kacheln Modell 1 50 mm Natur mittlerer Fehler 0 630 m Tabelle 10 Lagegenauigkeit des Luftmodells Oder bei Reit wein Kietz Zur Herstellung des stark strukturierten Gel ndes f r das Luftmodell wurde ein Mehrachsenbahnfr sverfah ren genutzt Es kam ein Kugelfr ser mit einem Kopf durchmesser von 16 mm bei 3 mm Fr sversatz zum Einsatz Damit konnte eine f r das Luftmodell vorteil hafte definierte raue Oberfl chenstruktur erreicht wer
32. u m Eee ee nm Se N NE A e e a Pe DER iA A aa LELLELEE LEER m E B a EELEE EELEE LELEA ELEAN E EA n n HE2 u E m n n_a B ten Mn N vum re nu mm MH n u tI Se ee a m E E b EN C a e ba n i E E An l eeu E n rin LE E y U E m as E um nai m z L E E k E a h h h h h h u a u a i T E u m m E L E LEEREN C O O O a e a a a nm ng S EL H un BEE er PiIHrklH HH ugH E T de B wi u ri dm wi dumm un u d k d u d x k k Bild 8 Momentaufnahmen bei t Os oben 0 16 s Mitte 0 42 s unten der Str mung ber der Kiesschicht verursacht durch eine Oberfl chenwelle Ausschnitt 5 x 5 x 5 cm 124 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Wenka K hler Simultane Druck und 3D Geschwindigkeitsmessungen Oberfl chenwellen werden orbitale Str mungsmuster sichtbar die im Zusammenwirken mit den im Porenge r st der Kiesschicht gleichzeitig messbaren Druckfluk tuationen die Grundlage f r die nachfolgende Auswer tung zum Bewegungsbeginn bilden Durch die Zusammenf gung dieser Bildsequenzen mit den aus der gegen berliegenden Kamera erfassten Bildern kann nachfolgend ein r umliches Str mungs feld und dessen zeitliche Ver nderung ermittelt wer den Aus diesen r umlichen Str mungssequenzen kann schlie lich eine Aussage zur jeweils wirkenden Turbul
33. vergleichbare Messungen mit Hilfe eines Laser Dopp ler Velocimeters LDV auf Grund der sehr hohen zeit lichen und r umlichen Aufl sung in diesem Fall zu ge naueren Ergebnissen f hren Auch sollte ber cksich tigt werden dass ein PIV System nicht in der Lage ist den gleichen dynamischen Bereich einer Str mung zu erfassen wie dies im Fall von LDV Messungen m g lich ist 3 Anwendung im Labor 3 1 Oberfl chen PIV an Buhnenfeldern In einer Studie zur Untersuchung der Auswirkung von Stillwasserzonen bzw Buhnenfeldern auf den disper siven Schadstofftransport in Fl ssen Weitbrecht 2004 wurde ein Oberfl chen PIV System verwendet um die ma geblichen Str mungsprozesse die f r den Mas senaustausch zwischen Hauptstrom und Stillwasser zone verantwortlich sind zu identifizieren und zu quan tifizieren Zu diesem Zweck wurde in einer neigbaren 20 m langen und 1 82 m breiten Laborrinne ein sche matisches Halbmodell eines Buhnengeregelten Fluss abschnitts aufgebaut Bild 3 4 20 m In Diffusor o u Buhnen EIG a et a E 1 J g EO Bild3 Schematische Darstellung des verwendeten Gerinnes Zur Bestimmung der Oberfl chengeschwindigkeiten wurde ein PIV System der Firma LaVision mit einer Flowmaster 3 Kamera 1024 x 1280 Pixeln 12 Bit Farbtiefe bei einer zeitlichen Bildwiederholrate von bis zu 7 Hz verwendet Die mittlere Str mungsgeschwin digkeit betr gt 0 16 m s was bei einer Wassertiefe v
34. 0 5 mm in der Natur 25 cm Kleine Teilchen werden bei den hohen Flie geschwindigkeiten in Luftmodellen sehr bald fliegend transportiert Schwebstoffe Dadurch ist einerseits die hnlichkeit des Transports nicht mehr gegeben und andererseits verstopfen Siebe in der Modellinstallation leicht Gut realisierbar sind Modelle im Geschwindigkeitsbereich nahe des Be wegungsbeginns der Feststoffe e Der Transport der Schwebstoffe wird nicht na tur hnlich abgebildet Die Korndurchmesser des sich in Seitenbereichen Buhnenfelder Vorland ab lagernden Materials sind im Luftmodell im Vergleich zur Natur sehr gro wodurch mit wachsenden Se dimentationen die Geometrie und damit die Str mungsverh ltnisse verf lscht werden k nnen e In den bisherigen Untersuchungen der BAW erhielt man in Luftmodellen mit berwiegend Sand unter schiedlicher mittlerer Korndurchmesser und Un gleichf rmigkeit als Sohl und Geschiebematerial Transportk rper die als Riffel zu bezeichnen sind 56 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Faulhaber Neue Methoden der aerodynamischen Modellierung REIHE Sn N u III dl a S T T GE a BEE T A HE DEE DEE DE a T HER EF aT Fr Fl mE a Ed Dt TE and Kies in i Luftstr mung m mm and Kies in dm Wasserstr mung ai A Bewegungsbeginn in Wasser ZANKE 1982 B Bewegungsbeginn in Luft ZANKE 1982 poon o
35. 1 Beispiel f r zu erwartende Datenmengen 2 2 2 2 1 Auswertung Bildverarbeitung Im Postprocessing erfolgt die r umliche Verkn pfung der Einzelbilder und ihre Auswertung im Bildtripel Die se umfasst zun chst die Erkennung und Messung der in den Aufnahmen sichtbaren auf der Wasseroberfl che schwimmenden Tracer Einzelne Tracer werden ber Kontrastunterschiede erkannt und m ssen einen Mindestabstand zueinan der haben Wird dieser Mindestabstand unterschritten d h es gibt keine Helligkeitsunterschiede zur Abgren zung der Einzelteilchen so werden diese Tracer als ein Teilchen gewertet und auf Grund eines vorzuge benden Gr enkriteriums nicht ausgewertet Die Zuordnung der identischen Tracer zu einer ein deutigen Bahnlinie erfolgt ber eine gezielte Suche im Folgebild Hierbei werden die bereits vorliegenden Informationen ber diesen Tracer wie der zur ckge legte Weg und die Richtung w hrend des letzten Zeit schrittes zu Grunde gelegt Hinzu kommen vom Be nutzer gew hlte Einstellungen bez glich Gleichf rmig keit der Bewegung und Gr e der zu suchenden Tra cer Durch diese Informationen wird die optimale Such position des Tracers im Folgebild bestimmt Stark un gleichm ige Bewegungen wie z B spontane Rich tungs nderungen bei variierenden Geschwindigkeiten zwischen zwei Einzelbildern k nnten bei einer gro en Anzahl an Tracern zu Fehlzuordnungen f hren Das System ist allerdings in de
36. 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 tft G Bild 21 Max Ap r bei zunehmender Instabilit t t t y T 8 8 Pa H d 20 H d 10 Vertikalpositionen y d 1 0 0 0 0 x 1 0 V 2 0 Klar et al 2004a Um den D mpfungseffekt der Kiesschicht zu beleuch ten sind in Bild 22 die turbulente kinetische Energie TKE der freien Str mung und die Druckfluktuationen rms p unmittelbar ober und innerhalb der Kiesschicht in dimensionsloser Form gegen bergestellt TKE u v w lu 2 0 5 2 30 1 27 1 63 e j with high pass gt 2 Hz i 2 4 10 12 14 6 8 rms p x 0 5 rms u u Bild 22 Turbulenzenergie TKE u2 im Vergleich zu rms p rt bei zunehmender Instabilit t t t 0 09 O 0 18 X 0 35 0 59 andere Symbole Klar et al 2004a Die Turbulenzenergie TKE u der Fluktuationen u der Hauptstr mungsgeschwindigkeit die ber ADCP gemessen wurden stimmt mit dem Exponentialgesetz von Nezu amp Nakagawa 1993 berein Gl 6 rms u _ 93087 u In Anlehnung an Nezu amp Nakagawa 1993 kann daher f r TKE u v w angenommen werden GI 7 TKE u v w 0 5 2 30 1 27 163 e Y 4 78e Beide Formeln sind in Bild 22 mit einer gestrichelten Gl 6 oder durchgezogenen Linie Gl 7 gekennzeich net Zur weiteren Analyse der Turbulenz wurde der turbu lente vom oszillierenden Anteil des Drucksignals abge trennt Da letzterer durc
37. 114 Im gesamten Untersuchungsbereich wurde so wohl im Flussbett als auch in den Buhnenfeldern mit der gleichen Str mungstiefe modellierte Tiefe 28 mm Natur 3 2 m gearbeitet Die Buhnen wurden verein facht mit einer Neigung Kopf und Seitenneigung gleich von 1 1 im Luftmodell entspricht einer Natur neigung von 1 3 modelliert In diesem Prinzipmodell wurden die Richtungskompo nenten der Geschwindigkeit im Buhnenfeld und in der angrenzenden Hauptstr mung haupts chlich f r um str mte Buhnen in einem Messraster Rasterweite Modell 2 bis 4 cm Natur 7 3 bis 14 6 m mittels LDA und HDA gemessen Die Messung erfolgte in mehre ren Ebenen parallel zum Wasserspiegel und Sohle Mit Hilfe des Programms gt FIKS lt HEnTscHeL 1997 wurden die Messwerte weiter verarbeitet um die Ver nderung der Str mungsmuster qualitativ und quanti tativ darzustellen Bild 23 gt FIKS gt Fl chiges Interpo liertes Koordinaten Schema wurde in der BAW entwi ckelt und dient der Darstellung und Auswertung fl chig verteilter Daten Die Originaldaten werden dazu auf ein rechteckiges Raster quidistante Matrix interpo liert und somit zu einem Datenmodell verarbeitet Den Elementen der Fl che Lagekoordinaten werden die Parameterwerte der z Koordinate H he bzw analo ger Parameter Temperatur Geschwindigkeit v und V usw zugewiesen Die Eigenschaften werden dabei als Werte farbig oder zus tzlich mit der Richtungsangabe Vektorl
38. 3 0 er rechnet werden vgl Gl 5 rms p tog Bild 20 rms p bei zunehmender Instabilit t t r T 8 8 Pa H d 20 Hyd 10 Vertikalpositionen y d_ I 1 0 0 0 0 x 1 0 V 2 0 Klar et al 2004a 0c Au erdem wird die d mpfende Wirkung des Kieses sichtbar W hrend das Verh ltnis von rms p t bei y d 1 0 ber dem Kies zu C 10 errechnet werden kann liegt der Wert bei C 2 2 an der Stelle y d 1 0 Unterhalb dieser Vertikalposition kann innerhalb des Kiesbettes keine wesentliche Ver nderung festge stellt werden Das Verh ltnis rms p t wird hier meis tens mit C 1 8 angegeben In Bild 21 sind ebenfalls in dimensionsloser Auftragung zu den gleichen Bedingungen wie zu den Ergebnissen von Bild 20 die maximalen Fluktuationen des Druck signals max Ap als eine Funktion der Scherbeanspru chung q dargestellt F r die Oberkante der Sohle bei y d 0 0 l sst sich f r max Ap t eine Steigung von C 18 ermitteln die sich in guter bereinstimmung mit dem von Emmerling 1973 angegebenen Wert von rms Ap 18 t befindet In der Weise wie sich die Kurven von Bild 20 und 21 gleichen m ssen die Ab h ngigkeiten von max Ap und rms p linear sein 128 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Wenka K hler Simultane Druck und 3D Geschwindigkeitsmessungen 30 8 gt 0 P E u En 10F a E g nen TEE 0 0
39. 8 und k nstlich erzeugte Wellen H 88 mm T 2 1 s Von oben nach unten Kies 12 8 Sand Klar et al 2004a ermitteln Da mittels ADCP in unmittelbarer Sohln he wie z B bei y d 1 0 keine zuverl ssigen Mes sungen m glich sind kann eine ausf hrlichere Analyse der turbulenten Druckfluktuationen unmittelbar ober halb der Kiesschicht nur auf Basis der noch auszuwer tenden 3D PTV Messungen erfolgen Wasserstandschwankung Drucksignal bei y d 0 9 0 0 3 9 Bild 23 liefert Auswertungen des Energiedichtespek trums PSD p Pa Hz f r den stabilen t t 0 09 bzw schwach mobilen Fall t t 0 59 An den Ver tikalpositionen y d_ 1 0 bis 0 0 stimmen die Resul tate mit Kolmogorov s kK Gesetz f r die Turbulenz energiekaskade in Gerinnestr mungen berein Nezu amp Nakagawa 1993 Innerhalb der Kiesschicht ist eine deutliche D mpfung zwischen 1 bis 3 Hz zu erken 130 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Wenka K hler Simultane Druck und 3D Geschwindigkeitsmessungen nen Innerhalb der Kiesschicht wird eine starke Damp fung der Amplituden ab Frequenzen zwischen 1 bis 3 Hz sichtbar Unterhalb y d 4 0 in der Kiessohle ist kein Unterschied in der D mpfung von Frequenzen gr er als 3 Hz identifizierbar Hier werden die Druck schwankungen von den unvermeidlichen langwelligen Schwankungen des Wasserspiegels dominiert F r die Bemessung ei
40. Abschnitten erl utert Anhand des Messprogramms k nnen bei voreinge stellten Verschluss ffnungen die Ober und Unterwas serspiegelh hen vorgegeben werden und durch die Regelorgane im Zulauf Schieber bzw Auslauf Aus laufklappe wird der Zufluss bzw die Auslaufklappen stellung automatisch solange schrittweise geregelt bis die vorgegebenen Sollwerte f r die Wasserspiegelh hen erreicht sind Der abflussabh ngige Unterwasser stand muss bei der Steuerung interaktiv ber cksich tigt werden da er bei Unterstr mung einen Einfluss auf das Abflussverm gen hat Am Beispiel von Modellversuchen f r das Neckarwehr Deizisau mit drei Wehrfeldern dessen Randfelder je mit einem Rollsch tz und das mittlere Wehrfeld mit einem Versenksch tz ausger stet sind werden eini ge Messergebnisse vorgestellt Die Wehrfeldbreite be tr gt jeweils 17 50 m F r die Feinregulierung des Nor malstauzieles bei kleinen Abfl ssen lt 70 m s durch ein Wehrfeld wird das Versenksch tz nach unten abge senkt sodass es berstr mt wird Der gemessene Zu sammenhang zwischen berfallh he h und Abfluss Q zeigt das Diagramm in Bild 21 welchem zu entnehmen ist dass bei maximal abgesenktem Versenksch tz und einer berfallh he von 1 50 m ber Sch tzoberkante welche dem Stauziel entspricht ca 65 m s abgef hrt werden k nnen S E 38 Abfluss Gy ms 5 5 000 0 10 020 030 040 050 050 0 70 050 050 1 00 110 1 20 1 30 14 150 180 b
41. Bild 18 und Bild 19 Daher wird das Geschiebe am Modellauslauf aufgefangen und vom Wasserkreislauf getrennt zum oberen Modellrand transportiert Transport ber einen M vom Modell A zum Ablauf G zur Geschieber ckf hrung Bild 20 Systemskizze zur Geschiebeabsaugung wassergef llten Schlauch mit einer Exzenter Schne ckenpumpe separater Wasserkreislauf Dort wird es vom Transportwasser getrennt und ber eine rechner gesteuerte Dosiereinrichtung mit Vorratsbeh lter ab flussabh ngig dem Modell wieder zugegeben Am unteren Modellrand wird das Geschiebe sohlnah ber eine Unterdruckabsaugung dem Modell entnom men Geschiebesammler s Bild 20 und Bild 21 Bei diesem System wird durch eine Pumpe in mehreren parallelen R hren in Sohlh he am Modellauslauf ein Unterdruck erzeugt mit dem das Geschiebe sohlnah ber die Gew sserbreite abgesaugt wird Der gr te Teil des Wassers flie t oberhalb der Absaugung di rekt zum Modellauslauf Lamellenwehr Das abge saugte Wasser Geschiebegemisch wird ber eine Trocknungsschnecke getrennt Abtropfverfahren Mit der Geschiebeabsaugung werden etwa 90 des Ge schiebes automatisch erfasst 95 bei NW 93 bei Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 35 Hentschel Hydraulische Flussmodelle mit beweglicher Sohle een Zum Lamellenwehr ia f 1 u 2 Entw s Ii Geschiebeabsaugung I A Pe en Ai Trockenes Gra
42. DR InG THOMAS WENKA DiPL ING HANS J RGEN K HLER BUNDESANSTALT F R WASSERBAU KARLSRUHE Kurzfassung In diesem Aufsatz werden Ergebnisse einer experi mentellen Untersuchung zur Sohlstabilit t zusammen gestellt Ziel der Untersuchung ist eine synoptische Er fassung der Str mungs und Druckfelder oberhalb und im Porenraum einer Kiessohle durch simultane zeit lich hochaufgel ste Messungen von Druck und Ge schwindigkeit Dazu werden miniaturisierte Piezo Drucksensoren zur Druckmessung sowie optische 2D und 3D Techniken zur Str mungsmessung eingesetzt Die Auswertung der Geschwindigkeitsmessungen er folgt durch digitale Bildsequenzanalyse Die neu ent wickelten Messtechniken sowie exemplarische Mess ergebnisse werden vorgestellt Die Ergebnisse sollen zu einem besseren Verst ndnis von Erosions und Se dimentationsprozessen sowie von Austauschprozes sen Masse Impuls zwischen Oberfl chen und Po renstr mung beitragen Das langfristige Ziel dieses Projekts ist die Verbesserung der ingenieurtechnischen Bemessung von Sohlschutzma nahmen 1 Einleitung Die aktuellen Herausforderungen in der Planung von Regelungs und Unterhaltungsma nahmen an Bun deswasserstra en liegen im Wesentlichen in der Vorhersage der morphodynamischen Entwicklung des Flussbettes Der Erfolg von Unterhaltungs und Regelungsma nahmen und der beteiligten Bauwerke wie Buhnen Parallelwerke oder D mme wird stark durch die Stabilit t der Flussso
43. Ein satz als Wehrverschl sse an Bundeswasserstra en zu pr fen wurden im Rahmen eines FuE Projektes Grundsatzuntersuchungen an einem 0 80 m breiten Schlauchwehrausschnitt in der Stahlrinne durchge f hrt Der Modellma stab der auch unter Ber cksich tigung von hnlichkeitskriterien und der Membrandi cke des Modellschlauchs gew hlt wurde betrug dabei 1 9 Der Modellschlauch der f r diese Versuche an den Rinnenw nden seitlich geschlossen war wurde auf ei ner Stahlunterkonstruktion Ablagetisch befestigt und in der Rinne fixiert Die Sohlh hen im Ober und Un terwasser waren entsprechend angepasst Bild 13 und Bild 14 F r die Untersuchungen am Ausschnittsmodell kamen sowohl wassergef llte wie auch luftgef llte Schlauch wehrvarianten zum Einsatz Ziel war es u a Erkennt nisse ber die Ausbildung der Schlauchquerschnitts form in Abh ngigkeit vom Schlauchinnendruck bei hy drostatischer Belastung nicht berstr mt sowie Ein fl sse des Einstaugrades durch das Unterwasser auf die Schlauchh he zu erhalten Befestigungs schene Wehrh he Schlauchh he Bild 13 L ngsschnitt durch die 0 80 m Rinne mit Modell schlauchwehr Ausschnitt Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 17 Grimm et al Entwicklungsstand der physikalischen Modelluntersuchung i gt gt TOF i wi d 4 Bild 14 berstr mtes Schlauchwehr
44. Elekt Schieber Netzwerk intranet Bild 2 Installationsprinzip der Zuflussregelung Die Messgenauigkeit der Durchflussaufnehmer liegt bei 0 25 des Messwertes Der Messumformer hat einen normierten Stromausgang mit der Skalierung 0 20 mA Dies entspricht 0 Messbereich in l s Messbereich ist parametrisierbar Die Steuerung und die Regelung werden mit einem zentralen Automatisie rungssystem durchgef hrt wobei die Sollwertvorga ben von einem modellspezifischen Messprogramm ge liefert werden 2 3 Modellauslaufsteuerung Am Modellauslauf wird als untere Randbedingung der Wasserstand auf den jeweiligen Sollwert eingestellt Modelltechnisch ist im Auslaufbereich eine elektrisch steuerbare Auslaufklappe eingebaut die zusammen mit einer Wasserstandsmessstelle und einem digitalen Regler als Unterwasserspiegelregelung arbeitet Die Sollwertvorgabe ist im weiten Bereich ver nderbar und kann vom Messprogramm vorgegeben werden Die Steuerung und Regelung wird mit dem zentralen Au tomatisierungssystem durchgef hrt Ein elektronischer Stellungsmelder zeigt die Stellung der Auslaufklappe als dimensionslosen Zahlenwert an und wird benutzt um die Klappe auf eine reproduzierbare Position zu fah ren 2 4 Wasserstandsmessung Im Untersuchungsbereich ist das kontinuierliche Mes sen von Wasserspiegellagen eine wichtige Standard aufgabe Die Anzahl und die Lage der station ren Messstellen ist abh ngig von der hydraulischen Not
45. FD Verfahrens Das Prinzip der Gleichungen beruht auf einem fini ten Differenzen Verfahren welches in Anlehnung an r umliche Spline Funktionen konzipiert wurde siehe Bild 1 F r die Elemente im Inneren des Berechnungsrasters wurde die allgemeine Systemgleichung von Briggs zur Ermittlung des Wertes eines freien Elementes E E Betrachtetes Element E x y XO E x 2 y X1 E x 1 y X2 E x 1 y X3 E x 2 y Yo Elx y 2 YL E x y 1 Y2 Elx y 1 Y3 E x y 2 OL E x 1 y 1 OR E x 1 y 1 UL E x 1 y 1 UR E x 1 y 1 x Richtung y Richtung Bild 1 Elementdefinitionen des FD Verfahrens 102 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Hentschel Ein Finite Differenzen Verfahren zur Str mungsanalyse E x3 y3 x0 y0 2 UR UL OR OL S x2 xl yl y2 yl y2 m wie folgt ge ndert E a x3 y3 x0 y0 2 UR UL OR OL i 8 x2 xl yl y2 pr n 24 4 a Bei dieser modifizierten Gleichung wurde ein Gl t tungsfaktor a 0 5 lt a lt 1 0 Default 0 95 implemen tiert Dieser Faktor erm glicht eine variable Reduzie rung der Wichtung der Rasterelemente im Abstand von 2dx bzw 2dy sodass der Nahbereich st rker be r cksichtigt wird Die dadurch bewirkte Gl ttung Abfla chung ist z B wichtig bei gro en Geschwindigkeiten in der N he eines senkrechten Ufers da es hierbei zu einer berreaktion der Funktion kommen kann so dass das ermittelte Ge
46. Fahrwasser in Abzug gebracht wurde Sie entsprechen den Angaben in den deutschen Richtlinien f r Regelquerschnitte bei Anwendung auf die dort be schriebenen Standard Kan le f r Begegnungsverkehr Die Modellversuche werden dadurch best tigt 11 Literatur DETTMANN T JuURISCH R Beitrag zur Bemessung von Fahrrinnenbreiten in Kan len und Fl ssen Binnen schifffahrt Nr 6 Juni 2001 S HNGEN B Dimensionierung von Fahrrinnen im Rah men der Planung von Staustufen 13 Duisburger Kol loquium f r Schiffs und Meerestechnik Mai 1992 NEUNER H STROBL T Shipping Navigation Tests to de termine the horizontal safety distances from groynes and canal banks PIANC Bulletin Nr 115 Januar 2004 150 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007
47. Grundlage f r die systematische Erstellung der Wehrkennlinien werden Modelluntersuchungen re pr sentativer Wehranlagen durchgef hrt Um unter Umst nden den Umfang der Versuche re duzieren zu k nnen wird zun chst in grunds tzlichen Vorversuchen in der 3 m Rinne untersucht inwieweit der str mungsrelevante Nahbereich der Wehre B schungen Kraftwerk Sohlgestaltung reduziert bzw vereinfacht dargestellt werden kann ohne einen gra vierenden Einfluss auf das Abflussverhalten der Wehr verschl sse zu erhalten Dadurch kann der Aufwand f r den Aufbau der einzelnen bzw die Anzahl der auf zubauenden Modelle minimiert und der Modellma stab gr er gew hlt werden Zus tzlich hierzu wird die analoge Verwendung der Ergebnisse gleichartiger Mo dellversuche anderer Wasserstra en gepr ft Die Wehranlage selbst wird detailgetreu nachgebildet Vorboden Wehrschwelle und Tosbecken werden aus Betonfertigteilen oder Kunststoff hergestellt die Wehr verschl sse aus Metall Alu Messing oder Kunststoff siehe Beispiel Bild 20 Die Positionierung der Ver schl sse erfolgt mit Schrittmotoren welche eine mil limetergenaue Einstellung gew hrleisten und zentral per Fernsteuerung anhand des Steuer und Messpro gramms vorgenommen wird Die Wasserspiegelmes u Oaa Bild 20 Wehranlage im Modell M 1 33 links und rechts Rollsch tz Mitte Versenksch tz sung erfolgt in gleicher Weise wie in den vorangegan genen
48. Luftmodells muss die Grenzfl che zwischen Wasser und Luft der zu un tersuchenden Natur Freispiegelstr mung auf geeignete Weise simuliert werden Die Natur hnlichkeit der ver tikalen Geschwindigkeitsverteilung kann auf verschie dene Weise erreicht werden Am konsequentesten w re der Einsatz eines an der Wasseroberfl che gespiegelten Modells Bild 2b Da Spiegelmodelle u erst aufw ndig in der Untersu chungspraxis sind kommen sie bei den komplizierten Geometrien flussbaulicher Untersuchungen in der BAW nicht zum Einsatz In der Regel wird eine durchsichtige Modellabdeckung aus Kristall oder Acrylglas zur Simulation der Grenzfl che zwischen Wasser und Luft der zu untersuchenden Natur Freispiegelstr mung im Luftmodell genutzt Durch diese Deckplatte kommt es zu einer Verf lschung der vertikalen Geschwindigkeitsverteilung gegen ber der Naturstr mung da die Reibung an der Grenzfl che Luft Deckplatte im Modell gr er ist als die an der Grenzfl che Wasser Luft in der Natur Bild 2 a und c 48 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Faulhaber Neue Methoden der aerodynamischen Modellierung rau Natur gespiegeltes Luftmodell ohne zus tzliche Uberh hung a b glatt nicht m dellierter glatt Bereich E vm I T 7 modelliert Bereich 7 Fi Fa F rau Luftmodell Luftmodell ohne zus tzliche mit zus tzlicher U berh hung berh hung d Bild 2 Vertika
49. Ma nahmen werden bei komplizierten Fragestellungen Modelle eingesetzt Zur Untersuchung der Oberfl chenstr mung und deren Wirkung auf das Gew sserbett kommen in Abh ngig keit von der jeweiligen Fragestellung numerische und oder Ma stabs physische gegenst ndliche physika lische Modelle englisch scaled models zur Anwen dung Im Bereich der Ma stabsmodelle unterschei det man Wasser hydraulische und Luft aerodyna mische Modelle Die Wahl der geometrischen Ma st be ist bei hydrau lischen Flussmodellen besonders durch die Notwen digkeit sowohl die FROUDE HNLICHKEIT Fr 1 als auch die RevnoLos hnlichkeit Re gt Re en einhalten zu m ssen eingeschr nkt siehe Kosus 1984 und HENT scHEL 2007a im vorliegenden Heft Deshalb ist ein Modellierungsverfahren besonders verlockend bei dem die erstgenannte Bedingung entf llt da man die geometrischen Ma st be verkleinern kann wenn die Froupe Zahl nicht als hnlichkeitskriterium ber cksich tigt werden muss Diese M glichkeit ist gegeben wenn die Freispiegelstr mung durch eine Druckstr mung er setzt wird Wird das freie Wasserspiegelniveau der Na turstr mung durch eine Abdeckung simuliert kann die Modellstr mung unter Druck erfolgen Das str mende 1 Einige Begriffe sind im Glossar am Ende des Artikels erl u tert au erdem befindet sich dort ein Symbolverzeichnis Medium Wasser wird durch Luft ersetzt Das so ent standene Analogiemodell be
50. Riffel D nen 0 1 Fr 10 Keine Bewegung 100 1000 Re Bild 5 Shields Diagramm mit sedimentologischen Kenngr en Naturdaten f r die Oder bei Hohenwutzen Modelldaten f r unterschiedliche Modellsedimente winnen bei Werten Re lt 70 an Bedeutung wie sie bei sandigen und feinkiesigen Gew ssern auftreten Hier nimmt dann auch die Abh ngigkeit der Sohlformen von der Fr Zahl zu Die genaue Korrelation der Transportmengen zwischen Natur und Modell wird dar ber hinaus durch den sedi mentologischen Zeitma stab kalibriert s unten hnlichkeit der Sohlformen Die Sohlformen D nen Riffel Kolke sind bei vielen Fragestellungen nicht nur relevant f r die Nachbildung der relativen Rauheit sondern stellen direkt einen Un tersuchungsschwerpunkt dar Dazu geh rt zum Beispiel die Untersuchung von Transportk rpern zur Ermittlung von Fahrrinnentiefen oder der Stabilit t von Fahrrin nenverl ufen Empirische Ans tze zur Errechnung von Transportk rperdimensionen L nge H he Steilheit beruhen oftmals lediglich auf vereinfachenden Rinnen versuchen oder vereinzelten Naturdaten und f hren oft zu widerspr chlichen Ergebnissen Hinzu kommt dass bei Modellen mit Ersatzmateri al die Korngr e berproportional zunimmt sodass insbesondere Sohlformen in der Gr enordnung des Korndurchmessers des Modellgeschiebes nicht mehr natur hnlich abgebildet werden k nnen Diese Klein fo
51. S 5 24 BAW SCHUMACHER 2005 FLIEGE Handbuch Versi on 2 Bundesanstalt f r Wasserbau Karlsruhe 2005 Brisss 1974 I C Machine Contouring using minimum curvature In Geophysics Vol 39 No 1 Feb 1974 P 39 48 104 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Hentschel Ein Finite Differenzen Verfahren zur Str mungsanalyse CASPERLEIN A 1967 Auswertung von Abflu mes sungen auf digitalen Rechenanlagen Besondere Mit teilung zum Deutschen Gew sserkundlichen Jahrbuch Nr 29 Herausgegeben von der Bayerischen Landes stelle f r Gew sserkunde in M nchen M nchen 1967 FAULHABER P 2007 Neue Methoden der aerodyna mischen Modellierung flussbaulicher Fragestellungen In Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 HENTSCHEL B 1992 FlieGe Handbuch Version 1 Bun desanstalt f r Wasserbau Karlsruhe 1992 K ulins C 1994 Finite Elemente Simulation der Ge schwindigkeitsverteilung in Kanl len und teilgef llten Rohrleitungen In Heft 60 des Lehrstuhls f r Hydrau lik und Gew sserkunde der TU M nchen M nchen 1994 LAWA BMV 1998 Pegelvorschrift Anlage D Richtli nie f r das Messen und Ermitteln von Abfl ssen und Durchfl ssen Verlag Paul Parey Hamburg und Berlin OrLovius A HEnninG M 2005 Auswertung von ADCP Daten zur Kalibrierung von Str mungsmodellen An forderungen und Randbedingungen Beitrag zum Semi nar Akustische Doppler Ger t
52. Sicherheitsabst nde im Re gelfall am st rksten beeinflussenden Punkten 1 4 bis 6 und 10 anhand von Versuchen mit ma st blich ver kleinerten Modellen mit Schwerpunkt auf dem Einfluss der Uferform Punkte 4 bis 6 nachgegangen Dabei wird vorausgesetzt dass die Sichtbedingungen gut sind dass der Wind keine Rolle spielt Beschr nkung auf tief abgeladene Schiffe und dass die Querschnitts verh ltnisse ausreichend gro e Schiffsgeschwindig keiten v zulassen sodass die Punkte 2 7 und 8 kei nen Einfluss haben Es werden auch nur Sicherheits abst nde f r gerade Gew sserabschnitte angegeben und es werden starke Interaktionen der Fahrzeuge untereinander ausgeschlossen Alle beteiligten Fahr zeuge m ssen somit in ihrer Spur bleiben Die letz te Annahme gilt nur f r ausreichend breit bemessene Fahrrinnen 3 Betrachtungen zum human factor Das tolerierte Kollisionsrisiko mit dem der human fac tor im Grunde quantifiziert werden m sste ist mit dem von Begegnungen in Standard Kanalprofilen gem deutschen Richtlinien f r Regelquerschnitte 1994 vergleichbar Dies deshalb weil die Modellversuche gezeigt haben dass die Modellschiffsf hrer im Stan dard Trapezprofil T Profil eine mit den Richtlinien ver gleichbare Verkehrsfl che ben tigen und weil sich aus den Modellversuchen bertragen auf die Randbedin 138 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 S hngen et al Modellunte
53. Sollwertvorgabe des OW Reg lers Dabei wird schrittweise der dem Regler vorge gebene OW Sollwert so lange ver ndert bis der angestrebte OW Sollwert erreicht ist Der Vorgang kann grafisch beobachtet werden und wird in einer Datendatei zyklisch protokolliert Programmtechnisch realisierte Verkn pfungen und Be dingungen e UW Istwert liegt au erhalb einer parametrisier baren Bandbreite des UW Sollwerts gt OW Regler wird auf Handbetrieb gestellt keine Regelaktivit ten e UW Istwert liegt innerhalb der Bandbreite des UW Sollwerts gt OW Regler wird auf Automatikbetrieb gestellt Regelaktivit ten ein e OW Istwert liegt au erhalb einer parametrisier baren Bandbreite des aktuellen OW Sollwert gt aktueller OW Sollwert wird nicht ver ndert e OW Istwert liegt innerhalb der Bandbreite des aktuellen OW Sollwert gt aktueller OW Sollwert wird schrittweise ver n dert Durch die schrittweise Ann herung des OW Sollwerts muss der OW Regler nur kleine Regelabweichungen ausgleichen und ist so besser parametrisierbar Dies wirkt sich auch g nstig auf den UW Regler aus da nur geringe Schwankungen im UW zu erwarten sind Die Wehrh hen beim Erreichen der station ren Was serspiegellage entsprechen der Modellgesetzm igkeit und k nnen auf die Natur bertragen werden Die an gewandten Reglerparameter des OW Reglers sind nicht auf die Natur bertragbar Gr nde hierf r sind das dynamische Verhalten der Wehrelemente
54. Strecke mit Richtungsverkehr anstellen zu k nnen Deshalb ist die Relation zwischen den erforderlichen Sicherheitsabst nden f r Begeg Ufer in H he der Kimmlinie Ihes i l i N bes m erta vao N l taktischer Drehpunkt Leine zur opt schen Begrenzung des Korrid dors Breite des Korridors Bild 2 Kinematik der Schl ngelfahrt angewendet auf die Versuchsbedingungen in der VAO gem Bild 6 bei denen die Schiffe im Korridor zwischen Leine und Ufer fuhren und zugeh rige Definition des Sicher heitsabstandes erf a o nach VAO aus der Diffe renz von max a und b nungen nachfolgend s genannt und solchen f r Rich tungsverkehr s aus den Modelluntersuchungen nicht direkt ableitbar selbst wenn sich die Modellschiffsf h rer natur hnlich verhalten Deshalb wird hier der fol gende pragmatische Weg vorgeschlagen Im Rich tungsverkehr wird dem Schiffsf hrer die M glichkeit er ffnet eine regul re Schl ngelfahrt auszuf hren Der zugeh rige Raumbedarf R ergibt sich geometrisch aus Bild 2 Es zeigt einen angenommenen aus Kreisb gen zu sammengesetzten Schiffspfad dem das Schiff tangen tial im taktischen Drehpunkt folgt Dettmann 2001 Hie raus ergibt sich dass das Schiff um das gleiche Ma zur einen wie zur anderen Seite der Kursachse aus schwenken muss wenn die Zusatzbreite aus Driften wie sp ter noch gezeigt wird eine Konstante ist sie he Bild 2 Das Ma des A
55. Tracking Velocimetry zur Mes sung der Geschwindigkeit an der Wasseroberfl che montiert Im Innern der Br cke befindet sich ein pho togrammetrisches Messsystem zur r umlichen und be r hrungslosen Vermessung der Modellsohle Godding et al 2003 und zur r umlichen Erfassung des Was serspiegels und der Oberfl chengeschwindigkeiten 3D PTV s Henning et al 2007 in diesem Heft und Hentschel 2007 4 6 Sohlaufnahmen Das photogrammetrische System besteht aus einem Diaprojektor der ein Raster auf die Modellsohle proji ziert und drei hochaufl senden Videokameras die das Raster aus drei Richtungen filmen s Bild 23 Godding et al 2003 Videokameras Passpunkt Fps a ir rn P aay kre Eu a m Er 5 A mr i ee nr N i i P FA F A S je A wy e Bild 23 Innenansicht der Messbr cke mit Projektor und Kameras an der Sohle das projizierte Raster er r kiss e A Die Kameras orientieren sich im Raum mit Hilfe von am Modell angebrachten Passpunkten Diese sind ge nau eingemessen und lagestabil Sie unterscheiden sich eindeutig durch einen kreisf rmigen Code Die ak tive Orientierung der Kameras vor jeder Aufnahme ge w hrleistet die hohe Genauigkeit des Systems unab h ngig von systembedingten Lagever nderungen der Kameras z B Verformungen der gesamten Messbr cke durch Temperaturschwankungen Der Abstand der projizierten Rasterlinien wurde mit 2 5 cm als Kompromiss aus Messareal Kamer
56. Werte wobei zwischen den Tiefg ngen von T 2 5 m und 2 8 m und GMS und SV unterschieden wurde Danach liegen die errechneten Netto Sicherheitsabst nde s zwischen 1 3m und 2 3m f r m 3 bzw zwischen 3 0m und 4 7 m f r m 0 im Mittel bei 1 8 m bzw 3 9 m was sehr gut mit den in den Richtlinien genannten Werten von 1 5 m f r m 3 und 4 0 m f r m 0 bereinstimmt Die Ergebnisse der Modellversuche stehen somit im Einklang mit vorliegenden Richtlinien f r Kan le Dies rechtfertigt eine Prognose von Sicherheitsabst nden f r davon abweichende Randbedingungen 9 Prognose von Sicherheitsabst nden zu Uferb schungen und Ausblick Zun chst soll der f r die Praxis wichtige Sonderfall eines flach geneigten Ufers betrachtet werden wie es an Fahrrinnenr ndern die nicht an Regelungsbau GMS L 110 B 11 4 SV L 185 B 11 4 Profi 1 5 1 3 2 3 2 1 R o s a a Tabelle 4 Prognose des Sicherheitsabstandes zu Uferb schungen f r Begegnungsverkehr s erf a T m 3 und R m 0 Kanalprofile und moderne GMS bzw SV mit 2 5 m und 2 8 m Abladetiefe Ab f r GMS und 3 3 m f r SV L ngen in m Ab_ _ f r Standard 41m VAO FSchl FSchl Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 149 S hngen et al Modelluntersuchungen zur Ermittlung der erforderlichen horizontalen Sicherheitsabst nde werke grenzen der Fall ist Hierbei errechnen sich f r eine Wassertiefe von h
57. _ 2550 ms im heutigen Zustand 100 AM y N k EN li a y N I ale h 3 al f N na ss Th s f b t 4 D L t T FE p anp ir a h M L3 i Bild 25 Anordnung der Messquerschnitte Mainstaustufe Schweinfurt r aeie e ee Bild 26 Momentbilder der Oberfl chenstr mungen f r Quan 440 m s Mainstaustufe Schweinfurt Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 23 Grimm et al Entwicklungsstand der physikalischen Modelluntersuchung 6 Zusammenfassung und Ausblick Durch konsequente Nutzung der kommerziell verf g baren Ergebnisse der Forschung und Entwicklung auf den Gebieten der Mess und Automatisierungstechnik konnte auch die Versuchstechnik im Bereich der Mo delluntersuchung von Wasserbauwerken verbessert werden Hierdurch und durch den Einsatz dreidimensi onaler numerischer Verfahren ist heute ein tieferer Ein blick als noch vor wenigen Jahren in die str mungsme chanischen Vorg nge im Nahfeld von Wasserbauwer ken m glich Dadurch k nnen ganz gezielt Geometrie und Betriebsweise hydraulisch relevanter Bauwerke an den Wasserstra en im physikalischen Modell optimiert werden Die vorgestellten Modelluntersuchungen von Schleu sen Wehren und Staustufen lassen erwarten dass es wegen anstehender Ausbau und Instandsetzungs ma nahmen an den Bundeswasserstra en auch zu k n
58. aus bt Karim Ali 2000 D h bei ei ner gro en berdeckung der Sch tz ffnung durch das Unterwasser beeinflusst die Unterwassertiefe den Kolkprozess nicht Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 109 Ettmer Physikalische Modellierung von Kolkprozessen Aus diesen Gr nden wurden die Untersuchungen mit hohen Unterwasserst nden h a bei r ckgestautem Abfluss mit dem an der Sohle anliegenden Abfluss strahl durchgef hrt 2 4 Funktionaler Zusammenhang F r den funktionalen Zusammenhang nach Gl 6 be deuten die obigen Ausf hrungen dass als einzige Bau werksgr e die Sch tz ffnung a ber cksichtigt wird Die Zielgr e der nachfolgenden Untersuchungen ist die maximale Kolktiefe max t weshalb der Tl Parame ter zu max t a definiert wird Mit Gl 9 liegt nun f r das unterstr mte Sch tz ein funktionaler Zusammen hang vor mit dem f r beliebige Sohlenmaterialien im z higkeitsbeeinflussten Bereich die maximale Kolktie fe beschrieben werden kann TECE y D X 9 Auch andere geometrische Zielgr en wie bspw die L nge des Kolkloches oder die H he der Kolkbank k nnen mit GI 9 erfasst werden d h die geome trische Zielgr e max t ist durch jede andere die Kolkgeometrie betreffende Gr e austauschbar Aber auch andere Bauwerke k nnen ber den obigen Ansatz grunds tzlich erfasst werden Wird bspw der Erosionsprozess an einem Br ckenpfeiler untersucht mus
59. berh hung zur Einhaltung 1 2 3 Deckplatte Wasserspiegel Sohle SE ZEN GE L L A Tischplatte der hnlichkeit der vertikalen Geschwindigkeitsvertei lung nach unten aufgetragen wird um die Modellsohl punkte zu erhalten In Abh ngigkeit von der Sohlrau heit in Natur und Modell wird ein prozentualer Anteil der modellierten und der zus tzlichen Str mungstiefe an der Gesamtstr mungstiefe bei der Modellplanung ermittelt Bisher wurden Luftmodelle betrieben bei de nen f r das gesamte Modell unabh ngig von klein r umigen Rauheits nderungen eine prozentuale Auf teilung gew hlt wurde siehe Kapitel 4 2 Da die variable zus tzliche berh hung entsprechend ihrer Abh ngigkeit von Modelltiefe und angenommener Modellrauheit f r jeden Profilpunkt errechnet wird ist gew hrleistet dass sich das Geschwindigkeitsmaxi mum im Modell an jeder Stelle in der relativ gleichen 1 2 3 RA Deck platte verzerrter WWasserspiegel Sohle S A SEIN ILL A N schplatte Bild 4 Querschnittsdarstellung bei konstanter links und variabler rechts zus tzlicher berh hung 50 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Faulhaber Neue Methoden der aerodynamischen Modellierung H he auspr gt wie in der Natur da tiefe Bereiche eine entsprechend gr ere absolute zus tzliche berh hung AH f Rauheit Flie tiefe erhalten als flache Probleme mit der
60. den Bild 15 Als Modellmaterial wurde ein Polyure than PUR Hartschaum der Dichte 500 kg m einge setzt der sich in den Materialtests hinsichtlich erfor derlicher Festigkeit Bearbeitungsm glichkeit und che mischer Best ndigkeit bew hrte Nach ersten Erfah rungen mit dem Odermodell ist k nftig ein Polyurethan h herer Dichte zu empfehlen Zum Fr sen wurde das Modell aus zwanzig 50 mm dicken Kacheln 1500 mm x 500 mm zusammengesetzt Bild 14 Gel ndebereiche die durch die konstante zus tzliche berh hung berstr mt w rden obwohl sie beim un tersuchten Durchfluss in der Natur trocken fallen wur den mit Gummiplatten abgeklebt Bild 15 Im Rahmen der Modellkalibrierung mussten in diesem Modell kei ne zus tzlichen Rauheiten aufgebracht werden Die im z P Transportk rper im Flussbett poor z x Gedichteter A Pr Plattensto E Fr srauheit Bild 15 Modellausschnitt mit sichtbarer Oberfl chenstruktur Abklebung nicht berstr mter Bereiche und ge dichteten Plattenst en Luftmodell exakt nachgebildete Strukturierung des Ge l ndes Uferstrukturierung Transportk rper vgl Bild 13 erzeugte in Verbindung mit der belassenen Rau heit der Oberfl che aus dem Fr svorgang f r eine aus reichende Rauheit um ein natur hnliches Druckgef l le zu erreichen 6 Messtechnik Die Messtechnik bei aerodynamischer Modellierung ist in der Vergangenheit ve
61. den und der inte grierten Traversierung die M glichkeit anhand von ent sprechenden Einbauten wie z B Sohlschwelle Ab sturz oder Pfeiler die oben erw hnten Studien mit pr zisen und modernen Messverfahren durchzuf hren Zun chst wurde die Rinne mit einer erh hten Oberwas sersohle versehen welche ber ein 0 55 m hohes Ab sturzbauwerk in den tieferen Unterwasserbereich ber geht Durch die Auslaufklappe k nnen durch Variation der Unterwassertiefe die unterschiedlichsten berstr mungsf lle eines Absturzes nachgebildet werden Die station ren Wasserspiegelh hen im Ober und Unterwasser des Absturzes werden mit elektrischen Schwimmerpegeln in Messzylindern die mit dem Rin nenboden verbunden sind erfasst Zur Aufnahme des Wasserspiegelverlaufs ber die gesamte nutzbare Ver suchsstrecke wird eine mobile Ultraschallsonde Bild 16 verwendet welche w hrend der Messungen mit konstanter Vorschubgeschwindigkeit mittels der Tra versierung ber dem Versuchsfeld bewegt wird und eine kontinuierliche Messwerterfassung und bertra gung erm glicht Bild 16 0 80 m Rinne mit eingebautem Absturz LED Licht Messsonden und Highspeed Kamera Ein weiterer wichtiger zu erfassender charakteris tischer Str mungsparameter ist die dreidimensionale Flie geschwindigkeit Deren Messung wird f r die lo kale und punktuelle Erfassung durch eine 3D ADV Sonde ADV Acoustic Doppler Velocimetry Bild 16 vorgenommen
62. den zeitlichen Abstand der Bilder und den r umlichen Abstand der Tracer gebildet wird Es muss modellabh ngig ermittelt werden ber wel che Zeitr ume eine Bildfolge mit welcher Frequenz aufgenommen werden muss um als Ergebnis einen zuverl ssigen Mittelwert zu erhalten Das gilt ebenso f r die Betrachtung kleiner zeitlicher Intervalle bei der eine gute Tracerdichte eine gro e Rolle spielt da bei kurzen Messintervallen die Tracer quasi Punktinforma tionen liefern 3 1 5 Betrachtungen instation rer Vorg nge Die 3D PTV wurde bisher nur f r die Gewinnung von Mittelwerten des Wasserspiegels und der Flie R geschwindigkeiten bei gleichzeitiger Ermittlung von Schwankungsbreiten Standardabweichungen etc ber die gesamte Aufnahmedauer eingesetzt Ein Po tenzial des Messverfahrens liegt wegen der r umlichen Aufl sung aber auch in der Betrachtung von instatio n ren Vorg ngen wie z B dem F llvorgang einer Schleuse oder des Ablaufs einer Ganglinie Bei instation aren Vorg ngen ist die Bildung zeitlicher Mittelwerte nur in Sonderf llen z B zur Ermittlung der mittleren Anstiegsgeschwindigkeit des Wasserspie gels sinnvoll sodass die Auswertung in kleinen Zeit Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 97 Henning et al 3D PTV Ein System zur optischen Vermessung von Wasserspiegellagen schritten erfolgen sollte um die Ver nderung der Str mung und des Wasserspiegels in Abh ngigkeit de
63. der in seiner Breite durch eine einseitig verstellbare Wand flexibel und damit an passungsf hig an unterschiedliche Schleusenkam merbreiten ist sowie ein hinterer Kammerabschnitt der massiv gestaltet ist und jeweils der zu untersu chenden Schleusenkammerl nge angepasst wird und ein unteres Becken mit einer ggf verstellbaren Klap pe am Beckenende Die obere Beckensohle ist gegen ber der Kammer sohle sehr hoch gelegt worden damit gro e Fallh hen eingerichtet werden k nnen Um eine beliebig kleinere Fallh he zu erzeugen braucht nur die Kammersohle entsprechend angehoben zu werden Im oberen Be cken erfolgt dann nur noch der Einbau des jeweiligen Vorhafens in seiner Kontur wobei der bergang zum Schleusenoberhaupt zu modellieren ist Soll auch der Entleervorgang bzw eine Hochwasserentlastung durch die Schleuse untersucht werden wird der untere Vor hafen sowie eine die Tiefe des Unterwassers regelnde Klappe am Ende des unteren Beckens des Schleusen versuchsstandes erforderlich Ist nur der F llvorgang von Interesse reicht ein Schieber am Unterhaupt um die Kammer nach dem F llvorgang wieder bis auf den Unterwasserstand zu entleeren Ein erneuter F llver such mit ge nderten Parametern kann sich anschlie Ren 14 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Grimm et al Entwicklungsstand der physikalischen Modelluntersuchung Bild 9 F llung der neuen Schleuse Bolzum im Modell Sp
64. die Modellkennwerte tat s chlich im hydraulisch rauen Bereich und nicht nur im bergangsbereich liegen da erst hier der Wider standsbeiwert X bei gleichem Verh ltnis d k unabh n REYNOLDS Zahl Re 10 260 000 H hen Ma gebende Ma gebende Ge ma stab Tiefe t m schwindigkeit w m s Aerodynamisches Modell 1 175 0 017 27 00 Tabelle 3 RevnoLos Zahlen der Str mung im Flussbett in der Natur und in Ma stabsmodelle am Beispiel eines zu untersuchenden mittleren Abflusses in der Oder bei Reitwein Kietz gig von der ReynoLos Zahl ist In diesen F llen ist die Moopy Grenze zu ber cksichtigen Re gt 200 Ark dny a EuLer Zahl Die Anwendung der EuLer Zahl als hnlichkeitskriteri um ist insofern schwierig als sie nur bei inkommpres siblen Fluiden und bei Abwesenheit anderer Kr fte als Druckkraft und Tr gheitsreaktion ausschlie lich eine Funktion der Form der Str mungsberandung ist Wenn in diesem Fall geometrische hnlichkeit gew hrleistet ist lassen sich die Str mungskennzahlen Druck und Geschwindigkeit unter Ber cksichtigung des Dichte verh ltnisses unabh ngig von den Absolutwerten der Geometrie einfach ineinander umrechnen Wirken ne ben diesen beiden Kr ften noch weitere Kr fte z B Z higkeitskr fte dann ist diese einfache Umrechnung nur dann korrekt wenn neben der Geometrie hnlichkeit auch die hnlichkeitsbedingungen der zus tzlichen Kr fte z B RevnoLos Zahl ber cksichtigt wurd
65. dso angesetzt werden Folglich werden bei der Absch tzung der Sohlen stabilit t nat rlicher Fl sse f r die kritische Schub spannung r Werte erhalten die um den Faktor 2 dif ferieren Zwar liefern die halbempirischen Ans tze in den jeweils g ltigen Anwendungsbereichen eine gute Absch tzung des Problems f r die Praxis das eigent liche Ph nomen oder dessen Ursache beschreiben sie jedoch nicht So weist u a Dittrich 1998 darauf hin dass in den g ngigen Ans tzen die Liftkraft die neben der Schub kraftebenfalls auf das Einzelkorn wirkt nicht ber cksich tigt wird Zudem werden seit den Untersuchungen von Grass 1971 bez glich koh renter turbulenter Struk turen sogenannte Burst Prozesse f r den Bewegungs beginn verantwortlich gemacht Zanke 2003 hat dies bez glich einen neuen Ansatz entwickelt der den Ein fluss der turbulenten Fluktuationen auf die kritische Sohlenschubspannung und die Liftkraft erfasst Shields Parameter in Abh ngigkeit der Kornreynoldszahl Shields 1936 Da viele der neueren Ans tze lediglich die oberste Kornlage in ihre Betrachtungen einbeziehen entspre chen sie nicht in ausreichendem Ma e der Komplexi t t des nat rlichen Systems welches aus Au enstr mung Porenraum und Grundwasserstr mung besteht Die gegenw rtige Forschung vgl z B Shimizu et al 1990 Vollmer et al 2000 oder Prinos et al 2003 be fasst sich daher mit der gesamtheitlichen U
66. ein deutlich kleinerer Bildausschnitt resultiert Letztendlich ist ein 3D System durch die Anschaffung der Software sowie leistungsf higer Rechner und der dreifach ben tigten Kamerahardware deutlich teuerer 3 2 2 Particle Image Velocimetrie PIV Im Gegensatz zur PTV wo einzelne diskrete Teile ber Kontraste verfolgt werden arbeitet die PIV mit der Ver folgung von Strukturen deren Bewegung aus einem Mustervergleich Kreuzkorrelation aufeinander fol gender Bilder ermittelt wird Lausen Weitbrecht 1999 Lausen et al 2001 Im Fluid enthaltene oder zuge gebene Partikel dienen als Strukturelemente Durch den Vergleich von Strukturen erh lt man zun chst von Bild zu Bild bei entsprechend kleiner Intervalldau er und Tracerdichte eine Momentaufnahme der Str mung Durch berlagerung einzelner Sequenzen k n nen auch Mittelwerte der Geschwindigkeiten ber gr Bere Zeitr ume gebildet werden Da oftmals die Flie geschwindigkeiten in lediglich ei ner Ebene interessieren Sonderfall Wasserspiegel wird die PIV im wasserbaulichen Versuchswesen h u fig in Kombination mit einem Laserlichtschnitt benutzt durch den eine Ebene definiert werden kann Der Vor teil der PIV liegt in der M glichkeit fl chige Geschwin digkeiten innerhalb des Wasserk rpers oder in Luft AD Modelle messen zu k nnen Auch ist durch die Verfolgung von Strukturen die Diskretisierung in ex trem kleinen Zeitschritten m glich 200 bis 1000 Hz Al
67. einen guten Kontrast zum Bildhinter grund besitzen Schwarze Partikel auf wei em Hinter grund haben sich dabei bew hrt Gute Ergebnisse las sen sich auch mit fluoreszierenden Partikeln und einer Ausleuchtung des Messfeldes mit UV Licht erzeugen Eine Zusammenstellung verschiedener Tracerpartikel und deren Vorteile und Nachteile f r Oberfl chen PIV liefern Weitbrecht et al 2002 Problematisch ist bei den meisten Partikeln die Tendenz an der Wasseroberfl che gr ere Konglomerate zu bilden Als besonders vorteilhaft erwiesen sich in dieser Studie Polypropylen Partikel mit einem Durchmesser von 2 3 mm die in schwarzer Farbe in der ben tigten Menge leicht zu er halten sind 2 1 2 Beleuchtungseinheit Im Fall von konventionellem PIV werden meist Dop pelpulslaser verwendet deren Strahlen mit Hilfe eines Linsensystems zu einem Lichtschnitt aufgespreizt wer den Der typische PIV Laser ist ein 25 50 mJ Nd Yag Laser der aus zwei Laserr hren aufgebaut wird um zwei Lichtschnitte innerhalb sehr kurzer Zeit zu erzeu gen Continuum LOT Oriel Quantel New Wave La ser 2000 Excel Technologies Dabei ist zu beachten dass die Steuerung eines solchen Lasers hohe Anfor derungen an die zeitliche Pr zision der Triggerimpulse zur Ausl sung der Blitzlampen bzw der Q Switche stellt die dann auch mit der Ausl sung der verwende ten Kamera synchronisiert werden m ssen Bei der Verwendung von Oberfl chen PIV kann in der Regel m
68. einer weltweiten Datensammlung ber aus gef hrte Kan le im Sinne eines best practice An satzes nachfolgend genannten Einflussgr en Steuerf higkeit der Schiffe Schiffsgeschwindigkeit Verkehrsst rke Verh ltnis von Wassertiefe zu Tiefgang Neigung der Uferb schung Sohlbeschaffenheit Querstr mungsgeschwindigkeit L ngsstr mungsgeschwindigkeit Windgeschwindigkeit bzw N he des Kanals zur K ste e K stennaher oder k stenferner Kanal e Vellenh he e Sichtbedingungen und Navigationshilfen Dabei setzt sich die erforderliche Fahrrinnenbreite be zogen auf die Standardprofile nach deutschen Richtli nien zusammen aus e der Summe der Basis Fahrspurbreiten der be trachteten Fahrspuren die f r gute bis moderate Steuerf higkeit des Schiffes zu 1 3 B 1 5 B ange setzt werden der Summe von sogenannten Zusatzbreiten die f r jede betrachtete Spur anfallen z B 0 1 B f r eine glatte 0 2 B f r eine raue und harte Sohle 0 2 B f r schlechte Ufersicht wie im R Profil kein Zuschlag f r gute Ufersicht dem Sicherheitsabstand zwischen den Fahr zeugen bei geringen Schiffsgeschwindigkeiten von 1B sowie aus den erforderlichen Abst nden zum linken und rech ten Ufer von 0 3 B bei geringen Schiffsgeschwindig keiten zu geneigten B schungen bzw von 0 5 B bei senkrechtem Ufer Alle hier betrachteten Schiffsgeschwindigkeiten von Bin nenschiffen sind im Sinne der PIANC Publik
69. enordnungen wie die Auswirkungen der Varianten ergeben k nnen In den hydraulischen Geschiebetransportmodellen der BAW wird daher die Temperatur des Modellwas sers und des Wassers in den Messt pfen s dazu Ab schnitt Modelltechnik permanent aufgezeichnet s Bild 8 Temperaturauswertung jeweils zum Beginn und zum Ende eines Versuchstages Die Wassertempe ratur in dem gezeigten Beispiel aus einem Modell der Oder schwankt etwa zwischen 11 und 17 C an au er gew hnlichen Tagen zwischen 7 und 19 C Daraus er geben sich f r das Modell nach dem Beispiel in Bild 7 temperaturbedingte Schwankungen der Reynolds zahl zwischen 9000 und 12000 bei Mittelwasser Diese starke Abh ngigkeit erfordert temperierte Laboratorien f r Geschiebetransportuntersuchungen 25 00 4 20 00 amp Temperatur C E 0 00 4 vi mm 0100 or MMA D207 112m Mor Die 02 07 06 1 0 Modellzeit Bild 8 Temperaturverlauf in einem hydraulischen Modell Unzul ngliche hnlichkeit in Randbereichen Wie aus Bild 7 ersichtlich sind in hydraulischen Model len die Reynoldszahlen deutlich kleiner als in der Natur hier Faktor 250 In str mungsberuhigten Bereichen mit geringen Flie geschwindigkeiten z B Buhnen feldern oder Vorland kommt es daher insbesondere bei kleinen und mittleren Abfl ssen zu Str mungen bei denen die Reynoldszahlen sehr klein werden Re lt lt 3000 sodass hier die Str mung nicht mehr vo
70. f r einen Modellabschnitt der Oder bei Ho henwutzen den mit dem Programm PeTra errechneten idealen Verlauf der Fahrrinne f r ein Europaschiff L n ge 82 m Breite 11 40 m aus f nf unabh ngigen Mo dellversuchen mit gleichen Rand und Anfangsbedin E ee u r hi gt f E EA aia 5 gt Nie DNN ar ea a x a un x pn 5 P ni a i gt u Mr T hse j man Se i Bild 36 Fahrrinnen bei einer Untersuchungsvariante Buhnenvariante gungen bei einem mittleren Niedrigwasser f r den heu tigen Naturzustand V0 Bild 36 zeigt demgegen ber den Verlauf der Fahrrinnen mit der gr t m glichen Wassertiefe bei einer Untersuchungsvariante hier wur den die Buhnen ver ndert die Ver nderungen der Geo metrie sind in den Grafiken nicht sichtbar Deutlich er kennbar sind die hohe Variabilit t des Fahrrinnenver laufes im Ausgangszustand und die Konstanz des Ver laufes bei der Variante Insbesondere im Kr mmungs bereich auf der linken Seite ist die Ver nderung auf f llig Mit dieser Variante wird die Lagevariabilit t der Fahrrinne deutlich eingeschr nkt wodurch der Ver kehrssicherungsaufwand f r die Wasser und Schiff fahrtsverwaltung erheblich reduziert w rde Hentschel 2007 Die Bilder 35 und 36 zeigen jeweils einen Verlauf der Fahrrinne mit maximaler Tiefe Sie zeigen jedoch nicht die dabei f r die Schifffahrt nutzbare Wassertiefe Die se liegt hier im Ist Zustand Variante
71. hrleisten lassen e Wegen der kleinen Modellma st be werden hohe Genauigkeitsanforderungen an die Modellierung der Geometrie und die Messger te gestellt Mess ger te m ssen exakt im Modell positioniert werden k nnen e Im Luftmodell darf die Kompressibilit t der Luft nur eine untergeordnete Rolle spielen MacH Zahl ver nachl ssigbar was f r Str mungsgeschwindig keiten v lt 50 m s G LyARoV 1973 der Fall ist e Die Froupe Zahl muss vernachl ssigbar gering LJATCHER und Prupowsk y 1984 oder rtlich be kannt sein Der Wasserspiegel wird in Luftmodellen blicherweise durch eine durchsichtige Deckplatte simuliert Bild 1 Verfahren siehe Kap 2 2 Damit die Deckplatte horizontal angeordnet werden kann wird der Fluss entsprechend des Talgef lles so ge neigt dass die Flusssohle ann hernd parallel zur Tischebene liegt Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 47 Faulhaber Neue Methoden der aerodynamischen Modellierung t Parse To y O A N i 1 Fa Bohrung zum Einf hren der Sensoren N i Luftmodell Elbe bei Kl den Bild 1 e Da der Wasserspiegel durch eine starre Deckplatte simuliert wird kann mit einem Luftmodell nur eine begrenzte Anzahl station rer Durchfl sse unter sucht werden 2 Aerodynamische Modellierungs verfahren Grundlegende Erl uterungen zu aerodynamischen Mo dellierungsverfahren findet man u a in LJATCHER und Pruoovsk 1
72. hrungslos in der Str mung unter Verwendung von Laserlichtschnitten bzw an der Wasseroberfl che f r die Erfassung von Geschwindigkeitsfeldern f r eine Vielzahl m glicher Fragestellungen eingesetzt werden kann Die Gr en ordnung der dabei untersuchten Messfelder k nnen sich um mehrere Gr enordnungen unterscheiden W hrend im Fall von Messungen im Wasserk rper La serlichtschnitte erzeugt werden m ssen und dabei gro Be Anforderungen an zeitliche Synchronisation der ver Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 87 Weitbrecht et al Geschwindigkeitsmessungen mit Particle Image Velocitry schiedenen Komponenten gestellt werden kommt das Oberfl chen PIV bzw LSPIV je nach Fragestellung auch mit konventioneller Videotechnik und nat rlicher Beleuchtung aus was hinsichtlich der Einhaltung von Sicherheitsvorschriften in Wasserbaulabors ein we sentlicher Vorteil sein kann Zur erfolgreichen Durchf hrung von PIV Messungen ist eine sorgf ltige Versuchsplanung notwendig da nur unter Ber cksichtigung der wesentlichen Parameter wie Partikelgr e mittlere Geschwindigkeiten Kom plexit t der Str mung zeitliche und r umliche Aufl sung der Kamera sowie Intensit t des eventuell einge setzten Lasers gew hrleistet ist dass die PIV Software aus den aufgenommenen Bilddaten exakte Ergebnisse produzieren kann Zus tzliches Pre und Postproces sing des Bildmaterials bzw der berechneten Verschie b
73. in der 0 80 m Rinne Die Querschnittsform des Schlauches passt sich den Druckverh ltnissen zwischen Innendruck und hydro statischem Oberwasserdruck an wobei auch Materi aleigenschaften und Befestigungsart eine Rolle spie len Mit induktiven Wegaufnehmern wurde deshalb an der wassergef llten Schlauchwehrvariante bei hydro statischer Belastung und unterschiedlichen Bemes sungsinnendruckkoeffizienten a die Querschnittsform abgetastet Das Ergebnis der Messungen ist im Bild 15 beispielhaft dargestellt BR ui Ta netten ia et ee 30 0 40 0 50 0 60 0 70 0 30 0 800 100 0 x em Bild 15 Gemessene Querschnittsformen bei verschiedenen Innendruckkoeffizienten A 4 2 2 Beispiel Absturzuntersuchung Um Nahbereiche von Wasserbauwerken in kleinska ligen numerischen dreidimensionalen Modellen nach bilden und hydrodynamisch untersuchen zu k nnen wird derzeit ein Programm entwickelt welches diesen Anforderungen entsprechen soll Dabei ist es erforder lich den Turbulenzeinfluss auf die Str mungscharak teristik mathematisch zu erfassen um eine m glichst realit tsnahe Simulation der Str mungsvorg nge zu erreichen Im Rahmen von hochaufl senden physika lischen Grundsatzuntersuchungen soll in einem Aus schnittsmodell die Turbulenzmodellierung der Nume rik kalibriert und verifiziert werden Die 0 80 m breite Stahlrinne bietet durch ihre optische Zug nglichkeit auf Grund ihrer Glasw nde und Glasb
74. ir er ze Vi Bersten _ Ausstollen hehe KIT Yan Fe URS RB Er Sohistrah A G S EX NX O U y tinii a er EN ongitudinal X streifen N z niedriger Geschwindigkeiten Bild 2 Modellvorstellung eines Bursts und Str mungsbild an der Sohle der BAW Versuchsrinne Burst Zyklen treten sowohl ber glatten wie auch rau en Oberfl chen auf und haben eine starke Auswirkung auf die Druckspitzen die auf die einzelnen K rner der Sohle einwirken und deren Herausl sen beg nstigen Emmerling 1973 beobachtete Druckspitzen die etwa das Sechsfache der mittleren Druckfluktuation betru gen Raudkivi 1982 und Dittrich amp Tr bing 1999 ge ben daf r die folgende Korrelation an Gl 5 rms p C ta wobei C zwischen 0 5 und 5 0 liegt und einen Mittel wert von 3 0 annimmt Nach Emmerling 1973 kann das Maximum von p sogar bei 18 q liegen Die neuesten Entwicklungen in der Messtechnik erlau ben eine tiefere Einsichtnahme in die Prozesse die zur Destablilisierung der Sohle f hren Detert et al 2004 Klar et al Str mungsmesstechniken und piezoresistiver Mikro drucksensoren unmittelbar oberhalb und innerhalb ei ner Kiessohle ist ein ausgezeichnetes Werkzeug um eine synoptische Aufnahme der in Verbindung stehen den Prozesse zu erhalten 2 Versuchsstand und Messeinrich tungen Die im Folgenden beschriebenen Untersuchungen wurden in Kooperation mit dem Institut f r Hydrome chan
75. ist auch vor dem Hintergrund der Messgenauigkeit deshalb nicht erforderlich 7 4 Versuchsdurchf hrung Die Einzelfahrversuche in der Geraden wurden zur Bestimmung des erforderlichen Sicherheitsabstandes zum Fahrrinnenrand durchgef hrt Der Sicherheitsab stand l sst sich nur ermitteln wenn bei den Versuchen auch Grenzsituationen vorliegen die den Schiffsf hrer zwingen m glichst nahe an den Fahrrinnenrand ohne Havarie heranzufahren Zur Bestimmung der Grenz situation muss die Fahrrinnenbreite solange reduziert werden bis eine Havarie nicht mehr zu vermeiden ist Die Fahrrinneneinschr nkung darf jedoch nicht zu Las ten des zur Verf gung stehenden Fahrwassers gehen Deshalb wurde wie folgt vorgegangen Die Fahrrinne wurde mit einer Leine optisch schrittweise um 2 5 m eingeengt bis das Schiff gegen das Ufer bzw die Buh ne f hrt oder der Schiffsf hrer die vorgegebene Fahr rinnenbreite nicht mehr einhalten kann vgl Bild 6 So mit werden ein Einfluss einer zweiten Uferbegrenzung und eine nderung des Fahrwasserquerschnittes um gangen und die Randbedingungen w hrend der Ver suchsserie konstant gehalten ar u Bild 6 Fahrrinnenbegrenzung durch eine Leine Nach einer sog Crash Fahrt wurde die Fahrrinne wieder um 2 5 m Naturwert verbreitert mit der dann mehrere Wiederholungsfahrten durchgef hrt wurden Trat bei den Wiederholungsfahrten eine weitere Kolli sion auf so musste die Fahrrinne um einen
76. methode zur Untersuchung flussbaulicher Fragestel lungen erwogen wird muss wie bei allen Modellarten analysiert werden welche Abstraktionsgrade bei der Untersuchung der wesentlichen Ph nomene zugelas sen werden k nnen F r die Untersuchungen flussbau licher Fragestellungen an Luftmodellen stehen grund s tzlich folgende Modellierungsverfahren zur Verf gung Tabelle 6 vergleiche auch Kapitel 3 Modellierungsweise Bei flussbaulichen Untersuchungen Praktisch selten einsetzbar nur bei einfacher Geometrie Gespiegeltes Modell Geometrisch nicht berh htes Modell mit Praktisch kaum einsetzbar zu geringe Str mungs und ohne zus tzliche berh hung tiefen und hnlichkeitsprobleme Geometrisch berh htes Modell ohne Bei kompakten Querschnitten ohne Untersuchung zus tzliche berh hung von Ma nahmen in Seitenbereichen einsetzbar Geometrisch berh htes Modell mit Bei kompakten Querschnitten ohne Untersuchung konstanter zus tzlicher berh hung von Ma nahmen in Seitenbereichen einsetzbar Geometrisch berh htes Modell mit Bei strukturierten Querschnitten einzusetzen variabler zus tzlicher berh hung ver wenn keine Bauwerksnahbereiche untersucht zerrtes Modell werden sollen Geometrisch berh htes Modell mit Bei strukturierten Querschnitten einzusetzen variabler zus tzlicher berh hung ver wenn verschiedene Durchfl sse untersucht wer zerrtes Modell mit zus tzlicher konstan
77. mungs und Druckfeldern im angrenzenden Porenraum und in der freien Str mung unmittelbar oberhalb einer durchl ssigen Gerin nesohle Kies Diese Einstellung erm glichte die syn chrone Messung des Drucks und der Geschwindigkeit innerhalb von drei k nstlichen Messporen und in der freien Str mung Mittels 1D ADCP konnten Wirbelstrukturen mit Aus dehnungen bis zur H lfte der Wassertiefe beobach tet werden Jedoch war die ADCP Messtechnik nicht in der Lage kleinere Turbulenzballen in ausreichender Genauigkeit aufzul sen Die neu eingesetzte Methode zum Messen von Druckfluktuationen in Gerinnestr mungen in Sohln he und innerhalb einer Kiesschicht hat an dieser Stelle ihre Funktionalit t unter Beweis ge stellt Es wurde gezeigt dass die Druckfluktuationen li near mit ansteigender Sohlschubspannung zunehmen und ber die Kiestiefe exponentiell abnehmen Ab ei ner Tiefe von 3 4 d unterhalb der Sohle war bei dem verwendeten Sohlmaterial d 10 mm keine weitere D mpfung der Druckfluktuation erkennbar Daraus ist zu schlie en dass die Druckfluktuationen in den tie feren Schichten nur durch die langen Wellen der Was serstandsschwankungen dominiert wurden Durch geeignete Filterung konnten die Druckfluktuati onssignale vom Schwerkraftwellenanteil bereinigt wer den Die spektrale Energiedichte der Druckfluktuati onen skaliert mit der Schubspannungsgeschwindigkeit u unabh ngig davon ob die Scherbelastung der So
78. r Wasserbau Nr 90 2007 Eu Fr Re mod Vmax Faulhaber Neue Methoden der aerodynamischen Modellierung Korndurchmesser n gt d Pi ma gebender Korndurchmesser nach MEYER PETER d 100 di Siebgr e mm p Masseanteil hydraulischer Durchmesser dny 4 Thy Re 173 _ P Q u3 sedimentologischer Durchmesser D gt d V EULER Zahl Verh ltnis Tr gheitsreaktion zu Druckkraft Eu 2Ap p FROUDE Zahl Verh ltnis Tr gheitsreaktion zu Schwerkraft Fr a 2 FROUDE Zahl des Kornes Fr p g d Erdbeschleunigung H he Tiefe Gesamtstr mungstiefe im Modell Hm Hm tAH Gef lle absolute Rauheit Sandrauheit Rauheitsbeiwert nach Manning Gauckler Strickler Kg 1 n L nge Rauheitsbeiwert nach Manning Gauckler Strickler Radius REYNOLDS Zahl Verh von Tr gheitsreaktion zu Z higkeit Re un y REYNOLDS Zahl des Kornes Re v d hydraulischer Radius Durchfluss Durchfluss im modellierten Bereich des Luftmodells Ungleichf rmigkeit dss d s Geschwindigkeit maximale Flie geschwindigkeit Schubspannungsgeschwindigkeit v Zo fg H I P Schubspannungsgeschwindigkeit am Geschiebebewegungsbeginn Transportk rperh he zus tzliche berh hung im Luftmodell Durchfluss im nicht modellierten Bereich des Luftmodells Druckdifferenz 8g n 1 3 hy Widerstandsbeiwert nach DARCY WEISBACH X Transportk rperl nge kinematische Viskosit t Dichte p
79. rpern Temperatur Ungleichf rmigkeit der Kornverteilung u 48 dio Geschwindigkeiten Schubspannungsgeschwindigkeit w yg h Ie Wasserstand am Pegel spezifische Dichte p P Pw Pw Schubspannung r p g h l Dichte des Sohlmaterials Dichte des Wassers Verlustbeiwert Kkinematische Viskosit t Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 m Im mm Im mm m mm I e el ml C oder K a m m m m m s m s cm N m g cm g cm m s 45 Hentschel Hydraulische Flussmodelle mit beweglicher Sohle 9 Literatur BAW 1994 Gutachten ber Regelungsma nahmen in der Elbe Reststrecke Elbe Kilometer 505 524 auf der Grundlage von Modelluntersuchungen Teil 1 Vor untersuchungen f r das physikalische Teilmodell El km 506 512 BAW 1997 Einfluss st rker motorisierter und l n gerer Schiffe auf die Sohlenerosion des Rheins BAW 31 0955 BAW 2001a Gutachten ber Regelungsma nahmen in der Elbe Reststrecke Elbe Kilometer 505 524 auf der Grundlage von Modelluntersuchungen Teil 4 Mor phologische Untersuchungen im physikalischen Modell Elbe km 506 4 512 4 BAW 2001b Untersuchungen zur Verbesserung der Hochwasserabfuhr in der Engstelle bei Hohenwut zen Zwischenbericht September 2001 BAW Nr 302 10044 00 BAW 2001c Oder Hohenwutzen Untersuchung von Unterhaltungs und Regelungsma nahmen Teil 1 Vor untersuchun
80. sich in Fl ssen vor allem an dem hydraulisch und flussmor phologisch Machbaren orientieren wie dies eindrucks voll am Beispiel des fahrdynamischen Engpasses am Jungferngrund Rhein deutlich wird siehe Bild 1 und weniger an den fahrdynamischen Erfordernissen des Schiffsverkehrs wie es im Idealfall aus der Sicht des Verkehrswasserbauers sein sollte Fahrrinnenbreiten sind zudem nach ihrer Festlegung meist nur noch we nig angepasst worden wie am Oberrhein als man sie u a f r die Fl erei bema Bild 1 Rhein mit Felsengruppe des Tauberwerth links und der Kiesbank des Jungferngrundes rechts einem der Unfallschwerpunkte der Gebirgsstrecke Vor dem Hintergrund zunehmenden Verkehrs auf deut schen Binnenwasserstra en und deren st rkerer Aus nutzung durch immer gr ere Fahrzeuge stellt sich deshalb vermehrt die Frage nach erforderlichen Min destwerten der Fahrrinnenquerschnitte wovon die ho rizontalen Sicherheitsabst nde zu Uferb schungen eine wichtige Komponente sind Sie wurden im vorlie genden Beitrag anhand von Modelluntersuchungen er mittelt die an der Versuchsanstalt Obernach der Tech nischen Universit t TU M nchen VAO zun chst im Kontext der Variantenanalyse zum Donauausbau Straubing Vilshofen im Auftrag von Bund und Bayern und schlie lich im Auftrag des Wasser und Schiffahrts amts WSA Bingen und der Bundesanstalt f r Wasser bau BAW B schung durchgef hrt wurden Hierzu wir
81. sie in Bradley et al 2002 be schrieben sind Die Bilder wurden dabei zun chst un ter Verwendung sechs verschiedener Referenzpunkte entzerrt die aus den Bildern der ersten Sequenz ermit telt wurden Diese f r die geometrische Transformati on ben tigten Punkte waren Bug und Heck der Boote der Ast sowie der Zylinder die im Nahfeld in Bild 11 zu erkennen sind Zus tzlich wurde angenommen dass die Kameraachse senkrecht zur Flussachse steht und dass die beiden Boote ebenfalles im rechten Winkel zur Kamera stehen In Bild 12 ist ein Originalbild in sei ner r cktransformierten Form dargestellt Zur Genauigkeit dieser Transformation l sst sich sa gen dass der untypisch kleine Winkel zwischen Kame ra und Wasseroberfl che ca 5 zu starken Verzer rungen der Bilder f hrt Dies und eine relativ ungenaue Vermessung der Passpunkte f hren jedoch letztendlich zu einer Abweichung zwischen den nat rlichen L ngen und den transformierten L ngen aus dem Bildmaterial die unter 10 liegt Die Genauigkeit der gewonnenen Geschwindigkeiten w rde sich wesentlich steigern las sen wenn die verwendeten Referenzpunkte geod tisch vermessen worden w ren Der hier vorgestellte Test besitzt damit eher den Charakter einer Machbar keitsstudie um zu zeigen dass die Oberfl chenstruk 86 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Weitbrecht et al Geschwindigkeitsmessungen mit Particle Image Velocitry Bild 1
82. sonst Abfluss technisch auch Volumenstrom Abflussquerschnitt zwischen den befestigten Ufern ohne Vor l nder bzw Altwasser DIN 4049 1 gegenst ndliches oder digitales Modell der Topografie Gel n deoberfl che Feststoffe die nur im Bereich der Gew ssersohle mit Kontakt DIN 4049 3 Geschiebe zu derselben bewegt werden DIN 4044 Laser Doppler Anemometrie schematische Nachbildung eines Systems bez glich ausge DEE w hlter Eigenschaften und Vorg nge Im Flussbau urspr nglich Modell ma st blich verkleinertes gegenst ndliches Modell DIN 4049 Str mungsmodell 1 Heute umfassender verwendet z B auch f r mathematische vgl DIN Feststofftransport statistische hydrodynamisch numerische Modelle oder f r 4049 1 modell Modellvorstellungen Je nach Ber cksichtigung des zeitlichen Verhaltens der Vorg nge unterscheidet man station re und instation re Modelle O egenst ndlich physisch physikalisch enal scaled model Ma stabs Modell geg iii ii i ma st blich verkleinerte Modelle Ma stabsmodell in dem unter Ausnutzung der Analogie von Modell aerodyna misch Wasser und Luftstr mung Str mung unter Druck zur Simulati on von Natur Wasserstr mungen mit freier Oberfl che genutzt wird Ma stabsmodell ma st blich verkleinertes Modell mit Str mungsfluid Wasser Modell hydraulisch Parallelwerk auch L ngswerk In Flie richtung liegendes Regelungsbauwerk zur sei
83. ssen z B d rfen bestimmte Stoppwegl n gen nicht berschritten werden was eine Motorisie rung erfordert die mit der Tonnage steigt oder es m s sen Ausweichman ver in bestimmten Zeiten bew ltigt werden was wieder die Ruderfl che in Abh ngigkeit von der Gr e der Fahrzeuge bestimmt haben die vor genannten zus tzlichen Einflussgr en nur einen be grenzten nachgeordneten Einfluss Dies hei t nicht dass es nicht nautisch gute oder schlechte Schiffe gabe insbesondere was den Ansaugeffekt zum Ufer betrifft Wichtig ist deshalb dass die Untersuchungen mit typischen Schiffen durchgef hrt werden f r die die Fahrrinne bemessen werden soll Auch dieses Kri terium war bei den Modellversuchen der VAO erf llt Unter der Annahme dass die Querschnittsfl che un ter dem Schiff wegen der Grenzschichtentwicklung am Schiffsrumpf und der starken Verwirbelungen im Heck bereich nur bedingt zur Abfuhr der r ckstr mungs und propulsionsbedingten induzierten Zusatzgeschwindig keiten die den dominanten Ansaugeffekt am Schiffs heck bestimmen zur Verf gung steht ist somit eine direkte Proportionalit t des neben dem Schiff befind lichen Restquerschnittes A der in Bild 11 dargestellt ist zu B T zu erwarten Leinenposition f r sichere Fahrt l Bs est Is a gt brs A a Dys h m h h a lt bps Ay m h Brs 2 2 a x erfa o m h T x gt 20A x h m h r x lt 0 A m T erfa fm Ja I
84. stab 1 25 durchgef hrt wur den zeigen dass die Fahrspurbreite eines Gromo torschiffes GMS nur wenig von den variierten Para metern wie eingetauchter Schiffsquerschnitt bzw Abla detiefe Schiffsgeschwindigkeit Flie geschwindigkeit und Uferform B schung Buhnen abh ngt und des halb f r einen Schiffstyp als Konstante betrachtet wer den kann die mit bisherigen Modell und Naturuntersu chungen f r Kan le in guter bereinstimmung steht Dagegen hat insbesondere der Parameter einge tauchter Schiffsquerschnitt einen gro en Einfluss auf die Sicherheitsabst nde zu einem geb schten Ufer Je gr er dieser ist desto gr er ist der notwendige Querschnitt zwischen Schiffsseitenwand und Ufer und damit der Sicherheitsabstand wobei der ung nstigste Fall eine senkrechte Uferb schung ist Die Sicherheitsabst nde wurden dabei durch Fahrver suche in einem sukzessiv weiter eingeengten Fahrwas ser zwischen Schiff und Ufer so bestimmt dass dem Modellschiffsf hrer noch eine sichere und leichte Fahrt ber eine lange Strecke m glich war F r kurzzeitige Ausnahmesituationen die mit erh hter Aufmerksam keit gefahren werden k nnen kleinere Sicherheitsab st nde als die so ermittelten Werte angesetzt werden Diese kleineren Sicherheitsabst nde wurden aus den vorgenannten Werten f r lange Strecken dadurch er mittelt indem die durchschnittliche Breite des Quer versatzes bei einer angenommenen Schl ngelfahrt im eingeengten
85. und oftmals auch durch pro gressiv fortschreitende Erosionsprozesse die mit Sohl vertiefungen verbunden sind Zur zeitlich und r umlich hoch aufl senden Untersu chung des Einflusses von Str mung und Turbulenz auf Deckschichten und Untergrund der Sohle von Wasser stra en bis zu deren Destabilisierung wurde durch die BAW ein Forschungsprojekt initiiert das unter Labor verh ltnissen eine synoptische Betrachtung der Ge schwindigkeits und Druckfelder innerhalb und ober halb einer Kiesschicht erm glichte Die Ergebnisse sol len zu einem besseren Verst ndnis des Bewegungs beginns und der Austauschprozesse von Masse und Impuls zwischen ber und Durchstr mung der Sohle von Wasserstra en beitragen Vorrangiges Ziel der Untersuchungen zur Sohlen stabilit t ist die Auswertung der Korrelationen zwi schen Druck und Geschwindigkeitsmessungen Das Ergebnis soll eine f r die Praxis umsetzbare und an den ingenieurm igen Belangen orientierte Zusam menfassung Bewertung und Klassifizierung der Re sultate im Hinblick auf hydromechanische Belastungen der Sohle sowie der Wirkung von Filterschichten dar stellen Das langfristige Ziel solcher Untersuchungen liegt in der Verbesserung von ingenieurtechnischen Bemessungskriterien f r Sohlschutzma nahmen Die in den Untersuchungen eingesetzten neuartigen Messmethoden und techniken haben sich bew hrt Die Untersuchungsmethoden gestatten eine synop tische Bestimmung von Str
86. vm m s Bild 6 bergang Geschiebe Schwebstoff Temperaturabh ngigkeit des Geschiebetransports Der Geschiebetransport ist ber die Turbulenz Re ab h ngig von der Z higkeit des Fluids kinematische Vis kosit t Diese ist wiederum abh ngig von der Tempe ratur s Bild 7 sodass bei vergleichbaren Abfl ssen erhebliche Unterschiede in Menge und Form in Ab h ngigkeit von der Temperatur zum Beispiel zwischen Sommer und Winter auftreten k nnen 5I Re Natur Re Modell 22000 18000 4 00E 06 18000 14000 300EH08 4 12000 10000 Hat L Ro au e D 3 00E H06 Bot Lei TEHE 15ms T 2m 4000 Modellmassstab MdH 1 40 2000 Modelhwerte Ym 0 24 mis T 0 05 m D 00E 00 0 H 3 10 15 20 Ri 30 35 40 Temperatur C Bild 7 Abh ngigkeit der Re Zahl von der Temperatur bei MQ Bei der Streubreite der Messwerte in der Natur in Ver bindung mit einer in der Regel unzureichenden Da tenmenge muss dieser Aspekt meistens vernachl s sigt werden Bei Untersuchungen in Modellen jedoch 30 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 bei denen bei exakt gleichen Rand und Anfangsbe dingungen unterschiedliche Varianten untersucht wer den ist die Beachtung der Modelltemperatur von gro Ber Bedeutung da wie die o g Untersuchungen zei gen die Unterschiede im Geschiebetransport bei gr Beren Temperaturschwankungen im Labor hnliche Gr
87. welche nach dem akustischen Dopp lerprinzip arbeitet und Geschwindigkeitsvektoren in al len drei Richtungen gleichzeitig aufnimmt Da die tur bulenten Str mungsvorg nge auch in einem gr eren Ausschnittsbereich zeitgleich untersucht werden sol len wird zu diesem Zweck das sogenannte PIV Ver fahren verwendet Hierbei wird mit lichtstarken in Rei he angeordneten LEDs Bild 17 von unten eine weni ge Zentimeter starke Lichtebene in der Str mung er zeugt und mit einer seitlich angebrachten Highspeed Kamera Bild 16 und 17 aufgezeichnet Der Verwen dung von Leuchtdioden wurde der Vorzug gegeben da diese im Vergleich zu den erforderlichen lichtstarken 18 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Grimm et al Bild 17 O 80 m Rinne mit berstr mtem Absturz LED Licht leiste unten Blick von der Seite Lasern ein weit geringeres Sicherheitsrisiko darstellen und ein gr erer Messbereich erfasst werden kann Die im Wasser vorhandenen mikroskopischen Verun reinigungen oder Luftbl schen fungieren dabei als Tra cer Die Auswertesoftware setzt die Bilder der Sequenz analysen in quantitative Geschwindigkeitsvektoren der Stromlinien um Ein Ausschnitt des Wasserspiegelverlaufs ber die Rin nenl nge der mit der mobilen Ultraschallsonde und der Traversierung w hrend des Versuchs gemessen wur de ist im Bild 18 dargestellt gemessener Wasserspiegelverlauf NN Sohle mit Abst
88. wenn bereits in der Natur feines Sedi ment vorliegt wie bspw in Flachlandfl ssen kann eine geometrische Verkleinerung auf ein Modellsediment nicht ohne weiteres erfolgen Eine geometrische Ver kleinerung des Naturmaterials w rde f r das Modellse diment bedeuten dass der Bereich der voll ausgebil deten Rauheitsstr mung um das Korn verlassen wird und die Sohlenmaterialien im Shields Diagramm im hydraulisch glatten oder bergangsbereich liegen wo mit einem Einfluss der Z higkeit auf die experimentel len Untersuchungen zu rechnen ist Zudem unterlie gen zu feine Modellsedimente Adh sions und Koh sionskr ften die im Naturmaterial kein quivalent ha ben und eine ma st bliche Verkleinerung ausschlie Ren Dietz 1976 Mertens 2002 Oftmals wird deshalb als Modellsediment ein spezi fisch leichteres Material gew hlt bspw Kunststoffgra nulat o das bei einer geringeren spezifischen Dich te zumeist einen gr eren Korndurchmesser aufweist und somit bereits bei geringem Str mungsangriff in Be wegung gelangt Obwohl bereits zahlreiche Untersuchungen mit spezi fisch leichten Modellmaterialien durchgef hrt wurden zeigt sich dass trotz aller Bem hungen der moder nen Forschung die physikalisch au erordentlich kom plexen hydraulisch sedimentologischen Transportpro zesse nur mit Einschr nkungen zu quantifizieren sind Mertens 2002 Nach wie vor setzt die Modellierung eines hydraulisch sedimentologisch
89. zu k nnen Die Schlauchwehrmodule wurden in der 3 m Rinne mit den erforderlichen Ver sorgungs und Steuerleitungen nach Bedarf eingebaut Bild 19 ee Bier en 255 a Br AT EN ya 4 Sy PRO f EP E N 4 D Sr x HRT 67 rg N Ne Bild 19 Wassergef lltes Modeischlauchwehr bei berstr mung M 1 12 5 Bei Schlauchwehren m glicherweise auftretende Schwingungen waren ebenfalls Gegenstand der Modellversuche Mit Laser Distanzmessger ten wurde die Schlauchoberfl che bei unterschiedlichen Abfl s sen und Schlauchformen abgescannt und ihr Schwin gungsverhalten analysiert um eventuelle schwingungs hemmende Ma nahmen daraus abzuleiten Dies k n Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 19 Grimm et al Entwicklungsstand der physikalischen Modelluntersuchung nen zZ B Str mungsabweiser Fins oder Strahlaufrei Ber hnlich wie bei Fischbauchklappen sein 4 3 2 Beispiel Wehrkennlinien f r Neckarwehre Die zentrale Fernsteuerung und Automatisierung von Wehren erfordern die Kenntnis der Wehrkennlinien Sie stellt f r jedes Wehr den spezifischen Zusam menhang zwischen der Stellung der Verschl sse ff nungsh he a bzw berfallh he h dem Abfluss Q und dem Ober und Unterwasserstand h h her Die verschiedenen Verschlusstypen Walze Sch tz Seg ment Aufsatzklappen u und die unterschiedliche Anzahl und Breite der Wehrfelder sind zu ber cksich tigen Als
90. zur Str mung gerichteten Gr en positive Geschwin digkeiten v werden gefolgt von Perioden langsamer in Str mungsrichtung negative Geschwindigkeiten u und hoher vertikal quer zur Str mungsrichtung gerich teten Geschwindigkeitsgr en positive Geschwindig keiten v u v mms Sonkvwnrom aom i un 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 tis Bild 28 Mittlere gemessene Geschwindigkeiten u v von Sandpartikeln an der Grenze Sand Kies Das hierzu geh rende Bild 27 zeigt korrespondierend zu diesen ermittelten Bewegungsgeschwindigkeiten an der Grenze Sand Kies eine nach unten geneigte Flie richtung der initiierten Sandkornbewegungen heller Bildbereich an Es verdeutlicht damit die Richtung der mittleren gemessenen Bewegungsgeschwindigkeiten wie sie in Bild 28 dargestellt sind Die Sandk rner wer den hier also entlang eines geneigten Grenzfl chenab schnitts w hrend der berstr mungs und Wellenbelas tung vom Porenwasserstrom hinwegtransporiiert Den Zusammenhang zwischen den jeweils wirkenden Str mungsbelastungen aus der mittleren Au enstr mung und den ausgel sten Sandbewegungen ver deutlicht das Bild 29 Die mittlere freie Oberfl chen str mung wurde aus allen im Beobachtungsvolumen ermittelten Geschwindigkeitsvektoren r umlich erfasst und in ein einzelnes Bild integriert wie es bereits aus den Aufnahmesequenzen im Bild 8 als Momentaufnah men zu ersehen war Die freie Oberfl chenstr mung
91. 0 2007 63 Faulhaber Neue Methoden der aerodynamischen Modellierung Messmethode statische Drucksonden mit Druckaufnehmer Flie geschwindigkeit Gr e und ggf Richtung Geschwindigkeitsmessungen Laser Doppler Anemometrie LDA in horizontalen Ebenen Geschwindigkeitsmessungen Hitzdrahtanemometer HDA in Querschnitten Laser Doppler Anemometrie LDA Erfassung von Str mungsstrukturen Particle Image Velocimetry PIV Durchfluss Gesamtdurchflussmesssung mit Wolumenstrom messem Wirbel Durchfluss Messer oder HDA in definierten Messstrecken Rohrleitung sowie Kontrolle ber HDA und LDA Messungen in Querprofilen des Modells Laserscan oder Nivellement Temperatur Luftdruck und feuchte Klimastationen Tabelle 11 In Luftmodellen eingesetzte Messmethoden 6 1 Geometrievermessung Die Modelle werden im Hauptuntersuchungsbereich meist von einer zweiachsigen Traversiervorrichtung Bild 16 berdeckt auf der verschiedene Sensoren Laser Abstandsmesser Laser Doppler Anemometer angebracht werden k nnen Der Laser Abstandsmes ser dient zum Scannen der Modelltopografie und wird durch einen Rechner gesteuert ber die zu vermes sende Oberfl che verfahren Die minimale Schrittwei te betr gt 1 mm die Genauigkeit der H henmessung ist lt 0 1 mm ii L Laser Abstandsmesser Modellauslauf ber Rohrsystem mit Durchflussnessger t zum Ventilator Bild 16 Modell mit Str mungssichtbarmachun
92. 0 October 1984 1431 1456 WESTRIcCH B Kogus H 1976 Untersuchungen am Luftmodell zur str mungstechnisch g nstigen Gestal tung von Entnahmebauwerken gwf wasser abwasser Heft 7 117 1976 300 307 WHITTAKER J G Scheiss A 1984 Scour related to energy dissipators for high head structures Mittei lung der Versuchsanstalt f r Wasserbau Hydrologie und Glaziologie an der Eidgen ssischen Technischen Hochschule Z rich Nr 73 Z rich 1984 Yau n M S 1959 ber die Natur hnlichkeit der Ge schiebebewegung bei Modellversuchen Die Bautech nik 36 Jahrgang Heft 3 1959 96 99 Yal n M S 1965 Similarity in Sediment Transport by Currents Hydraulics Research Paper No 6 Hydrau lics Research Station Wallingford Berks Yal n M S 1971 Theory of hydraulic models Mac millian Civil Engineering Hydraulics London and Bas ingstoke ZANKE U 1978 Zusammenh nge zwischen Str mung und Sedimenttransport Teil 2 Berechnung des Sedi menttransportes hinter befestigten Sohlenstrecken Sonderfall zweidimensionaler Kolk Mitteilungen des Franzius Instituts f r Wasserbau und K steningenieur wesen der Universit t Hannover Heft 48 Hannover 1978 1 95 ZANKE U 1982 Grundlagen der Sedimentbewegung Springer Verlag Berlin Heidelberg New York 118 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Simultane Druck und 3D Geschwindigkeitsmessungen im Porenraum einer Kiessohle
93. 15 mmWS begrenzt Auf Grund des Dithereffektes erf hrt das digitalisierte Signal erkennbar eine h here Aufl sung als durch die Schrittweite der Diskretisierung m glich w re Dadurch wurde die Genauigkeit auf gt 0 003 mmWS f r f lt 20 Hz beziehungsweise gt 0 012 mmWS f r f gt 20 Hz erh ht Bild 18 zeigt ein typisches Signal der Druckmessung 2430 r T T T 2420 signalip Pa J o 10 20 40 50 30 tis Bild 18 Typisches Signal der Druckmessung Detert et al 2004 Die Drucksensoren wurden in den vertikalen Positionen y d p 1 0 unmittelbar ber der Sohle bei y d_ 0 0 vgl Bild 19 und in verschiedenen Positionen inner halb der Kiesschicht angebracht Um m glichst enge Korrelationen zwischen Druck und Geschwindigkeits messung zu erzielen war jede der drei k nstlichen Kiesporen ebenfalls mit einem Drucksensor ausge stattet Bei den simultanen Messungen die ein Zeitin tervall von zwei Minuten abdeckten wurden bis zu 10 Drucksensoren eingesetzt Bild 19 Drucksensor an der Sohle Detert et al 2004 Bild 20 zeigt den Verlauf von rms p bei zunehmender Scherbeanspruchung 7 ber die kritische Scherbean spruchung t dimensionslos gemacht zeigt sich eine lineare Zunahme aller Kurven Am Beispiel der beiden Sensoren an der Schnittstelle zwischen Kies und Au Renstr mung y d_ 0 0 x kann die Steigung C ber das Verh ltnis von rms p t zu 3 5 bzw
94. 15 zeigt den Jahresgang aus einem in der BAW betriebenen hydraulischen Modell Das Bild zeigt dass im Fr hjahr 2005 und 2006 der Temperaturunterschied zwischen dem Modellwasser und den Messt pfen im Maximum bei etwa 7 Kelvin lag Daraus folgt nach Bild 16 dass der Wasserstand auf Grund der tempe raturbedingten Dichteunterschiede bei einem Wasser stand von ca 20 cm in den Messt pfen etwa 0 17 mm h her als im Modell war Bei einem H henma stab von 1 40 ergibt sich daraus ein Messfehler von ca 7 mm bezogen auf die Natur Bei Untersuchungen zum Geschiebetransport sind ne ben station ren Betrachtungen bei einigen Fragestel lungen auch instation re Untersuchungen erforderlich Bei den betriebenen Modellen wird daf r der Zufluss zum Modell ber einen rechnergesteuerten induktiven Durchflussmesser IDM mit motorbetriebenem Schie ber geregelt F r die unterstromige Wasserstandssteuerung wurde ein Lamellenwehr entwickelt s Bild 17 Es handelt sich dabei um ein Regelorgan mit bereinander ange ordneten horizontal verschiebbaren Lamellen mit de nen abflussabh ngige Querschnitte und Widerstands beiwerte sehr genau eingestellt werden k nnen Damit erh lt man ein festes Regelorgan welches die unter stromige W Q Beziehung nach einer einmaligen Kali brierung sehr genau nachstellt 0 2 mm Im Gegen satz zu einem klassischen berfallwehr ben tigt man somit im Betrieb keine abflussabh ngige Regelung oder Steuerung
95. 2 R cktransformiertes unverzerrtes Bild des Flusses 672 x 524 Pixel tur einer turbulenten Gerinnestr mung zur Geschwin digkeitsmessung herangezogen werden kann als dass er den Anspruch erhebt ein fertig entwickeltes Mess system darzustellen Nach einer Auswertung der r cktransformierten Bilder ber einen Kreuzkorrelationsalgorithmus Fujita et al 1998 konnten anhand der hier aufgenommenen Bild sequenzen die in Bild 13 dargestellten mittleren Ge schwindigkeiten ermittelt werden Die Gr e der In terrogation Area entspricht in etwa 15 m in Naturda ten Die LSPIV Analyse liefert ein fast komplettes Vek torfeld im gesamten Bereich des Kameraausschnitts Das so erzeugt Vektorfeld unterst tzt damit die Vermu tung dass die Oberfl chenstruktur einer turbulenten Str mung als Tracer zur Bestimmung der mittleren Ge schwindigkeiten eingesetzt werden kann Bild 13a zeigt ein Geschwindigkeitsfeld welches im Zentrum eine L nge von ca 80 m besitzt Bild 13b gibt eine Geschwindigkeitsverteilung wieder die in Quer richtung symmetrisch zur Flussachse verl uft mit ab nehmender Flie geschwindigkeit hin zu den Ufern Ein genauer Blick auf die Geschwindigkeitsverteilung in Bild 13a zeigt den ung nstigen Einfluss von Schatten w rfen die in den Originaldaten durch B ume erzeugt werden Die Auswertung der parallel durchgef hrten Radarmessungen liegen derzeit f r einen Vergleich der ermittelten Geschwindigkeitsfelder noc
96. 4 Bo den und Sohlstabilit t Betrachtungen an der Schnitt stelle zwischen Geotechnik und Wasserbau Karlsru he pp 9 1 bis 9 15 Kune S J RevnoLos W C SCHRAUB F A Runp STADLER P W 1967 The structure of turbulent bounda ry layers In Journal of Fluid Mechanics Vol 30 S 741 773 K HLER H J HAaussecker H Spies H BERINGER O 1999 Fluidisation and deformation of submerged soil due to fluctuating water level In Proceedings XII Eu ropean Conference on Soil and Geotechnical Enginee ring Amsterdam pp 1109 1115 K HLER H J ScHwaB R Wenka T 2004 Boden Wasser Luft Wechselwirkung und ihr Einfluss auf das Stabilit ts und Verformungsverhalten von Boden Was ser Grenzfl chen In Tagungsband BAW Workshop 17 Sept 2004 Boden und Sohlstabilit t Betrach tungen an der Schnittstelle zwischen Geotechnik und Wasserbau Karlsruhe pp 10 1 bis 10 14 MEYER PETER E amp M LLER R 1949 Eine Formel zur Berechnung des Geschiebetriebs Versuchsanstalt f r Wasser und Erdbau Nr 16 ETH Z rich PrR nos P SorIaL D s D amp KERAMARIS E 2003 Turbu lent Flow Over and Within a Porous Bed In Journal of Hydraulic Engineering Vol 129 Nr 9 S 720 733 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 135 Wenka K hler Simultane Druck und 3D Geschwindigkeitsmessungen Raupkivi A J 1982 Grundlagen des Sedimenttrans ports Sprin
97. 971 G iLyarov 1973 FAULHABER 1983 und 1986 NEstmann und BAacHMEIER 1987 In diesem Artikel werden haupts chlich Neuerungen beschrieben die im Versuchsbetrieb der BAW bei der Untersuchung von Flussabschnitten eingef hrt wurden 2 1 Klassifizierung Man unterscheidet wie bei hydraulischen Modellen in Str mungsmodelle Modelle mit fester Sohle ohne Sohlreaktion zur Untersuchung der hydrau lischen Parameter der Str mung und Geschiebetransport Modelle Modelle mit beweg licher Sohle mit Sohlreaktion zur Untersuchung des Geschiebetransportes und der nderung der Sohlgestalt Dar ber hinaus stehen entsprechend der zu unter suchenden Fragestellungen unterschiedliche Ph no mene im Mittelpunkt und sind verschiedene Modellab straktionen m glich wodurch sich drei verschiedene Modelltypen ergeben Dreidimensionale Modelle bei denen neben der Gel ndegeometrie auch die vertikale Geschwin digkeitsverteilung natur hnlich abgebildet wird Sie dienen der Simulation r umlicher Str mungsver h ltnisse bersichtsmodelle bei denen entweder auf Grund der starken berh hung oder wegen der geringen Modellabmessungen Abweichungen in der Ausbil dung der vertikalen Geschwindigkeitsverteilung ge gen ber der Naturstr mung zu erwarten sind Die Geometrie ist zwar dreidimensional abgebildet die Untersuchungen werden aber nur in der Ebene aus gewertet sogenannte quasi zweidimensionale Luft modelle
98. Brennpunkt der Linse zum Schnitt gebracht Am Schnittpunkt der bei den Laserstrahlen befindet sich das Messvolumen das in der Str mung an der gew nschten Messstelle posi tioniert wird Bild 22 Quert ein im Fluid suspendiertes Streuteilchen dieses Messvolumen wird vom Empf n ger ein Streulichtsignal registriert Im Fall von Luftstr mung dient in der BAW Nebel aus einem Wasser Alko holgemisch siehe Kap 6 2 1 als Streuteilchenquelle Wenn die Streuteilchen hinreichend klein sind und kei ne Eigendynamik entwickeln ist ihre Geschwindigkeit als lokale Geschwindigkeit des Fluids anzusehen Durch die Verwendung zweier Laserstrahlen k nnen die horizontalen Richtungskomponenten v und v der Str mungsgeschwindigkeit ermittelt werden Die verti kale Geschwindigkeitskomponente wurde in den bis herigen Untersuchungen vernachl ssigt In den Luftmodellen f r verkehrswasserbauliche Unter suchungen wird in der BAW 2D LDA zur Ermittlung der Richtungskomponenten der Str mung in Querprofilen und in einer horizontalen Ebene parallel zur Deckplatte und damit zum Naturwasserspiegel eingesetzt Beispiel Buhnenmodell F r die systematischen Untersuchungen unterschied licher Buhnenformen wurde ein Luftmodell als ber h htes zweidimensionales halbes Flussmodell der Bild 22 Str mungssichtbarmachung mit Erosionsverfahren und Laser LDA Fotomontage ohne Deckplatte Mittelelbe konzipiert Ma st be L nge 1 365 H he 1
99. Differenzen Verfahren zur Str mungsanalyse BI nenn all innen vims Bild 3 Horizontale Schnitte durch ein Geschwindigkeits profil in einem Buhnenfeld ao a a 0 Pe d E B tiaho a a Oa a ha Sobeoboo i b B iha ha S gt EN i a0 0 g0 oh 430 440 160 180 200 220 340 30 80 Abstand vom Profilnudpurkt im bb SS en im E S Dail i k f in Bild 4 Geschwindigkeitsdifferenzen in einem aerodyna mischen Modell In diesem Beispiel wurden zwei Varianten mit und ohne Parallelwerk untersucht Deutlich ist die Reduzierung der Geschwindigkeit hinter dem Parallelwerk Durch eine Aufteilung des Querprofils durch vertikale Schnit te ist es m glich einzelne Areale des Str mungsfeldes isoliert auszuwerten Genauso ist es m glich in dem Berechnungsraster frei definierte Polygonz ge zu ver wenden wodurch sich z B die Geschwindigkeit in einem horizontal und vertikal begrenzten Fahrrinnen kasten auswerten l sst Diese Auswertung ist sowohl f r die Resultierende als auch f r die einzelnen Kom ponenten der Geschwindigkeit m glich z B mittlere Quergeschwindigkeit im Fahrrinnenkasten 5 Literatur ADLER 2005 ADCP Messungen an Bundeswasserstra Ben Beitrag zum Seminar Akustische Doppler Ger te ADCPs in der Hydrometrie M glichkeiten und Pers pektiven einer innovativen Technik 28 29 Sept 2005 in Koblenz In Forum f r Hydrologie und Wasserbe wirtschaftung Hennef
100. Fahrzeuge ein Sicherheitsab stand Schiff Schiff von 3 m ergibt eine erf Breite von 5 4 2x 15 5 3 15 5 1 5 46 4m in H he der Schiffskimm Im Bemessungsfall 4 also in Strecken mit unregelm igem Uferverlauf bei Str mung und solchen Sichtverh ltnissen die eine optimale Abstim mung des Begegnungsvorganges durch beide Schiffs f hrer erfordern w rden ist den vorgenannten Sicher heitsabst nden zu jeder Seite jeweils die Breite der Schl ngelfahrt des dem Ufer n heren Fahrzeuges zu addieren also insgesamt 3x 4 1 12 3 m woraus sich eine Breite von 58 7 m errechnet Bei einer Fahrt im Bereich von Buhnenfeldern die insbesondere bei langsamer Bergfahrt gro e Sicherheitsabst nde erfor dert w rden sich noch gr ere Fahrrinnenbreiten er geben Zuletzt sei angemerkt dass der vorliegende Beitrag der im Auftrag des Wasser und Schifffahrtsamtes Bin gen und des Wasserstra en Neubauamtes Berlin er stellt wurde und hinsichtlich der Sicherheitsabst n de zu Buhnen fortgeschrieben werden sollte erst der Anfang einer Serie von erg nzenden Untersuchungen sein kann Diese sollten um Ma stabseffekte und den wichtigen Einfluss von Uferform und Sicht besser als in Modellversuchen erfassen zu k nnen m glichst in der Natur erfolgen 10 Zusammenfassung Modelluntersuchungen zur Fahrdynamik von Binnen schiffen in geraden Flussabschnitten bei ufernaher Fahrt die an der Versuchsanstalt Obernach der TU M nchen VAO im Ma
101. Gef l le durch die oberstromige Sohleneintiefung zu Anlan dungen Geschiebekoffer km 476 bis 479 H hendifferenz 5 i 30 475 5 47E 4r6 5 ArT 475 ara 478 5 Ara 4735 Elbe Kllometer Bild 6 Vergleich der mittleren Sohle im Bereich der beweg lichen Sohlenbreite im Luftmodell Lenzen Die Ergebnisse des aerodynamischen Geschiebe transport Modells erg nzen die gro rr umigen und langfristigen Prognosen eines eindimensionalen nu merischen Feststofftransportmodells zur Entwicklung der mittleren Sohle um qualitative lokale Aspekte Mit Hilfe von Videoaufnahmen konnten die Transportvor g nge bei verschiedenen Varianten sichtbar gemacht werden 3 hnlichkeitsbedingungen Beim Betreiben von aerodynamischen Modellen m s sen sogenannte hnlichkeitsbedingungen eingehalten werden um eine natur hnliche Ausbildung der Str mung im Modell zu gew hrleisten Es sind geome trische kinematische und dynamische hnlichkeit an zustreben Kogus 1984 schreibt dazu Dynamische hnlichkeit liefert die Voraussetzung daf r dass in geo metrisch hnlichen Modellen zeitabh ngige Vorg nge kinematisch hnlich ablaufen Dies wird durch die Be ziehung zwischen den angreifenden Kr ften und dem Str mungsfeld gew hrleistet wie sie in den Bewe gungsgleichungen zum Ausdruck kommt Die Schl s selforderung bei geometrisch hnlichen wasserbau lichen Modellen besteht also darin dass die dyna mische hnl
102. I 1 i I I l l I Xo m h Bild 11 Ermittlung des Restquerschnittes zwischen Schiffs seitenwand und Ufer A aus Angaben zur Leinen position a und erf a po Eine diesbez gliche Auswertung ist in der Tabelle 2 ausgehend von den Mittelwerten von erf a po der vier Versuchsserien Variation T und m vorgenommen wor den Alternativ zur Angabe der erf a Werte wurde die Restquerschnittsfl che A indirekt aus den Leinenpo sitionen die eine sichere Fahrt im Korridor erlaubten ermittelt Die zugeh rigen Abst nde a zwischen B schungsfu und Leine gem Bild 10 sind gleichfalls in der Tabelle angegeben Um A zu definieren muss hiervon noch die mittlere Fahrspurbreite b mit 15 5 m in Abzug gebracht werden Der zugeh rige Abstand vom Ufer gibt somit in Analogie zu erf a po das Mehr an Breitenbedarf gegen ber der Fahrt mit normalem Driftwinkel an 148 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 S hngen et al Mittel am a vao o 14 150 o 076 Modelluntersuchungen zur Ermittlung der erforderlichen horizontalen Sicherheitsabst nde 1 19 1 39 00 48 3 4 11 4 22 5 a 5 1 0 85 0o s4 na 25 o e7 o7 Mittel nes aus a 0 96 aus erf a vao 1 04 f r m 3 1 10 f r m 0 0 90 alle 1 00 0 21 Tabelle 2 Auswertung der Modellversuche nach der Rest Querschnittsfl che A zwischen Schiffsseitenwand und Ufer mit zugeh rigem n A B T L ngen
103. Maas et al Verfahren der optischen Triangulation zur instationary water surfaces International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing Vol 36 Part 5 78 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Geschwindigkeitsmessungen mit Particle Image Velocimetry Labor und Feldmessungen DR VOLKER WEITBRECHT INSTITUT F R HYDROMECHANIK UNIVERSIT T KARLSRUHE Dr MARIAN MuSTE lowa INSTITUTE OF HYDRAULIC RESEARCH UNIVERSITY OF lowa DR JEAN DOMINIQUE CREUTIN LABORATOIRE D ETUDES DES TRANSERTS EN HYDROLOGIE ET ENVIRONNEMENT UNIVERSITE DE GRENOBLE PROF GERHARD H J rKA PH D InSTITUT F R HYDROMECHANIK UNIVERSIT T KARLSRUHE Kurzfassung Zur ber hrungslosen Erfassung von Geschwindigkeits feldern werden vermehrt Methoden eingesetzt die auf der Auswertung optisch erfasster Partikelgruppen bzw Intensit tsmuster in Str mungen beruhen und un ter dem Namen Particle Image Velocimetry PIV zu sammengefasst werden Unter dem Einsatz von La serlichtschnitten k nnen Messungen im Wasserk r per durchgef hrt werden w hrend Geschwindigkeiten an der Wasseroberfl che mit konventioneller Beleuch tung erfasst werden k nnen die in vielen F llen von Flachwasserstr mungen eine Analyse der Str mungs situation erlauben An zwei Beispielen aus Labormes sungen zur Untersuchung von Buhnen bzw Zylinder umstr mungen werden die M glichkeiten von Oberfl chen PIV vorgestellt Zur Anwendung im Feld
104. Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 Wasserbauliches Versuchswesen Karlsruhe Juli 2007 ISSN 0572 5801 Herausgeber im Eigenverlag Bundesanstalt f r Wasserbau BAW Ku maulstra e 17 76187 Karlsruhe Postfach 21 02 53 76152 Karlsruhe Telefon 0721 9726 0 Telefax 0721 9726 4540 e mail info karlsruhe baw de Internet http www baw de bersetzung Nachdruck oder sonstige Vervielf ltigung auch auszugsweise ist nur mit Genehmigung des Herausgebers gestattet BAW 2007 Titelbild Alternierende Kiesb nke in einem hydraulischen Modell der Oder bei Hohenwutzen Inhalt GRIMM E KEMNITZ B SEITER H SENGSTOCK V VoIGT A Entwicklungsstand der physikalischen Modelluntersuchung von Schleusen und Wehren HENTSCHEL B Hydraulische Flussmodelle mit beweglicher Sohle FAULHABER P Neue Methoden der aerodynamischen Modellierung flussbaulicher Fragestellungen Maas H G MuLsow C Putz T Verfahren der optischen Triangulation zur r umlich zeitlich aufgel sten Bestimmung von Wasserspiegelh hen in hydraulischen Modellen WEITBRECHT V Muste M CrEUTIN D JIRKA G H Geschwindigkeitsmessungen mit Particle Image Velocimetry Labor und Feldmessungen HENNING M SAHRHAGE V HENTSCHEL B 3D PTV Ein System zur optischen Vermessung von Wasserspiegellagen und Flie geschwindigkeiten in physikalischen Modellen HENTSCHEL B Ein Finite Differenzen Verfahren zur Str
105. Nr 90 2007 65 Faulhaber Neue Methoden der aerodynamischen Modellierung Geschwindigkeitsmessungen in Querprofilen erfolgten mit dem Programm gt FLIEGE lt HEnTschEL 2007b in v senkr m s diesem Heft 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 0 Sa EAEE TASAA DT E A Es wurden Str mungsgeschwindigkeiten in vier Quer Eo ow E w E E i io profilen mit bis zu 36 Messlotrechten je Profil gemes a sen Die Messlotrechten befinden sich im Abstand von AEN o A Bi M Da EU i 3 cm Natur 10 5 m auf dem Profil Die Messpunkte in ii EE einer Lotrechten haben einen vertikalen Abstand zwi Eo o schen 0 5 mm an der Sohle Natur 8 75 cm bis 4 mm 0 im Bereich des Str omungsmaximums Natur 70 cm a a a 5 Es wurde in Hauptstr mungsrichtung mit Eindraht E so Hitzdrahtsonden gemessen D Se 1 gt ee Puu Die Messungen in den Querprofilen wurden zum einen F E E T zur Kontrolle des Durchflusses entlang des Modells ge gt 5 nutzt Pr fung der Modelldichtheit Zum anderen wur 1 0 SE A irer aa den die Durchflussanteile f r einzelne Querschnitts ME o y bereiche bestimmt So konnte der hinter einem Paral e 2 lelwerk abgef hrte Durchflussanteil bestimmt werden ee Er y cam Bild 19 zeigt das gleiche Profil bei zwei verschiedenen z EEE RE Varianten Die Messungen wurden hier mit dem Finite INN nn De Differenzen Verfahren HEnTscHEL 2007b in diesem Heft ausgewertet 30 a nn nn nm Od km 604 9 V2a_2 v2b_2 Buhnenwarlante
106. S NAAA a m e a e De Bee ee O a a E on 2 BL a Pe Ben NN em mt an nm u aT m gt gt P E a a I E En e e e a a a K a DT rn Mer en _ ER eG Er A A R Ba 07 Er o s E E u E GE je En A a r aG a E a h se 3 2 9 Aka pes ni F e Y 0 a re re lat See ER LER Den EEE rn z u 55 u a Op 252222232722 77272272772227 m Eee a N re TE Zn fe u E E DEE S _ SE Bild 8 Darstellung der ermittelten Wirbelst rke aus den PIV Daten Dabei beschreiben helle Bereiche stark Re 2 1560mm gt are u i z o a o N SER E rechtsdrehende und dunkle Bereiche stark linksdre i vA oaa e AA m a e i i T a aat Fr M hende Wirbel Die Vektoren stellen in diesem Fall die ar Er wen f Pie re en REN En BE momentan ermittelte Geschwindigkeit abz glich der O e ae e a l a mittleren Geschwindigkeit dar a a J 3 2 Oberfl chen PIV bei Zylinderum pe S str mung Oes a ge TR In einem Forschungsprojekt zur Untersuchung der Aus wirkung von umstr mten Hindernissen in Flachwas serstr mungen auf den Schadstofftransport Carmer Bjjd 15D 2005 wurden hnlich der verwendeten Technik f r die Buhnenfelduntersuchungen Oberfl chen PIV Messun gen zur Charakterisierung der Str mung im Bereich ei ner Zylinderreihe durchgef hrt Im Flachwasserbecken des Instituts f r Hydromechanik Bild 9 wurden bei ei ner Wassertiefe h 45 mm einer mittleren Flie ge schwindigkeit von U 0 1 m s d
107. SCHR DER 1994 Technische Hydraulik Kompendium f r Wasserbau Springer Verlag Berlin Heidelberg New York ZANKE 1982 Grundlage der Sedimentbewegung Sprin ger Verlag Berlin Heidelberg New York 46 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Neue Methoden der aerodynamischen Modellierung flussbaulicher Fragestellungen DiPL InG PETRA FAULHABER BUNDESANSTALT F R WASSERBAU KARLSRUHE Kurzfassung F r frei flie ende Gew sser haben sich in der Ver gangenheit aerodynamische Analogiemodelle Luft modelle bei der Bearbeitung wasserbaulicher Frage stellungen durch ihre hohe Effizienz geringe Modell abmessungen kurze Auf Umbau und Messzeiten bew hrt Sie bieten vielf ltige M glichkeiten der Ana lyse der Str mungsvorg nge sowohl durch Messung der Str mungsparameter Druck Flie geschwindig keit Durchfluss als auch durch die Sichtbarmachung schwer abbildbarer Str mungsstrukturen wie z B der f r den Geschiebetransport ma geblichen Sohlstrom linien Es wird eine Einf hrung in die Grundlagen und Methoden der aerodynamischen Modellierung gege ben und Neuerungen in Modellmethodik Modellaufbau Messtechnik und Versuchsauswertung vorgestellt Da sich der Einsatz von Luftmodellen in den letzten bei den Jahrzehnten in der Bundesanstalt f r Wasserbau auf aerodynamische Flussmodelle konzentrierte wer den insbesondere diese Erfahrungen vorgestellt 1 Einleitung Zur Planung flussbaulicher
108. Stillwasser ca 0 9 f r einspurige Schubverb nde SV und 1 0 f r GMS Da man sich die Schl ngelfahrt bei Str mung als zur Str mung berlagerte Bewegung vorstellen kann k nnen die vorgenannten c Werte in erster N he rung auch f r str mende Gew sser angesetzt werden Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 139 S hngen et al Modelluntersuchungen zur Ermittlung der erforderlichen horizontalen Sicherheitsabst nde falls genutzt wurden h tte min a negative Werte an nehmen k nnen denn die Fahrzeuge fahren im Notfall auch in die Buhnenfelder hinein Zusammenfassend ist festzuhalten dass zwischen kleineren Sicherheitsabst nden f r Ausnahmesituati onen z B Begegnungen s und gr eren f r Nor malfahrt ber lange Strecken z B f r Richtungsver kehr s unterschieden werden muss Dabei k n nen die geringeren Werte auch nur dann in Ansatz ge bracht werden wenn weitere st rende Einfl sse auf die Schiffsfahrt wie Windquerkr fte ausgeschlossen werden k nnen Ist dies aber doch der Fall z B bei schlechter Sicht dann muss der Querversatz aus der Schl ngelfahrt auch bei Begegnungen ber cksich tigt werden denn es kann nicht vorausgesetzt werden dass sich beide Fahrzeuge zu Beginn der Begegnung in einer fahrdynamisch gesehen optimalen Fahrposi tion befinden Dies ist zumeist in Flie gew ssern mit unregelm igem Uferverlauf der Fall bei denen schon der Einfluss d
109. TE BE K hl sununsenun nase DLEIISTETETTIEN TIEFE eTerT gr CA y pi Arsnsenngnnr tl Ein Anne E J 2 00 3 2 PLN aoo p 3 M 1 E N id A r E 2 00 EG 5 Freneinnensnnnnennennnnnenn Z Koi nenn nnnnnnannnnen une nnnn ann nnn nenn unnann nn nnn nun nnnnnen F 4 0 011 Lirdur dur 01 01 08 Deor Gipit DET Hit 2 07 08 41 12 05 02 07 06 Do Datum Bild 15 Temperaturunterschied zwischen Modellwasser und Wasser in den Messt pfen Bild 16 zeigt f r unterschiedliche Wassertiefen in den Messt pfen die temperaturabh ngigen Abweichungen der Wasserst nde durch Dichteunterschiede zwischen dem Modell und den Messt pfen Bei einer Wassertie fe von 30 cm sieht man dass bei einem Temperaturun terschied von 3 3 K entsprechend 3 3 C eine Abwei chung von 0 1 mm im Modell und damit eine Abwei chung im Bereich der Messgenauigkeit des Systems auftritt bei einem H henma stab von 1 50 entspre chen 0 1 mm im Modell 5 mm in der Natur Die Was serst nde in den Messt pfen bei den Modelluntersu chungen liegen etwa zwischen 15 und 30 cm OB 5 cm Wassertiefe ar 10 cm Wassertiefe 20 cm Wassertiefe 30 cm Wassertiefe 40 cm Wassertiefe W cm 5 ch D in Wasserstandsunterschled mm 2 p 2 3 5 6 7 E 10 11 12 13 14 15 Tempseraturdifferenz Modellwasser Messtopf K Basis 10 C Bild 16 Wasserstandsabweichungen durch temperaturbe dingte Dichteunterschiede Bild
110. TTIee N Hi E3 3 EJ ann T ETETETET S ERFA FAF BET EEE Tee Anfahr bzw Auslaufbereich Nullpunkt 7 Pegel 10 m Querschnitte f r Geschwindigkeitsmessung Il 4 m MAME MAMA VALMIMA MEY VAIM MAI VM MMM Messbereich Auswertbereich Talfahrt I Auswertbereich Bergfahrt e 12 m 10 p Modellma e H T i f F E3 si EFI z E E3 E3 A OE ITETET ai ITITITI ErerIreT N PEPEE PE EELT Anfahr bzw Auslaufbereich Bild 3 Lageplan der geraden Versuchsstrecke mit Buhnenregelung Mit den Untersuchungen k nnen aber sehr wohl die Relationen von Sicherheitsabst nden zueinander mit hoher Genauigkeit ermittelt werden Es kann z B die Frage beantwortet werden um welches Ma die Si cherheitsabst nde zu B schungen gr er oder klei ner sind als zu Buhnen 7 Konzeption und Durchf hrung der Modellversuche 7 1 Versuchsaufbau Der Gro teil der Versuchsrandbedingungen wurde entsprechend der urspr nglichen Aufgabenstellungen im Rahmen der Vertieften Untersuchungen zum Do nauausbau auf die Verh ltnisse an der Donau zwi schen Straubing und Vilshofen abgestimmt Daraus ergaben sich die Hauptabmessungen wie Fahrrinnen breite und B schungsneigung des Modells Dar ber hi naus wurden in zahlreichen Zusatzuntersuchungen die Randbedingungen erweitert um allgemeing ltige Aus sagen treffen zu k nnen F r die Modell
111. VO bei etwa 1 30 m unter MNW und bei der hier beschriebenen Buhnenvariante bei etwa 1 90 m unter MNW Deutlich wird der Unterschied aus Bild 37 Diese zeigt f r die Variante VO einen optimierten Fahrrinnenverlauf mit ei ner nutzbaren Tiefe von 1 30 m unter MNW und f r die 42 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 IST Zustand Wassertiefe 1 30m unter MNW T nn a 1 3 a i iia EU nt Buhnenvariante Wassertiefe 1 60m unter MNW Bild 37 Trassierungsverl ufe bei zwei Modellvarianten Pe Tra hier untersuchte Buhnenvariante den Fahrrinnenver lauf f r eine Tiefe von 1 60 m unter MNW Gut erkenn bar ist die unterschiedliche Qualit t der Fahrrinnen Im Ist Zustand ist es dem Schiffsf hrer selbst mit einem erheblichen Peilaufwand nicht m glich den optimalen Weg zu finden w hrend bei der Buhnenvariante die Trasse in der Mitte des Flusses verlaufen w rde und somit ohne Probleme befahren werden k nnte In einem hydraulischen Modell mit beweglicher Soh le kann die nat rlichen Dynamik einer alluvialen Fluss sohle mit den entsprechenden Geschiebetransportvor g ngen mit guter hnlichkeit untersucht werden Damit sind detaillierte und stochastische Analysen der Wirk samkeit unterschiedlicher Stromregelungskonzepte hinsichtlich der Tiefe und Stabilit t von nautisch nutz baren Fahrrinnen m glich 6 Kopplung von hydraulischen und numerischen Modellen
112. Vorland entsprechend Naturrauheit gew hlt Durchflussanteil durch zus tzliche berh hung nicht modellierten Bereich AQ Konstante zus tzliche berh hung Rauheit im Vorland gegen ber dem Flussbett erh ht zum Ausgleich der berproportional groben konstanten zus tzlichen berh hung ber dem Vorland Durchflussanteil durch modellierten Bereich Q Vorland Variable zus tzliche berh hung Geometrie verzerrt Rauheit in Flussbett und Vorland entspre chend Naturrauheit gew hlt Bild 3 M glichkeiten der hnlichen Simulation von Durchflussverteilungen im Luftmodell unter Ber cksichtigung des Ein flusses unterschiedlicher Durchflusstiefen im Querschnitt bei ebener Modellabdeckung Ein neues Modellierungsverfahren wurde bei stark strukturierten Querschnitten z B bei Flussabschnit ten mit Gr ben Altgew ssern und stark in der H he ver nderlichem Vorland eingef hrt wenn Ma nah men sowohl im Flussschlauch als auch in den struk turierten Seitenbereichen untersucht werden sollen Dann k nnen Luftmodelle mit variabler zus tzlicher berh hung Bild 4 rechts eingesetzt werden de ren Nutzung nur mit rechentechnischer Unterst tzung m glich ist Dabei wird die Geometrie f r den Aufbau des Luftmo dells in der Weise verzerrt dass ausgehend von einer feststehenden ebenen Modellabdeckung die den Na turdurchfluss modellierende ma st bliche Modelltiefe erg nzt um die zus tzliche
113. W 1994 BAW 2001a BAW 2001c Hentschel und Witte 1999 Untersuchungsbereich Elbe Reststrecke Oder Hoherwutzen a MON r Modell nge ca 60 m ca OO rem I m I un e 2 BB l Feinkies d 0 9 mm Modellgeschiebe Grobsand Feinkies dm 1 2 mm Polystyrolgranulat dm 2 1 mm p 1 055 glem Mittelwasserabfluss 713 ms 525 ms Jahresreihe 1926 1996 Jahresreihe 1921 2002 Abflussspektrum MNG bis MHQ 1994 bis 1998 2001 bis 2008 Tabelle 1 Modelluntersuchungen der BAW Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 25 Hentschel Hydraulische Flussmodelle mit beweglicher Sohle 2 Einsatzgebiete hydraulischer Geschiebetransportmodelle In der BAW werden hydraulische Modelle von Fl ssen mit beweglicher Sohle zur Beantwortung von Frage stellungen an alluvialen Fl ssen eingesetzt Der Nut zen der hydraulischen Modelle liegt dabei in der M g lichkeit physikalische Ph nomene zu untersuchen die mit numerischen Methoden zurzeit nicht oder nicht si mulierbar sind Die Zuf lligkeiten der Sohlformen k nnen in den Modellen ermittelt und ber cksichtigt werden Die Auswirkungen unterschiedlicher Stromrege lungskonzepte auf die Sohlformen D nen Trans portk rper Kolke Querneigungen etc k nnen un tersucht werden Untersuchungen zur Stabilit t des Fahrrinnenver laufes in Abschnitten mit ber die Zeit ver nder lichem Talwegsverlauf werden durchgef hrt Bei komplexen Ver nderungen
114. W 2001 wurde ne ben dem hydraulischen Geschiebetransportmodell El km 506 4 bis 512 4 ein hydraulisch numerisches 1D Feststofftransportmodell 1D FTM El km 480 bis 536 15 Jahre Simulationszeit und ein hydraulisch nume risches 2D Modell 2D HN El km 505 bis 521 f r Hoch wasseruntersuchungen betrieben W hrend in dem 1D FTM mittlere Ver nderungen der Sohlh he berech net werden konnten handelte es sich bei dem 2D Mo dell um ein Modell ohne Feststofftransport Daraus er gaben sich folgende gegenseitige Erg nzungen und Plausibilisierungen zwischen dem hydraulischen und den numerischen Modellen Vergleich der Ergebnisse der Sohlver nderungen aus dem hydraulischen Modell mit denen des 1D FTM bernahme der Sohlver nderungen aus dem 1D FTM in das 2D HN Ber cksichtigung der im hydraulischen Modell er mittelten abflussabh ngigen Sohlrauheiten im nume rischen 2D HN Modell Ber cksichtigung der im hydraulischen Modell er mittelten ge nderten Sohlrauheit in beiden nume rischen Modellen F r das 2D HN Modell lagen f r die Hochwasserkali brierung keine ausreichenden Daten vor um die Ab flussaufteilung zwischen dem Flussschlauch und den Vorl ndern zu bestimmen Daher wurde das Modell bei einem kleinen Abfluss im Flussschlauch kalibriert Be stimmung der Sohlrauheit bei NW und f r die gr e ren Abfl sse wurden die ver nderten abflussabh n gigen Rauheiten ber einen Faktor aus den im hydrau l
115. Wellen Bestehende nd on Schleusenkamaein Bild 23 Moselstaustufe Grevenmacher M 1 50 Als Beispiel einer Str mungsuntersuchung werden die Arbeiten im OW der Mainstaustufe Schweinfurt vorge stellt Hier wird die Komplexit t der Str mungsverh lt nisse dadurch erh ht dass sich am linken Ufer ober strom der Vorhafeneinfahrt ein Auslassbauwerk befin det durch welches bis zu 70 m s in einen Nebenarm des Mains abgeleitet werden k nnen Bild 25 In Bild 26 ist exemplarisch eine Str mungsaufnah me dargestellt Als ein Ergebnis der Modelluntersu chungen wurde empfohlen bei Wasserst nden bis zum h chsten Schifffahrtswasserstand das Auslass bauwerk nicht zu ffnen 22 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Grimm et al Entwicklungsstand der physikalischen Modelluntersuchung 141 00 140 50 140 00 139 50 Aufstau in cm 139 00 138 50 1 Sektor geschlossen A r a CHEZ Z CH P VILLEN j LI ie stu Stau fe Grevenmacher f s F vo EAN Fa BE FE rer Er ALL Y F 2 A nN F n Fall alle Sektoren mesm o Normaler Wehrbetrieb n Fall in 1 Fall rechter Sektor geschlossen n 1 Fall linker Sektor geschlossen 213 800 213 600 138 00 137 50 137 00 214 000 213 400 213 200 213 000 212 800 212 600 212 400 212 200 Mosel km Bild 24 Staustufe Grevenmacher Wasserspiegellagen beim HQ
116. aaufl sung Rechnerkapazit t und Bearbeitungszeit gew hlt Die Bestimmung von Lage und H he erfolgt jeweils an den Schnittpunkten der Rasterlinien Bei einem L n genma stab von 1 100 betr gt damit bezogen auf die Natur der Datenabstand etwa 2 5 cm mal 2 5 cm d h bei einem Modell mit einer L nge von 78 m und einer mittleren Breite von 2 m werden bei einer berlappung der Messfelder gt 50 ca 400 000 Koordinatentripel aufgenommen 36 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Bild 24 Sohlh hen im Bereich eines Referenzfeldes Beton Filterstatistik ufigk 0 0 05 01 0 15 0 2 0 25 m Bild 25 Streuung der H henfehler Angaben in umgerech neten Naturh hen in der Referenzfl che aus 11 Sohlaufnahmen Beim Einsatz des Systems war zu kl ren wie reprodu zierbar die Geometrievermessungen sind und ob die Sohlstrukturen in der erforderlichen Feinheit aufgel st werden k nnen Wesentlich ist bei dem Modellbetrieb dass der Anfangszustand der Versuchsserien reprodu zierbar auf einem Sollniveau ist damit die Startbedin gungen f r jeden Versuchslauf gleich sind s Kap 4 2 Die eingeebnete Sohle wird in zeitlich regelm igen Abst nden und nach jedem Modellumbau vermessen und mit vorher aufgenommenen Sohlen verglichen 2 5 cm Modell gt 2 5 m Natur min h Bild 26 Messfehler durch Geometrierasterung Hentschel Hydraulische Flussmodelle mit be
117. ach sind die Basis f r den experi mentellen Zugang zur Modellierung ausgew hlter Parameterkombinationen sodass interessieren de Ph nomene aus der Simulation des Ganzen mit seinen oft un berschaubar zahlreichen physi kalischen Prozessen und Ph nomenen herausgearbeitet werden konnten In den ersten zwei Drit teln des zur ckliegenden Jahrhunderts erlebten die experimentellen Untersuchungen hinsichtlich ih rer Anzahl und Vielseitigkeit ihren H hepunkt Hydraulische und feststoffdynamische Aspekte kom plexe hydrotechnische Optimierungen von Bauwerksumstr mungen bis hin zu fahrdynamischen Problemstellungen und der Interaktion zwischen Schiff und Str mung wurden im Laborma stab untersucht Mannigfaltige Wirkungszusammenh nge lie en sich simulieren und einzelne Prozesse identifizieren So wurden z B die Grundlagen des Geschiebetransports durch Shields 1936 in phy sikalischen Modellen untersucht Befruchtend wirkten dabei in dieser Zeit ebenfalls zahlreiche Ver suche in Windkan len f r die Luftfahrt und die Automobilentwicklung Das mit Wasser betriebene physikalische Modell alternativ hydraulische Modell zeichnet sich insbesondere durch die hohe Anschaulichkeit aus und eignet sich daher auch hervorragend zu Lehrzwecken Mit Beginn des Computerzeitalters in den 70er Jahren des 20 Jahrhunderts wurde von Vielen das baldige Ende des physikalischen Experimentes prognostiziert Mit der rasenden Entwicklung der hydronumerisc
118. ale Aufbereitung der Bildsequenz beschreibt damit die durch die einwirkenden u eren Oberfl chenwellenbewegungen angeregten Sandbe wegungen aus den zeitlich ver nderlichen Porenwas 132 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Wenka K hler Simultane Druck und 3D Geschwindigkeitsmessungen serstr mungen w hrend der jeweils aufgezeichneten Experimentphasen die im Wesentlichen durch die von au en einwirkenden langwelligen Amplituden der Was seroberfl chenauslenkungen bewirkt wurden Der durch die Oberfl chenwellen ausgel ste Bewe gungsbeginn von Sandpartikeln an der Grenzfl che zwischen Sand und Kies wird detailliert im Bild 28 dar gestellt In diesem Diagramm wird ein Ausschnitt aus den gemessenen Zeitserien der mittleren Sandkorn geschwindigkeiten dargestellt Diese Geschwindig keiten wurden mit der oben bereits angesprochenen optischen Flussmessung errechnet die als r umlicher Mittelwert aller in der betreffenden Bildregion festge haltenen Bewegungsdetektionen angegeben werden Das Bild 28 zeigt ein sich wiederholendes Bewegungs muster hoher Geschwindigkeiten mit einer Periode von ca T 2s die mit der Periode der von au en auf die Sohle einwirkenden Oberfl chenwellen unmit telbar korrespondiert Die gemessenen mittleren Ge schwindigkeiten finden in alternierenden Richtungen statt Perioden von hohen in Str mungsrichtung po sitive Geschwindigkeiten u und niedrigen vertikal quer
119. ar beckenentleerung Option erste F llphase das Wasser flie t frontal aus drei ffnungen des Spar beckenkanals unterhalb des Drempels in die Ener gieumwandlungsanlage des Drucksegmenttores als Vorkopff lleinrichtung Wichtiger Bestandteil des Schleusenversuchsstandes ist die Schiffskraftmessanlage s auch Bild 7 Mit Hil fe dieser Anlage werden die L ngs und Querkr fte am Bug bzw nur Querkr fte am Heck eines Schiffmodells gemessen und die Einhaltung der Grenzwerte der Kraft gr e beim F ll und Entleervorgang berpr ft Au er dem l sst sich die Trimmung des Schiffes w hrend der Schleusung aufzeichnen Die beim Schleusenbe trieb auftretenden vertikalen Bewegungen des Schiffes wirken sich nicht st rend auf die Kraftmessungen aus Eine Lasermesstechnik bestimmt die Biegeverformung zweier mit dem Schiff verbundener St be als Ma f r die Krafteinwirkung w hrend des Schleusens Vor Be ginn der Schiffskraftmessungen ist deshalb die Mess einrichtung zu kalibrieren Als Schiffsmodelle stehen die Typschiffe Johann Welker L 80 00 m x B 9 50 m x T 2 50 m Bruttoschiffsgewicht 13500 KN und das Gro e Rheinschiff 110 m x 11 40 m x 2 80 m Brut toschiffsgewicht 20000 kN zur Verf gung Die zul s sigen Schiffskr fte f r die beiden hier genannten Typ schiffe basieren auf Naturuntersuchungen bzw Erfah rungswerten der BAW Danach d rfen die L ngskr f te f r das Typschiff Johann Welker umgerechnet a
120. asserbau Nr 90 2007 Faulhaber Neue Methoden der aerodynamischen Modellierung v senkr Luftmodell Mabur 18 ee nt are ge EEE m a EST RD ee F ie ela sfa cit re Pee a E z 05 RR De BER er PERLE rer nunahi D Ea 4 z Rr E 1 ee Be Bene a Ze 7 p H H H rn e ur oE E 1 E a e in F E EL 5 z E pa Tea AEE f g Fr a u 3 2202 03 222 ERENTO Fi g j i i r A F 3 3 J E ee Re dy F r an ne ee SEEE ns wage ee E E ac 50 go d00 130 140 160 160 ao 2m i z260 m0 Legende im gemilielle Geschw ndigkeiter 5 verikale Geschwindigkeitsfl che F Er 2 F de i a 1 F gt m e AT PR a a I j z a in re ES 1 gt pe t a Be gi i poe a TI j a Be as El N 1 y gt bg m gt l E ae 4 w E ie y E k 1 I I E y N Tui i J DT j r Hr nae i i ii aa b y 3 I Saa i 1 t a i T PB KA Y Bild 21 Horizontale Geschwindigkeitsverteilung bei nicht berstr mten Bauwerken HDA 6 2 3 Geschwindigkeitsmessung mit Laser Doppler Anemometrie Laser Doppler Anemometrie nutzt die Gegebenheit dass koh rente Lichtwellen die von bewegten Phasen grenzfl chen gestreut werden eine Doppler Frequenz verschiebung aufweisen und somit Geschwindigkeits informationen enthalten ALsrecHt et al 2004 Bei LDA wird der Lichtstrahl eines Lasers in zwei Teil strahlen gespalten Die beiden Teilstrahlen werden mit einer Konvexlinse fokussiert und am
121. assische stereo photogramme trische Techniken der Generierung von Oberfl chen modellen zun chst aus Durch eine Markierung der Wasseroberfl che beispielsweise mit Partikeln oder Farbstoffen kann die f r eine stereoskopische Auswer tung ben tigte Textur zwar generiert werden doch wird die damit verbundene Kontamination von Versuchsan lagen in vielen Anwendungen eine unakzeptable Be eintr chtigung darstellen Eine Alternative zur physika lischen Markierung von Wasseroberfl chen ergibt sich durch eine optische Markierung durch die Projektion von Lichtmustern Als einfachstes Verfahren hat sich hier in industriellen Messsystemen die optische Trian gulation im Laserlichtschnittverfahren etabliert Das Grundprinzip des Verfahrens beruht auf der Projekti on einer durch eine Laserdiode und eine Zylinderlinse erzeugten Laserlichtschicht auf eine Objektoberfl che Bei Verwendung einer Powell Linse wird diese ein rechteckf rmiges Intensit tsprofil aufweisen Die pro jizierte Linie wird durch eine Kamera unter einer Par allaxe aufgenommen Bild 1 Bei kontrolliertem Um gebungslicht und Ausr stung der Kamera mit einem auf die Wellenl nge des Lasers abgestimmten Interfe renzfilter wird im Bild der Kamera nur das beleuchtete Oberfl chenprofil sichtbar sein Dieses kann durch Me thoden der Bildanalyse automatisch extrahiert und ber die Kalibrierung des Gesamtsystems metrisch ausge CCD Matrix Bild 1 Grundprinzip
122. ation als ge ring einzustufen 142 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 S hngen et al Modelluntersuchungen zur Ermittlung der erforderlichen horizontalen Sicherheitsabst nde Wendet man diese Empfehlungen auf den Begeg nungsverkehr f r das Trapezprofil an ergibt sich bei glatter Sohle guter Steuerf higkeit von GMS bzw SV und schwachem Verkehr in H he der Kimmlinie eine Breite von 4 4 B entsprechend 50 2 m im T Profil und von 5 4 B 61 6 m im R Profil Diese Werte liegen in der Gr enordnung der VBD Angaben definieren so mit einen entsprechend guten Leichtigkeits und Si cherheitsstandard der aber daran sei hier nochmals erinnert f r Seeschiffe gilt die i d R deutlich schlech tere nautische Eigenschaften haben und vor allem in Bezug zur Tonnage schw cher motorisiert sind als Bin nenschiffe Im Bezug auf die hier behandelte Frage nach den erfor derlichen Sicherheitsabst nden zu Uferb schungen in Flie gew ssern soll Folgendes festgehalten werden e Der Einfluss einer L ngsstr mung ist nur bei Flie geschwindigkeiten von weniger als 0 8 m s ver nachl ssigbar F r langsame Fahrt wird bis 1 5 m s ein Zuschlag von 0 2 B gefordert Danach w re auch in Geraden bei Str mung ein Zuschlag erfor derlich e Bei T gt 0 7H wird ein allgemeiner Zuschlag von 0 2 B und abh ngig von Sohlbeschaffenheit fol gende weitere Zuschl ge gefordert 0 1 B f r eine glatte und we
123. ative Kolktiefe bezeich net Rajaratnam 1931 Die Sch tz ffnung a bestimmt die St rke des Abflussstrahls und ist damit die wesent liche Steuerungsgr e mit der die Flie geschwindig keit des Abflussstrahls beeinflusst werden kann Der Einfluss der drei Bauwerksparameter auf den Kolk prozess ist sehr unterschiedlich Die Bedeutung der Sch tz ffnung a f r den Erosionsprozess ist erheblich und muss in der weiteren Betrachtung ber cksichtigt werden Der Einfluss der Befestigungsstrecke kann insbesondere f r I lt _ vernachl ssigt werden Die nachfolgenden experimentellen Untersuchungen wur den deshalb mit lt _ durchgef hrt ebenso wurde die Absturzh he s aus den nachfolgenden Betrachtungen ausgeschlossen indem die Untersuchungen mit s 0 durchgef hrt wurden Erw hnt werden muss bei Str mungsvorg ngen hin ter dem unterstr mten Sch tz noch die Unterwasser tiefe h Hinter dem unterstr mten Sch tz treten unter schiedliche Abflussformen auf die u a durch unter schiedliche Unterwassertiefen hervorgerufen werden Whittaker Schleiss 1984 Die f r die Bauwerksbe messung maf gebenden Kolkl cher treten bei r ckge stautem Abfluss und einem an der Sohle anliegenden Abflussstrahl auf Ettmer 2004 Im Allgemeinen wird bei einer Unterwassertiefe die um ein Vielfaches gr Ber ist als die Sch tz ffnung a h a davon ausge gangen dass die Unterwassertiefe keinen Einfluss auf den Kolkprozess
124. auglich gemacht werden Diese M glichkeit ist schon mehrfach genutzt worden und ist notwen dig um den OPC Datenaustausch durchg ngig f r alle Modelldaten anzuwenden Die Einsatzgrenzen des Automatisierungssystems lie gen in der erreichbaren Zykluszeit die je nach System ausbau und Anzahl der angeschlossenen Sensoren bei gt 100 ms liegen Der konsequente Einsatz der OPC Server Client Verbindungen bietet flexible M glich keiten der Modellsteuerung In Verbindung mit Netz werkkameras ist die Fernsteuerung der Modelle eben so realisierbar wie ein Online Zugriff auf die Messdaten von anderen Softwareapplikationen 2 2 Modellzuflusssteuerung Die Modelle werden zentral von einem niveaugeregel ten Hochbeh lter ber ein Rohrsystem mit Wasser ver sorgt Die erforderliche Wasserzuflussmenge liegt im Bereich von 2 l s bis 350 l s und wird im Zuflussbereich auf mehrere Rohrleitungen und Durchflussmesssys teme verteilt eingeleitet Zum Einsatz kommen Durch flussmesssysteme in den Rohrnennweiten 100 mm 200 mm und 300 mm bestehend aus 10 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Grimm et al Entwicklungsstand der physikalischen Modelluntersuchung e Induktivem Durchflussaufnehmer Fa ABB e Messumformer Fa ABB e Elektro Stellantrieb Fa AUMA e Reglerbaugruppe Fa Siemens Automatisie rungssystem Das Installationsprinzip ist in Bild 2 dargestellt Iinduktiver Durchflussmesser
125. bei der ein Finite Elemente FE Netz auf der Grundlage von Messungen kali briert wird Diese Methode kommt im Betrieb mit einem Verfahren Beschreibung _ Voreie 2 Nachteile Mittlere Geschwin digkeit aus 1 Punkt Messung nach dem Muster wWegrg z B Mit n 6 BAW Schumacher 2006 oder ganz allgemein in 21 gRs Rohre in Abh ngigkeit von der Re Zahl 2 Vielpunkt oder Mehrpunkt Mes sung oder Akima Funktionen G ngige Methode nach Pegelvorschrift Fl chige Interpolation zwischen den Messwerten modifizierte Minimum Curvature Methode BRIGGS 1974 2 Vielpunkt Mes sung mit FD Aus gleich finite Differenzen exponentielle v Verteilung schnelle Berechnung geringer Messaufwand Interpolation mit Spline schnelle Berechnung Ber cksichtigung komplexen nur f r homogene Str mungen keine Ber cksichtigung komplexer Geometrien nur f r ideale Geo metrien wie z B Rohre prismatische Gerinne Auswertung von Lotrechten nur an den gemessenen Lotrechten daher nur bedingt f r Vergleichsmessungen geeignet o O O O O o keine Ber cksichtigung von R ck str mzonen keine Ber cksichtigung der Geo metrie zwischen den Messlotrechten keine Standards f r Luftmodellstr von rechenaufw ndiger als die anderen Geometrien Verfahren und R ckstr mzonen Weitreichende Auswerte m glichkeiten Tabelle 1 Auswer
126. beobachtbar geworden sodass die wissenschaftliche Aufarbeitung der Ergebnisse noch aussteht LWI 2005 5 3 Trassierung der Fahrrinne bei beweg lichem Flussbett Der Nutzen einer Unterhaltungs oder Ausbauvariante kann nicht immer direkt durch die ermittelten Ver nde rungen der Wasserst nde oder der mittleren Sohlh hen nachgewiesen werden In Gew ssern mit einer be weglichen Sohle muss die Ver nderung der Form und Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 41 Hentschel Hydraulische Flussmodelle mit beweglicher Sohle der Dynamik der Sohle bei der Beurteilung der Varian ten ber cksichtigt werden In der Vergangenheit stan den daf r keine standardisierten oder automatisierten Methoden zur Verf gung Neue Methoden zur Berech nung der Fahrdynamik erm glichen es jedoch poten zielle Fahrrinnenverl ufe aus den Geometriedaten zu berechnen Dabei kann durch Vergleich mehrerer Ver suche einer Serie mit gleichen Rand und Anfangs bedingungen auch die Ver nderlichkeit der Fahrrinne ber die Zeit beurteilt werden Die in der BAW entwickelte Trassierungs Software PeTra Pegelabh ngige Trassierung BAW 2001d ber cksichtigt die Flussgeometrie die Wasserst nde und Flie geschwindigkeiten sowie die nautischen As pekte der gew hlten Schiffstypen f r die Analyse Da bei wird zwischen Berg und Talfahrern unterschieden Begegnungs und berholverkehr kann ber cksichtigt werden Bild 35 zeigt
127. bereiche z B Vorlandrinnen be grenzen im Modell ggf eine gr ere Durchflussmen ge in den Seitenbereich eingeleitet wird als in der Na tur Ohne entsprechende Ber cksichtigung dieser Ein flussgr en z B Ausf hrung der Schwelle im Modell nicht nach geometrischer hnlichkeit sondern ent sprechend des erforderlichen Durchflussanteils wer den Durchflussanteile der Seitenbereiche bersch tzt Bei der Methodik der zus tzlichen berh hung ist da rauf zu achten dass die Uferr nder vom modellierten Wasserspiegel bis zur Deckplatte in der Art hoch ge zogen werden dass nur die Gel ndebereiche ber str mt werden die beim zu modellierenden Durchfluss auch in der Natur unter Wasser liegen Dazu werden die nicht berstr mten Bereiche durch Abklebungen z B mit Gummistreifen oder platten von der Str mung ausgeschlossen Bild 15 Soll bei Flussgeometrien mit recht einheitlicher Vor landgeometrie nur die hnlichkeit der Durchflussver teilung gew hrleistet werden und kann auf eine hn lichkeit der vertikalen Geschwindigkeitsverteilung ber dem Vorland verzichtet werden so wird dies mit einer Erh hung der Vorland gegen ber der Bettrauheit im Rahmen der Modellkalibrierung erreicht Bild 3c Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 49 Faulhaber Neue Methoden der aerodynamischen Modellierung Flussbett Konstante zus tzliche berh hung Rauheit in Flussbett und
128. beschreiben die Lage des Projektionszentrums O im kamerafesten Bildkoor dinatensystem sowie Abweichungen vom Idealfall der zentralperspektivischen Abbildung Dabei wird die Ka mera als r umliches System angesehen das aus der ebenen Bildfl che Film Bildsensor und dem davor angebrachten Objektiv mit dem Projektionszentrum besteht Luhmann 2003 Durch die Parameter der u eren Orientierung wird die Lage und Ausrichtung des Bildkoordinatensystems im bergeordneten Objektkoordinatensystem z B La bor oder Naturkoordinatensystem definiert Funkti onal ist die u ere Orientierung mit einer r umlichen hnlichkeitstransformation vergleichbar bei der das Startsystem ber drei Translationen und drei Rotati Die innere Orientierung beschreibt die geometrischen Ver h ltnisse der Kamera Objektiv Framegrabber Kombinati on z B optische Verzeichnung 3 Die u ere Orientierung befiniert die Position und die Win kelorientierung des Bildes relativ zu einem u eren Koor dinatensystem ber drei Positions und drei Rotationspara meter 3D PTV Ein System zur optischen Vermessung von Wasserspiegellagen onen in das Zielsystem berf hrt wird Die Parameter der inneren Orientierung und die der relativen Orientie rung der drei Kameras untereinander werden im Vor feld durch eine Systemkalibrierung bestimmt die vor jeder Aufnahmeserie durchgef hrt wird Die Parame ter der u eren Orientierung werden vo
129. besser ist als die der H hen und die Vertikalkomponenten der Geschwindig keiten im vorliegenden Fall vernachl ssigbar sind Dar ber hinaus schwanken die Geschwindigkeiten in rela tiv gr eren Spektren so dass die Schwankung alleine durch die breitere Skalierung geringer scheint Bild 8 zeigt die den Wasserspiegeln in Bild 7 zugeh rigen 2D Oberfl chengeschwindigkeiten ohne Vertikalkom ponente Die dargestellten Geschwindigkeiten reichen von kleiner 0 1 m s bis 1 1 m s in Naturwerten das ent spricht 0 02 bis 0 2 m s im Modell Farbzuordnung lt 1 1 m s Kerbe des Buhnenr ckens umgerechnet auf Natur werte Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 95 Henning et al 3D PTV Ein System zur optischen Vermessung von Wasserspiegellagen Tracerbahnlinien und Oberfl chengeschwindigkeit m nm ee un mm me n o e e a e E M I e wr Wasseroberfl che und Schnittpolygone ber den Buhnen und in Strommitte Farbzuordnung 3 00 m s 0 00 m s l abzuoinung lt 110 7 m NHN 110 0 m NHN Bild 9 Oberfl chengeschwindigkeiten und Wasserspiegel des Rheinmodells Iffezheim Flie richtung von links nach rechts 3 1 2 Rheinmodell Unterwasser Iffezheim Durch die Anwendung der 3D PTV auf das Modell eines 8 km langen Rheinabschnitts unterhalb der Stau stufe Iffezheim MdL 1 100 MdH 1 50 wurden die Ob
130. blatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 117 Ettmer Physikalische Modellierung von Kolkprozessen JOHNSTON A J 1990 Scourhole developments in shal low tailwater Journal of Hydraulic Research Vol 28 1990 No 3 341 354 KARIM O A Aui K H M 2000 Prediction of flow pat terns in local scour holes caused by turbulent water jets Journal of Hydraulic Research Vol 38 2000 No 4 279 287 Kogus H 1978 Wasserbauliches Versuchswesen Mitteilungsheft Nr 4 DVWW Deutscher Verband f r Wasserwirtschaft Arbeitsausschu Wasserbauliches versuchs und Me wesen MERTEns W 1987 ber die Deltabildung in Stau r umen Mitteilungen Leichtwei Institut f r Wasser bau der Technischen Universit t Braunschweig Heft 91 1987 MeRrTENs W 2002 Anwendung und Bedeutung der Di mensionsanalyse im experimentellen Wasserbau Ma nuskript zur Vorlesung Technische Universit t Braun schweig Leichtwei Institut f r Wasserbau MERTEns W 2003 Kap 6 Physikalische Transport modelle in ATV DVWK Arbeitsbericht ATV DVWK Ar beitsgruppe WW 2 4 Feststofftransportmodelle Fest stofftransportmodelle in Flie gew ssern M rz 2003 ISBN 3 924063 30 3 225 238 OERTEL JR H 2002 Prandtl F hrer durch die Str mungslehre Grundlagen und Ph nomene 11 berar beitete und erweiterte Auflage Vieweg Verlag Braun schweig Wiesbaden Qayoum A 1960 Die Gesetzm igkeit der Kolkbil dung hinte
131. bliche Schwierigkeiten weil die Eigen schaften des Natursedimentes zumeist nur mit erheb lichen Einschr nkungen auf ein Modellsediment ber tragen werden k nnen Insbesondere wenn in der Na tur bereits feines Sohlenmaterial vorliegt bereitet die Auswahl eines geeigneten Modellsedimentes erheb liche Schwierigkeiten da zumeist auf Kunststoffgranu late ausgewichen werden muss deren Eigenschaften Dichte Korndurchmesser Kornform deutlich von de nen der Natursedimente abweichen Zudem ist bei der Verwendung von Kunststoffgranulaten im Allgemeinen mit einem Einfluss der Z higkeit auf die hydraulisch sedimentologischen Prozesse zu rechnen sodass nicht mehr von einer voll ausgebildeten Rauhigkeits str mung um das Korn ausgegangen werden kann F r den Kolkprozess hinter dem unterstr mten Sch tz wurde ein dimensionsanalytisch hergeleiteter Ansatz aufgestellt Ziel war es die maximale Kolktiefe des Kolkprozesses ber die dimensionslosen Kennzahlen D sedimentologischer Durchmesser und die neu eingef hrte Kennzahl x kornbezogene Widerstands zahl zu erfassen Hierzu wurden am Leichtwei Insti tut f r Wasserbau LWI der Technischen Universit t Braunschweig experimentelle Untersuchungen mit na t rlichen Sohlenmaterialien und mit Kunststoffgranula ten durchgef hrt Die experimentellen Untersuchungen zeigten dass die beiden dimensionslosen Kennzahlen D und X die we sentlichen Kenngr en sind mit denen der Kolkpr
132. bmessungen und dem Drift winkel errechnet den das Fahrzeug zum Kursweg ein nehmen muss damit durch die Schr ganstr mung des Schiffsrumpfes eine Gegenkraft zur Fliehkraft aufge baut wird die das Schiff auf Kurs h lt d h aus einem deterministischen Ansatz herleiten l sst beinhalten die Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 137 S hngen et al Modelluntersuchungen zur Ermittlung der erforderlichen horizontalen Sicherheitsabst nde Sicherheitsabst nde alle brigen z T schlecht erfass baren Einflussparameter auf die erforderliche Fahrrin nenbreite Die Sicherheitsabst nde umfassen danach 1 den Querversatz der Fahrzeuge der dann auf tritt wenn ein Fahrzeug einen Drehrichtungswech sel vornimmt z B in der Geradeausfahrt deren Kursachse aus Stabilit tsgr nden i d R sinusf r mig um eine Mittellage schwingend Schl ngelfahrt verl uft 2 die notwendigen Abst nde zum Fahrrinnenrand um das Ufer oder allgemein die topografischen Merkmale an denen sich der Schiffsf hrer orien tiert erkennen zu k nnen 3 die Breiten bei berschneidung von Fahrspuren z B bei Begegnungen in engen Kan len die bei der formalen Betrachtung im Interesse der Sicher heit und Leichtigkeit au er Acht gelassen werden sie reduzieren die erforderliche Fahrrinnenbrei te negative s Werte bzw die Zusatzbreiten die erforderlich sind um den durch die Interaktion der Fahrzeuge bei Beg
133. bzw Systemgenau igkeit e Aufw ndige Auswertung e Ausschlie lich Messung von Oberfl chengeschwin digkeiten e Messwerte nur dort wo auch Tracer vorhanden sind Mit der 3D PTV steht ein hochgenaues System zur r umlichen Erfassung von Flie geschwindigkeiten und Wasserspiegeln zur Verf gung Die Notwendigkeit dessen Einsatzes ist wegen der genannten Einschr n kungen durch Vergleich mit anderen Messsystemen zu pr fen 5 Literatur Antaur A HENnTScHEL B 2002 Untersuchungen zur Wirkung verschiedener Buhnenformen auf die Lebens r ume in Buhnenfeldern der Elbe In Geller W Pun cochar P Guhr H von T mpling jun W Medek J Smrt ak J Feldmann H Uhlmann O Eds Die Elbe neue Horizonte des Flussgebietsmanagements 10 Magdeburger Gew sserschutzseminar Teubner Stuttgart Leipzig Wiesbaden pp 199 202 ATV DVWK 2003 Feststofftransportmodelle f r Flie gew sser ATV DVWK Deutsche Vereinigung f r Was serwirtschaft Abwasser und Abfall e V Hennef M rz 2003 pp 250 251 BAW 2004 FuE Projekt Schlauchwehre an Bundes wasserstra en 2 Bericht ber die physikalische Mo delluntersuchungen an Schlauchwehren BAW 2004 GopopinG HENTSCHEL KAUPPERT 2003 Videometrie im wasserbaulichen Versuchswesen In Wasserwirtschaft 4 2003 S 36 40 Grimm et al 2006 Entwicklungsstand der physika lischen Modelluntersuchung von Schleusen und Weh ren In Mitteilungsblatt der Bundesanstal
134. cheren Extrapolation abgesch tzt Der kritische Shields Wert 0 ist demnach eine Kon stante die von verschiedenen Autoren oftmals gekop pelt an die Wahl des repr sentativen bzw ma geb lichen Korndurchmessers d in Abh ngigkeit der Defi nition f r den Bewegungsbeginn teilweise recht unter schiedlich festgelegt wird Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 119 Wenka K hler Simultane Druck und 3D Geschwindigkeitsmessungen Ft CO L TEST TITT nE en 5 asg ty 33 A NSE epl g o Bernsteinsond Jy h L Brounkohle yy 187 o Granitsolit p 3 7 4 OSchwerspat J 125 Cid T x F gt spez Gewicht der Fl ssigkeit T Schleppspannu Fin H Y RSN CERAR AEE IT FHH ON IH HH WER Foche ATT TE A HAH BANS Rifein I III Jili _ _ Ausgebildets Rauhigkerts EERS niment enen TERIEN a al sK MERA NSVEELLLE NP RO gt HHPNSSSSSEBERH ERKL Sm IM EEE Ve Schleppspannungsgesehwindigkeit IF vet yr hsJ Rsd g4 GRT l aminarschichtdiche g Dichte d Mitlere Horngr e Abschlei fen D kinemafische b higkeit Bild 1 F r ungleichf rmiges Material geben Meyer Peter amp M ller 1949 beispielsweise Gl 3 Toc 0 047 Ps a pP gd mit An des Dabei ist d der mal sgebende Durchmesser der Deck schichtpartikel Nach Wilcock et al 1996 kann f r lo ckere Lagerung Gl 4 Ta 0 035 p P 9
135. chiedlichen Verschluss ff nungscharakteristiken angepasst Die Steuerung und Regelung f hrt das zentrale Automatisierungssystem durch alle ben tigten Eingabe und Ausgabewerte er folgen vom Messprogramm aus Bei Wehruntersuchungen regelt und kontrolliert das Automatisierungssystem autark das Erreichen der vorgegebenen Sollwerte f r den Modellzufluss und die Wasserst nde Auf Grund der teilweise vorhandenen hydraulischen Abh ngigkeit des Oberwasserstandes OW vom Unterwasserstand UW ergibt sich f r den OW Regler und UW Regler ein ung nstiges Verhalten der Regelstrecken Aus den Bedingungen dass der Modellzufluss und die Wasserspiegel nderung im OW mit gro er Bandbreite betrieben werden resultiert ein f r die Regelstrecken ver ndertes Laufzeitverhalten Die Optimierung der Reglerparameter allein f hrt nicht zur Stabilit t des Regelverhaltens die Regler neigen zum berschwingen oder steuern die Stellglieder in die Endlagen Dies muss aus modelltechnischer Sicht vermieden werden Zwei Strategien sind im Messpro gramm implementiert um einen station ren Wasser spiegelzustand in OW und UW zu erreichen 1 Der Modellwart hat die M glichkeit die Wasserspie gel nderungen online zu beobachten und die Stell glieder der Regelkreise durch Handbetrieb oder Au tomatikbetrieb im Messprogramm zu ver ndern 2 Das Messprogramm steuert in Abh ngigkeit von lo gischen Verkn pfungen und Bedingungen die Re gelaktivit t und die
136. chnung des Vek tors mindestens drei Tracerpartikel in zwei aufeinander folgenden Bildern abgebildet sein Ein optimaler Wert f r die Partikeldichte wird in der Literatur mit sechs Partikeln pro Interrogation Area angegeben Raffel et al 1998 Aus dieser berlegung ergeben sich f r ein Messfeld das mit einer 1024 x 1024 Pixel Kamera auf genommen wurde und in 32 x 32 Pixel gro e Interro gation Areas aufgeteilt wurde eine Mindestanzahl von 3300 gleichverteilten Partikeln in der Messebene Die Gr e der einzelnen Partikel h ngt von der Gr e des Messfeldes der zur Verf gung stehenden Kameraauf l sung und der ben tigten r umlichen Aufl sung ab Zum Erreichen gr tm glicher Genauigkeit muss ein Partikel auf mindestens vier Pixeln des Kamerachips abgebildet sein Kann dieses Kriterium nicht erreicht 80 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Weitbrecht et al Geschwindigkeitsmessungen mit Particle Image Velocitry Large Scale PIV bzw Oberfl chen PIV CCD Kamera Kamerasteuerung Sidspeicher Beleuchtung p ZN V ektorfeld PIV im Wasserk rper Lasersteuerung Kamerasteuerung Bildspeicher Plv Software PC 7 A EER A Lichtschnittoptik oo Hoo CCD Kamera TTTITTEI Bild 1 Schematische Darstellung der verschiedenen Komponenten am Beispiel eines Oberfl chen PIV bzw Large Scale PIV Systems und eines PIV Systems f r Mes
137. d 26 Minuten ohne Zugabe sodass sich eine reproduzierbare Soh le auspr gte Die Versuche wurden mindestens drei Mal wiederholt Bei der Auswertung betrachtete man die Mittelwerte der drei Versuche Insgesamt befan den sich im Geschiebekoffer ca 60 kg Sand Jeweils am Ende der Versuche wurde das Material aus dem Geschiebesammler gewogen Im Verlaufe des Versuches bildeten sich Riffel aus Bild 5 wodurch der Geschiebetransport im Modell wie in der Natur in dieser Elbestrecke als verz gerte Bewe gung in Transportk rpern ablief obwohl in der Natur die pr genden Transportk rper D nen und nicht Riffel sind hnlichkeitsprobleme siehe Kapitel 3 2 Die Sohlgeometrie wurde mit einem Laserabstands messer siehe Kapitel 6 1 vermessen Die Daten wur den qualitativ bewertet relative Sohleneintiefung oder Anlandung siehe Bild 6 aber nicht in Naturh hendif ferenzen umgerechnet Die Untersuchungen zeigten dass sich die Sohle im Nullzustand bei Hochwasser in den letzten zwei Dritteln der L nge des Geschiebekof fers eintieft Bei geschlitztem Altdeich sind die Eintie fungen geringer Wird in der Strecke der Altdeich voll st ndig entfernt kommt es am Beginn der Altdeichent fernung zu starken Eintiefungen der Sohle durch den Materialaustrag aus dem Flussbett in das Vorland In der stromab gelegenen H lfte des Geschiebekoffers f hrt die verminderte Transportkraft durch die Deich r ckverlegung zusammen mit dem ver nderten
138. d im Folgenden zun chst der Begriff Si cherheitsabst nde pr zisiert Kapitel 2 um eine ge meinsame Verst ndnisbasis zu schaffen Anschlie end wird der Einfluss des Schiffsf hrers insbeson dere dessen K nnen und Aufmerksamkeit nachfol gend kurz human factor genannt in Modell und Na tur betrachtet der die Ergebnisse ganz erheblich be einflussen kann Kapitel 3 Darauf aufbauend werden bestehende Standards und einschl gige ver ffentlich te Bemessungsans tze betrachtet um die Gr enord nung der zu erwartenden Ergebnisse und deren Vari ationsbreite einzugrenzen Kapitel 4 und 5 Anschlie Bend werden die Ziele der Untersuchungen pr zisiert Kapitel 6 und es wird im Detail auf die Durchf hrung der Modellversuche eingegangen Kapitel 7 Schlie lich werden die Ergebnisse der Untersuchungen hin sichtlich der Sicherheitsabst nde in geraden Flussab schnitten zu einer Uferb schung Kapitel 8 ausgewer tet Daraus wird ein erster Bemessungsansatz erarbei tet auf h ufig vorkommende Bemessungsf lle ange wendet und im Hinblick auf die bertragung auf abwei chende Randbedingungen und den Forschungsbedarf bewertet Kapitel 9 2 Definition der Sicherheitsabst nde Die erforderliche Fahrrinnenbreite b einer Wasser stra e setzt sich formal aus der Summe der Fahrspur breiten b und der Sicherheitsabst nde s zusammen W hrend sich die Fahrspurbreite z B bei einer Kur venfahrt aus den Schiffsa
139. dellen im Vergleich zur Naturstr mung hnlichkeit der vertikalen Geschwindigkeitsvertei lung Soll eine angen herte hnlichkeit der vertikalen Ge schwindigkeitsverteilung mit Fokus auf den Bereich des Wasserspiegels gew hrleistet werden muss bei der Modellplanung in Abh ngigkeit vom geforderten Grad der hnlichkeit ein Modellierungsverfahren ge w hlt werden dass die durch die Deckplatte einge tragene Verf lschung der vertikalen Geschwindig keitsverteilung im Modell gegen ber der Natur ausrei Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 55 Faulhaber Neue Methoden der aerodynamischen Modellierung chend kompensiert H ufig legt man die Deckplatte h her als es der ma st blichen bertragung des Was serspiegels entspr che zus tzliche berh hung um eine hnliche vertikale Geschwindigkeitsverteilung in Natur und aerodynamischem Modell zu erreichen Beschreibung in Kapitel 2 2 Beim Begriff der ber h hung sind somit die geometrische berh hung H lt L und die zus tzliche berh hung H herlegen der Deckplatte um AH zur Einhaltung einer natur hn lichen vertikalen Geschwindigkeitsverteilung zu unter scheiden Bei variabler zus tzlicher berh hung wird die zus tzliche berh hung in die geometrische ber h hung einbezogen Die hnlichkeit der vertikalen Geschwindigkeitsvertei lung in Sohln he kann durch Rauneitsvariation im Rah
140. den neuen Modellbau Techniken k nnen stark strukturierte Gel nde besser abgebildet werden ber die schnelle qualitative Variantenbewertung hinaus werden mehrere moderne Messverfahren im Routine betrieb eingesetzt mit denen im flussbaulichen Ver suchswesen bliche quantitative Auswerteverfahren angewendet werden k nnen Luftmodelle k nnen zur Untersuchung des Geschie betransports als Tracermodelle f r qualitative Untersu chungen zum Einsatz kommen wobei ein bestehen des Luftmodell mit fester Sohle auch mit beweglicher Sohle betrieben werden kann Luftmodelle k nnen die Aussagekraft eindimensionaler numerischer Model le erh hen Verbesserung der eindimensionalen Mo delle f r Teilgebiete mit komplexer Str mung und wer den ihrerseits h ufig durch eindimensionale Modelle erg nzt Detailuntersuchungen im Luftmodell Luftmo delle k nnen eingesetzt werden wenn dreidimensio nale Effekte die Str mung pr gen oder der lokale Ge schiebetransports qualitativ aufgezeigt werden soll Die M glichkeiten und Grenzen des Einsatzes der ver schiedenen derzeit einsatzbereiten aerodynamischen Modellierungsverfahren sind noch nicht umfassend un tersucht worden da sich in den letzten Jahren die Ba sis der Nutzer von Luftmodellen im wasserbaulichen Versuchswesen verkleinert hat und das Verfahren ge gen ber numerischer Modellierung f r Lehre und For schung an Attraktivit t verlor So werden aerodyna mische Bauwerksmodelle trotz
141. den sollen ter berh hung Tabelle 6 Aerodynamische Modellierungsverfahren Bei den Planungen m ssen die beiden berh hungs arten e geometrische berh hung innerhalb des model lierten Bereichs berh hung mit der die Modell geometrie aufgebaut wird e zus tzliche berh hung oberhalb des model lierten Bereichs berh hung der Modellabflusstie fe zur Simulation der vertikalen Geschwindigkeits verteilung und der Durchflussanteile gemeinsam betrachtet werden 4 2 Planung eines Luftmodells mit fester Sohle Die Aufgabenstellung bestimmt die Modellierungswei se des geplanten Luftmodells Aus den Analysen der Naturdaten und den Voruntersuchungen mit eindimen sionalen Modellen sind auftretende Probleme bekannt und erste Planungszust nde k nnen abgeleitet wer den sodass die Entscheidung hinsichtlich der wesent lichen zu untersuchenden Ph nomene und Flussab schnitte auf diesen Ergebnissen aufbaut Erforderliche Schritte zur Wahl der Modellma st be bei der Planung von aerodynamischen Modellen sind im Flussdiagramm Bild 11 zusammengefasst Vorab muss entschieden werden wie die Abbildung der ver tikalen Geschwindigkeitsverteilung erfolgen soll siehe Ermittlung der Naturrauheit np Wahldes L ngenma stabes L Wor gabe von Air Wahl der erforder lichen H hen ma stabes Hr Ermittlung der er forderlichen Mo dellrauheit n m Berechnung des erf
142. der Laserlichtschichttriangulation Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 75 Maas et al Verfahren der optischen Triangulation zur Hw Bild 2 Laserlichtschichttriangulation mit vertikaler Projektionsfl che wertet werden Die maximale r umliche Aufl sung er gibt sich durch die Anzahl der Bildspalten der Kamera Durch Mittelung ber mehrere Spalten kann eine Ge nauigkeitssteigerung erzielt werden Bei einer Objekt dimension von einem Meter sind dabei H hengenauig keiten von deutlich unter 0 1 mm m glich Eine Grundbedingung f r den Einsatz der Laserlicht schichttriangulation ist jedoch die Annahme einer dif fusen Reflektion an der Objektoberfl che Diese ist bei Wasseroberf chen nicht gegeben Vielmehr wird die Laserlichtschicht an einer ungetr bten Wasserober fl che teilweise gespiegelt und teilweise nach Snelli us gebrochen Im Folgenden wird daher eine Erweite rung der Laserlichtschichttriangulation f r den Einsatz auf spiegelnden Oberfl chen vorgestellt 2 Laserlichtschichttriangulation auf spiegelnden Oberfl chen Zur Visualisierung der spiegelnden Reflektion von der Wasseroberfl che wird das Konzept der Laserlicht schichttriangulation um eine vertikale ebene Projekti onsfl che erweitert Bild 2 Die an der Wasseroberfl che gespiegelte Laserlichtschicht wird auf die Projekti onsebene projiziert und dort durch eine senkrecht dazu angeordnete Kamera auf
143. der Messergebnisse bedeutet dass f r beide Sohlenmaterialien im hydraulischen bergangs bereich bei gleicher kornbezogener Widerstandszahl X gleiche relative Kolktiefen max t a erzeugt werden Da jedoch nur in X die Flie geschwindigkeit ber ck sichtigt wird k nnen die unterschiedlichen Flie ge schwindigkeiten f r beide Sohlenmaterialien durch die sen Parameter ausreichend erfasst werden Das korn bezogene Widerstandsverhalten ist f r beide Soh lenmaterialien dementsprechend gleich 4 2 2 Versuchsserie D 19 Eine Erweiterung des Diagramms in Bild 11 mit den Versuchsergebnissen der Versuchsserien D 19 Po Iystyrol und Grobsand 2 d 0 82 mm zeigt dass die Versuche mit D 19 in der Auftragung links der Versuchsserien mit den Sohlenmaterialien D 38 lie gen vgl Bild 12 Das Widerstandsverhalten gegen ber der angreifenden Str mung ist f r die Sohlenmate rialien mit D 19 kleiner als das Widerstandsverhal ten der Sohlenmaterialien mit D 38 durch Einf h ren der Ungleichf rmigkeit o in Bild 12 wurde zudem eine weitere Verbesserung der Ergebnisse herbeige f hrt n heres hierzu findet sich in Ettmer 2004 E Grobsand D 19 O Polystyrol D 19 100 A Acetalharz D 38 Grobsand D 38 1000 Bild 12 berlagerung der Versuchsreihen aus Quarzsand und Kunststoffgranulat Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 115 Ettmer Physikalische Mode
144. der Sohlform oder des Geschiebetransportes k nnen Grundla gendaten f r numerische Berechnungen erhoben werden nderung der mittleren Sohlh hen Ver n derungen der Raunheit etc Bild 3 Die Ver nderungen der Rauheit durch andere Sohl formen in Folge von nderungen des Stromrege lungskonzeptes werden ber cksichtigt und finden Eingang in begleitende numerische Simulationen ir i i 2 k pa a a WR fm Hydraulisches Modell F s p A 4 S 2 A A Te ie i ji fe D Ta kai L LE a N a Ei Naturpeilung fE Be T p 4 ah Won t a Zu Mr Kin Fa w ae i ki z Bild 3 hnlichkeit der Sohlgeometrie Natur Modell an einem Modell der Oder bei vergleichbarem Abfluss In einem hydraulischen Modell ist bei Beachtung der Modellgesetze die hnlichkeit der r umlichen Str mungsstruktur und damit die Ausbildung der Zwei Pha sen Str mung Wasser und Sediment weitgehend na tur hnlich Dar ber hinaus unterliegen die Str mungs vorg nge in einem hydraulischen Geschiebetransport modell trotz Einhaltung gleicher Rand und Anfangsbe dingungen einer mehr oder weniger gro en Schwan kungsbreite hnlich wie es in der Natur der Fall ist es gibt keine zwei exakt gleichen Versuchsabl ufe Die Bandbreite der m glichen Sohlh hen und formen kann somit in den hydraulischen Modellen erfasst und statistisch ausgewertet werden In den derzeit in der Anwendung befindlichen nu
145. der bestehenden Berechnungs grundlagen diskutiert wurde ist f r moderate Str mungsgeschwindigkeiten bei der Fahrt entlang eines geraden geb schten Ufers davon auszugehen dass die Fahrspurbreiten die zun chst betrachtet werden von den variierten Parametern wie Schiffsgeschwin digkeit Str mungsgeschwindigkeit Tiefgang und B schungsneigung weitgehend unabh ngig sind Dies zeigen die folgenden Grafiken auf denen das Verh lt nis der beobachteten Fahrspurbreite zur Schiffsbreite als Funktion des Verh ltnisses der Schiffsgeschwindig keit zur kritischen Schiffsgeschwindigkeit V p f r ver schiedene Tiefg nge und B schungsneigungen aufge tragen sind Danach ist f r alle Schiffsgeschwindigkeiten v von weniger als ca 90 der kritischen Schiffsgeschwin digkeit also f r eine bliche Fahrweise eingedenk der Messwertstreuung kein Einfluss der vorgenann ten Parameter erkennbar Die relativen Fahrspurbrei ten schwanken allerdings zwischen dem 1 2 und 1 5 Verdr nger k nnen mit wenigen Ausnahmen maximal mit Va fahren Bei v wechselt das Umstr mungsfeld des Schiffes vom str menden in den schie enden Abflusszu stand bei dem der Absunk und damit Ansaugeffekte zum Ufer stark ansteigen F r Fahrten in der N he von v M SS ten somit gr ere Sicherheitsabst nde angesetzt werden 146 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 S hngen et al Modelluntersuchungen zur Ermittlung d
146. der hydraulisch sedimentologischen Interaktionen im Kolkloch beschrieben werden k nnen Im Kolkloch liegen ausgepr gt instation r ungleichf r mige Flie verh ltnisse vor Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 107 Ettmer Physikalische Modellierung von Kolkprozessen Die Sohlenschubspannungsgeschwindigkeit v_ mit v t p g R 1 die in der Feststoff Froude Zahl Fr mit Fr v _ p g d und der Feststoff Rey nolds Zahl Re mit Re v_ d v enthalten ist ist unter diesen Randbedingungen ein ungeeigneter hy draulischer Parameter Mit der Wassertiefe h bzw dem hydr Radius R und dem Gef lle sind in v_ zwei Gr Ren enthalten die zwar bei station r gleichf rmiger Ge rinnestr mung einfach zu bestimmen sind f r den lo kalen Kolkprozess unter instation r ungleichf rmigen Randbedingungen jedoch nicht zu ermitteln sind Mit v_ liegt eine Gr e vor die zur Beschreibung des Auskolkungsvorgangs wenig geeignet ist Vielmehr l sst sich der lokale Str mungsangriff direkter durch die Flie geschwindigkeit v beschreiben Dietz 1969 Zanke 1978 und Rajaratnam 1981 Anstelle der Feststoff Froude Zahl Fr wird dabei die kornbezo gene Froude Zahl Fr eingef hrt wobei Fr proportio nal zur Relation von Str mungsangriff des Korns und der widerstehenden Kraft des Unterwassergewichts des Korns ist Er Y pv pv d de gda Pr p gd Ps p gd 1 Er Str mun
147. desheim Das PC Programm ist so Bild 6 Programm Hydraulische Schleusenberechnung aufgebaut dass unter Einbeziehung der Antriebsgeo Sch tzbewegungen bei Kammerf llung metrie auch eine nichtlineare ffnungscharakteristik Sch tzfahrplan von Segmenttoren bzw Segmentsch tzen realistisch ber cksichtigt werden kann Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 13 Grimm et al Entwicklungsstand der physikalischen Modelluntersuchung Korrespondierende Schiffskr fte k nnen mit diesem Programm nicht berechnet werden Der Analogie schluss von einem in seinen Details im hydraulischen Modell untersuchten F E System auf ein vergleichbar anderes l sst aber die Folgerung zu dass bei hn lichem Anstieg des Kammerwasserspiegels und glei cher Fl che der Schleusenkammern auch die Kr fte auf zu schleusende Schiffe in Gr e und Verlauf an n hernd gleich sein m ssen Ob eine solche Absch t zung gen gt ist im konkreten Fall zu entscheiden Der hydraulische oder auch physikalische Modellver such dient der zeitlichen Optimierung der F ll und Ent leerprozesse unter Ber cksichtigung zul ssiger L ngs und Querkr fte Schiffskr fte auf das zu schleusen de Schiff Dies geschieht anhand der Entwicklung von Sch tzfahrpl nen nderung der F llquerschnitte und ggf durch den Einbau von Einrichtungen zur Ener gieumwandlung des F llstroms im Bereich des Ober hauptes Obwohl die numerische Modellie
148. die PIV Messungen Kamera sehr gut mit den LDV Messungen bereinstimmen Im A Bereich der ungest rten Au enstr mung bei y h 20 in der die Turbulenz durch kleinskaligere Wirbel domi Zn niert ist wird dagegen die Turbulenzintensit t durch die TF h P PIV Messungen untersch tzt Die gr ten Wirbel ent i sprechen in diesem Bereich ungef hr der Wassertiefe Draufsicht die mit 4 6 cm im unteren Bereich des Aufl sungsver m gens des hier eingesetzten PIV Systems liegen Lichtquelle Seitenansicht Flv Messfenster Zur weiteren Charakterisierung der Str mung wurde in Bild 8 die Wirbelst rke der Str mung dargestellt die Aufschluss ber die vorhandenen Str mungs strukturen in der Grenzschicht zwischen Buhnenfeld und Hauptstrom gibt Wie bereits erw hnt ist dieser Bereich durch gro e horizontale Wirbelstrukturen ge kennzeichnet die mittels der PIV Messungen visuali siert und quantifiziert werden und in diesem Fall zur In Lichtquelle terpretation des Massenaustauschs zwischen Buhnen im 7 feld und Hauptstrom herangezogen werden Bild 9 Seitenansicht und Draufsicht des Flachwasser beckens mit Darstellung der Kameraanordnung sowie der Zylinderreihe adaptiert von Rummel et al 2005 4 m m a a aha al a a m a a Be er Bi a a a a En a ee agn A nn A mn M ee Te en Fe Er ee Me NEE E a m gr ee E Ek N e a a a i D 120 mm E e ee AATE
149. durchmesser abgeleitet werden kann Be dingung 1 und 2 leiten sich auch aus den Bedingungen Fr 1und Re 1 ab Die Skalierung soll nachfolgend nochmals anschaulich anhand eines Beispiels aufgezeigt werden Als Modellma stab wird 1 20 festgelegt Erfasst wer den soll die maximale Kolktiefe im Unterwasser einer Wehranlage Breite b 10 m Als Regulierungsein richtung liegt ein scharfkantiges Plansch tz vor Sch tz ffnung a 0 70 m der ma gebende Abfluss betr gt bei h 6 5m h 5 0m Q 25 3 m s die berech nete Flief geschwindigkeit in der Sch tz ffnung be tr gt v 3 61 m s Sohlenmaterial Sand d 1 2 mm p 2650 kg m Schritt 1 Auswahl eines Kunststoffgranulates Ausgew hlt wird das Kunststoffgranulat Polystyrol mit einer relativen Dichte p 0 04 Schritt 2 Berechnung des erforderlichen Korndurch messers mit Bedingung 1 u g 113 5 12 _ 41 d 4 15mm 0 04 d Bd pd 1 3 Tag Die Relation der Korndurchmesser betr gt d 1 20 029 4 15 Mit der Festlegung des Modellsedimentes kann die Re lation der Flie geschwindigkeiten v mit Bedingung 2 festgelegt werden v d gt Wet gt v 3 45V v 29 Die Flie geschwindigkeit in der Natur ist also 3 45 mal so gro wie im physikalischen Modell Bei einer Flie geschwindigkeit von v 3 61 m s errechnet sich die Flie geschwindigkeit i im Modell zu v 1 05 mis a M Der physikalische Modellvers
150. e rungen durchgef hrt In engem Zusammenhang damit steht der n chste Punkt Hohe Geschwindigkeiten bei kleinen Korndurch messern In alluvialen Gew ssern mit Korngr en um 1 mm oder kleiner kommt es bereits bei mittleren Hochwas serereignissen zu Flie geschwindigkeiten im Fluss schlauch bei denen die Turbulenzen so gro werden dass wesentliche Teile des Geschiebes nicht mehr an der Sohle sondern in der flie enden Welle transportiert werden Es gibt dann keine klar definierte Sohle mehr Dieser Zustand ist in der Natur messtechnisch kaum zu fassen und wurde in den von der BAW betriebenen hydraulischen Modellen nicht nachgebildet das Unter suchungsspektrum endete bei mittleren Hochwasser ereignissen Bild 6 zeigt beispielhaft f r einen Unter suchungsabschnitt der Oder den abflussabh ngigen bergang von Geschiebe zu Schwebstoff in der Natur Bei einem mittleren Korndurchmesser von 0 9 mm wird mit der verwendeten berschlagsgleichung nach Kres ser Dorer 1984 bei etwa 1 75 m s Q 1800 m s die Grenzgeschwindigkeit berschritten Das Untersu chungsspektrum wurde aus diesem Grund auf mittlere Geschwindigkeitenbismaximal 1 5 m s Q 1100 m s beschr nkt 3 3000 Ovrm Bezlehung bei Ord km 551 60 Oder bergang Geschlebe Schweb bei etwa 1 75 mis Lokal berschritten ab etwa 1800 m s Pa 4 3 Grenzkorndurchmesser d Geschiebe Schweb mm Abfluss m s 0 0 8 1 1 5 2 2 5 3 Mittlere Geschwindigkeit
151. e ADCPs in der Hydro metrie M glichkeiten und Perspektiven einer innova tiven Technik 28 29 Sept 2005 in Koblenz In Fo rum f r Hydrologie und Wasserbewirtschaftung Hen nef S 159 172 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 105 Hentschel Ein Finite Differenzen Verfahren zur Str mungsanalyse 106 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Physikalische Modellierung von Kolkprozessen DR InG BERND ETTMER LEICHTWEISS INSTITUT F R WASSERBAU LWI TECHNISCHE UNIVERSIT T BRAUNSCHWEIG 1 Einf hrung Die physikalische Modellierung eines hydraulisch sedi mentologischen Transportprozesses beinhaltet nach wie vor zahlreiche Schwierigkeiten W hrend die ber tragung der Str mungseigenschaften f r physikalische Modelle mit fester Sohle und freier Wasserspiegellage zumeist ausreichend nach dem Froude schen hnlich keitskriterium Fr Fr erfolgen kann muss bei hy draulisch sedimentologischen Modellen zudem eine bertragung der sedimentologischen Vorg nge erfol gen Ziel dabei ist es die au erordentlich komplexen Str mungs und Transportprozesse einer Zweiphasenstr mung so zu erfassen dass die im Modell gewonnenen Ergebnisse auf die Naturverh ltnisse bertragen wer den k nnen u a Yalin 1959 71 G nzel 1964 Breu sers 1966 Dietz 1969 Westrich Kobus 1976 Ko bus 1978 Dorer 1984 Mertens 1987 2003 Dietz 1994 Insbesondere
152. e von Strom linien Zus tzlich zu den mittleren Geschwindigkeiten lassen sich aus den ermittelten PIV Daten Informationen hin sichtlich der Turbulenzeigenschaften der Str mung er mitteln In Bild 7 sind die transversalen mittleren Ge schwindigkeitsfluktuationen als Standardabweichung der zeitlichen Geschwindigkeits nderungen v in y Richtung normiert mit der Schubspannungsgeschwin digkeit u aus den PIV Messungen im Vergleich mit Laser Doppler Anemometrie LDA Messungen darge stellt Die Schubspannungsgeschwindigkeit wurde in diesem Fall ber u g h I mit der Erdbeschleuni gung g 9 81 m s der Wassertiefe h 0 046 m und der Wasserspiegelneigung 0 032 zu 0 021 m s bestimmt Im Hinblick auf die M glichkeiten des PIV Systems l sst sich dabei sagen dass im Bereich der Mischungsschicht zwischen Hauptstrom und Stillwas serzone die durch gro r umige horizontale Wirbel v u Bild 7 Darstellung der Transversalkomponente der mitt leren Geschwindigkeitsfluktuationen v aus PIV und LDV Messungen normiert mit der Schubspan nungsgeschwindigkeit u entlang drei verschiedener Querprofile im Buhnenfeld bei x 0 25 L 0 5 L und 0 75 L wobei L die L nge des Buhnenfeldes in Hauptstr mungsrichtung bezeichnet 84 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Weitbrecht et al Geschwindigkeitsmessungen mit Particle Image Velocitry strukturen dominiert ist s Bild 8
153. effiziente Anwendung von physikalischen Modellen gerade auch im Zusammenwirken mit mathematischen Methoden f rdert Denn nach wie vor gilt nach Leonardo da Vinci Wenn Du Dich mit Wasser befasst dann mache erst einmal Experimente bevor Du Dein Urteil ab gibst Dr Ing Christoph Heinzelmann Direktor und Professor der Bundesanstalt f r Wasserbau Entwicklungsstand der physikalischen Modelluntersuchung von Schleusen und Wehren DiPL ING EBERHARD GRIMM DiPL ING BERNHARD KEMNITZ HEINZ SEITER DiPL ING FH J RGEN SENGSTOCK DiPL InG FH AxEL VOIGT BUNDESANSTALT F R WASSERBAU KARLSRUHE 1 Einleitung Schleusen und Wehre sind hydraulisch bedeutsame Bauwerke in und an den Wasserstra en da sie durch str mt werden und mit Verschlussorganen zur Durch flusssteuerung ausgestattet sind Diese Wasserbau werke werden f r eine Nutzungsdauer von 80 bis 100 Jahren gebaut und erfordern hohe Gestehungskosten zus tzlich fallen Kosten f r Betrieb Unterhaltung und Instandsetzung an Bei der Konzipierung neuer Wasserbauwerke sind ins besondere bei Wehren und Schleusen Aspekte der u eren Sicherheit zu ber cksichtigen Wehre m s sen ber ein ausreichendes Abfuhrverm gen verf gen um auch im St rfall n 1 Bedingung ein Hoch wasser ohne zus tzliche Beeintr chtigung der Oberlie ger ableiten zu k nnen Bei Schleusen stehen die Si cherheit und Leichtigkeit des Schiffsverkehrs w hrend der Schleusung so
154. egnung zwischen zwei Schubverb nden ge fahren vgl Bild 5 Die Auswertung erfolgte f r den Raumbedarf und die Abst nde zum Ufer Die Raumbedarfswerte f r die Auswertung der VBD und BAW sowie f r den Modell versuch der VAO sind in Tabelle 1 angegeben Die Varianten bzw Standardabweichungen sind nach der statistischen Analyse alle aus einer gemeinsamen Grundmenge und die Abweichungen sind zuf lliger Art Begegnung Begegnung Begegnung SV SV oder SVI IGMS SV SV oder SV SV SV GMS VBD Natur Tabelle 1 Raumbedarfswerte aus Modell und Naturmessungen f r das Standard T Profil Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 145 S hngen et al Modelluntersuchungen zur Ermittlung der erforderlichen horizontalen Sicherheitsabst nde Die Mittelwerte entstammen f r den Vergleich der Be gegnung Schubverband mit Schubverband ebenfalls derselben Grundgesamtheit Bei der Zusammenlegung der beiden Begegnungsarten um die Anzahl der Ver suchsfahrten und somit die Aussagesicherheit zu erh hen zeigen sich auch die Versuche der VAO und VBD sowie VAO und BAW aus derselben Grundgesamtheit Die Abweichungen zwischen den Werten der VBD und der BAW sind auf Grund unterschiedlicher Messverfah ren entstanden Insgesamt l sst sich zusammenfassen dass die Raumbedarfswerte der Begegnung im Ma stab 1 25 naturgetreu nachgebildet werden Eine Korrektur der Modelldaten bei der Umrechung in Naturwerte
155. egnungen oder berholvorg n gen geweckten Kr ften entgegen zu wirken 4 die Zusatzbreiten zur Beherrschung von Ansaug effekten zum Ufer die durch die Beschleunigung des Schiffsumstr mungsfeldes im engen Raum zwi schen Schiff und Ufer insbesondere bedingt durch den Propellersog und die zugeh rigen Wasserspie gelabsenkungen entstehen und die zu einem vom Ufer weg weisenden zus tzlichen Driftwinkel f h ren 5 im Gegensatz dazu die Zusatzbreiten zur Kompen sation von Absto kr ften am Bug die bei Ann herung des Bugs zum Ufer bei bestimmten Bug formen durch Bugwellenbildung Aufstauen des Wassers entstehen k nnen 6 die Zusatzbreiten durch Driftwinkel die notwendig werden um gegen station re Querstr mungen vorzuhalten z B im Bereich von Buhnen 7 die Zusatzbreiten durch Driften gegen den Wind wenn sie nicht direkt in der Fahrspurbreite ber ck sichtigt werden 8 die bei kleinen Fahrwasserquerschnitten ggf erforderlichen gr eren Breiten wenn die Quer a Da der Schub hinter dem Schwerpunkt wirkt hat das Fahr zeug die Tendenz z B bei einer geringen ungewollten Schr glage zur Kursache seitlich auszubrechen Dies zwingt zu dauernden Kurskorrekturen mit wechselnden Drehrichtungen Beispielsweise kann der Schiffsf hrer eines leeren Fahr zeugs die Wasserlinie eines Spundwandufers z T nicht einsehen was ihn zu gr eren Uferabst nden zwingt 3 Die Sicherheitsabst nde sind somit von d
156. ehnen Bild 5 Bild 5 Versuchsgerinne mit Wellengenerator Der Durchfluss wird ber einen magnetischen induk tiven Str mungsmesser in der Rohrzuleitung ermittelt Das Wasserniveau wird durch eine externe Ultraschall pr fspitze mit hydraulischem Kontakt zum Gerinne ge messen Die Flie bedingungen k nnen im Rahmen des Untersuchungsspektrums beliebig ber einen au tomatisierten Absperrschieber am Einlauf und das be wegliche Wehr am Auslauf der Versuchsrinne einge stellt werden Durch transparente Seitenw nde aus Plexiglas die im Messbereich ber einer L nge von 4 m eingesetzt wur den ist ein optischer Zugang zum Gerinne f r die fol genden Messeinrichtungen gegeben e Ein Stereokameraset f r die Untersuchung der Str mung unmittelbar oberhalb der Kiesschicht mittels 3D Particle Tracking Velocimetry 3D PTV e drei endoskopische Stereosets zur Aufnahme der Str mung durch den Kies anhand der speziell daf r pr parierten k nstlichen Kiesporen 3D PTV e drei steife Endoskope Periskope zur Beobachtung der Str mung an der Sand Kies Grenze e bis zu 10 miniaturisierte Druck Sensoren von de nen drei an den k nstlichen Kiesporen angebracht wurden um die 3D PTV zu begleiten Weiterhin wurden 3 30 m unterstrom des Messbe reiches Geschwindigkeiten mit einem 1D Acoustic Doppler Current Profiler ADCP aufgenommen mess technisch bedingt jedoch nicht simultan zu den ande ren Systemen Die Me
157. eigte Folgendes Die Versuchsreihen f r einen Mittelkies D 158 von Altinbilek Basmaci stimmten in der Auftragung mit den Daten der Versuchsserie D 139 von Qayoum ber ein Sie bestimmten damit etwa die Trennlinie zwischen dem hydraulischen bergangsbereich zum hydraulisch rauen Bereich Dies wurde zudem durch die Daten von Straube 1963 best tigt Straube f hrte u a Untersu chungen mit einem Mittelkies D 260 durch Die Er gebnisse seiner Untersuchungen liegen in der dimen sionslosen Auftragung max t a f D X wiederum auf der Grenze zwischen dem hydraulischen Uber E RAJARATNAM 1981 D 54 Luft Sand ORAJARATNAM 1981 D 46 Luft Polystyrene X STRAUBE 1963 D 280 b 19 1 10 Xa 100 1000 Bild 14 Erweiterung der Messergebnisse mit Daten von Rajaratnam Altinbilek Basmaci und Straube gangsbereich und dem hydraulisch rauen Bereich bei etwa D 150 F r kleine X wird demnach der hydraulisch glatte Be reich abgebildet f r den keine Kolkdaten verf gbar waren Mit gr er werdendem x schlie t sich der hydraulische bergangsbereich an der in etwa bei D 150 endet An den hydraulischen bergangsbe reich schlie t sich f r weiter steigende X_ der hydrau lisch raue Bereich an Wie oben beschrieben sind die Ergebnisse von Qayoum D 139 Altinbilek Basma ci D 158 und Straube D 260 ann hernd de ckungsgleich Unabh ngig vom sedimentologischen Durchmes
158. ein K rper in die Str mung hinein der diese beeinflusst Der Spiegel ist an die Durchf hrungs ffnungen in der Deckplatte gebunden und die Messmethode des Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 69 Faulhaber Neue Methoden der aerodynamischen Modellierung halb nicht an beliebig wechselnden Messorten ein setzbar e Der Laser muss zur Sichtbarmachung der sehr klei nen Teilchen mit gro er Energie betrieben werden da f r die im Luftmodell erforderliche Strahlumlen kung und umformung ca 70 der Laserenergie ben tigt werden Die Oberfl che des in der Str mung befindlichen Umlenkspiegels verschmutzt sehr leicht e Es k nnen derzeit nur Bildausschnitte von maxi mal 8 x 10 cm gemessen werden was haupts ch lich der geringen Teilchengr e in Zusammenhang mit Bildaufl sung und Laserleistung geschuldet ist Bei Modellma st ben im Luftmodell bei der Unter suchung von kleinr umigen Strukturen zwischen 1 200 und 1 500 ergeben sich Ausschnitte in der Na tur von 16 x 20 m bis maximal 40 x 50 m Um gr e re Bereiche aufmessen zu k nnen m ssten mehre re Bildausschnitte zusammengefasst werden was mit langen Mess und Auswertezeiten und gro en Datenmengen verbunden ist Verzerrungen am Bildrand m ssen bei der Auswertung ber cksichtigt werden e Durch die Notwendigkeit der praxisrelevanten Un tersuchung im Nahfeld von Buhnen z B Scherzo ne zwischen Haupt und Buhnenfeldstr mung
159. einhaltet neben den sedimento logischen Kenngr en p und d die Kenngr en des Fluids Dichte p und kinematische Z higkeit v sowie die Erdbeschleunigung g D kann dementsprechend auch als materialspezifische Kennzahl bezeichnet werden v2 _ _Re _ 2 _p gd e9 D u ch _ K3 d 5 Fr va v E u 6 p g den Durch eine weitere dimensionsanalytische Umformung Re Fr wird zudem die neue dimensionslose Kenn zahl X die nachfolgend als kornbezogene Wider standszahl bezeichnet wird eingef hrt Ziel ist es in X alle ma geblichen Gr en einzubringen mit denen die hydraulisch sedimentologische Interaktion erfasst wer den kann na 0 x 6 Re Fr i X enth lt die Materialeigenschaften des Sediments charakteristischer Korndurchmesser d und Feststoff dichte p die Materialeigenschaften des Fluids kine matische Viskosit t v und Dichte p sowie die Erdbe schleunigung g und die Flie geschwindigkeit v V dan x Re _V _ _ P Idin T i Fr y Vvv Pgd Die physikalische Bedeutung von x wird deutlich wenn der Bruch mit d und p erweitert wird 3 Pgd egdi _ P P gd ah ve VV vd H vd 8 Xo UW Gewicht des Sedimentkorns i Z higkeitskraft X_ ist proportional zum Unterwassergewicht des Sedi mentkorns und einer z higkeitsbehafteten Tr gheits kraft Beide Gr en sind in den Kr fteverh ltnissen der kornbezogenen Froude Zahl Fr und der kornbe zogenen Reyno
160. eitelhaltung das Ver E E lustwasser nicht nat rlich durch einen ausreichenden F ni Zufluss ersetzt werden sind Sparbecken zweckm ig x u aber ein Pumpwerk unumg nglich 15 30 10 20 Ist die Wahl auf eines der zuvor genannten F llsys 10 teme gefallen so besteht auf der Grundlage konven E E T R S E tioneller Berechnungsans tze die M glichkeit be zant vor mit Modelluntersuchungen f r einen Schleusen Bild 5 Programm Hydraulische Schleusenberechnung entwurf begonnen wird eine Vordimensionierung des Anstieg des Kammerwasserspiegels und Entwick hydraulischen Systems mit Hilfe des PC Programms lung des Zuflusses ber die Kammerf llzeit Hydraulische Schleusenberechnung welches in der BAW erstellt wurde vorzunehmen Dabei wird auf Ab messungen von Verschl ssen und Kan len bestehen Neue Schleuse Bolzum Charakteristik der Sch tzbewegungen der Bauwerke zur ckgegriffen bzw der Gesamtstr mungsverlustbeiwert f r das neue Bauwerk im Analo gieschluss abgesch tzt Hierbei ist die Bauwerksda tenbank der BAW bzw die Wasserstra en Datenbank WADABA der WSV von Nutzen da mit diesen Da tenbanken Referenzobjekte mit den f r eine Vordimen sionierung relevanten Daten schnell ausfindig zu ma chen sind Das Ergebnis einer solchen Vorbemessung zeigen die O 60 120 180 240 300 30 420 480 540 600 MED 720 780 840 900 960 Bilder 4 bis 6 am Beispiel der neuen Schleuse Bolzum iii im Stichkanal Hil
161. eitma stab Froude Gesetz I fh F Hydrolagischer Zeitma stab nach Dorer 1984 I J L sedimentologische Zeitma st be Lo Zeitma stab f r den Feststoff Volumentransport nach Dorer 1984 fs PE d Zeitma stab f r die Entwicklung von D nen nach Yalin 1975 Erg h Nach dem hydraulischen Zeitma stab findet die Bewe gung des Fluides statt Ma stab f r die Flie geschwin digkeit Erist nach dem Froudeschen Modellgesetz di rekt zu berechnen und liegt in der Regel zwischen 1 5 und 1 10 Der hydrologische Zeitma stab ist relevant f r den Ablauf von instation ren Str mungsvorg ngen z B Hochwasserwellen Er bestimmt zum Beispiel mit welcher Geschwindigkeit sich Vorland und Retenti onsbereiche bei steigendem Abfluss f llen Nach der oben genannten Gleichung von Dorer ergibt sich b Hentschel Hydraulische Flussmodelle mit beweglicher Sohle licherweise ein hydrologischer Zeitma stab zwischen 1 7 und 1 20 Bei Modellen mit fester Sohle bei de nen der Ablauf instation rer Vorg nge exakt nachgebil det werden soll ist darauf zu achten dass der hydrau lische und der hydrologische Zeitma stab m glichst nahe bei einander liegen Das ist bei Modellen mit ei ner beweglichen Sohle oft nicht erreichbar s unten Die sedimentologischen Zeitma st be kennzeich nen die Verh ltnisse der Geschwindigkeiten des Ge schiebetransportes Hierbei muss unterschieden wer den zwischen dem Geschieb
162. ektrischen Stromst rke konstant gehalten wodurch sich als Messgr e die elektrische Spannung ndert Die Abh ngigkeit der Spannungs nderung von der Str mungsgeschwindigkeit wird mit einer Kalibrierung im Freistrahl ermittelt BRuun 1995 Man unterscheidet Ein oder Zweidraht Sonden Ein draht Sonden werden in Flussbereichen eingesetzt in denen die Str mungsrichtung ber die Zeit und die Messlotrechte konstant ist Die Str mungsrichtung wird vor der Messung mit Tracern oder Fadensonden bestimmt ein Winkel zum Profil je Messlotrechte Die Geschwindigkeit wird in dieser Str mungsrichtung ge messen ber den gemessenen Winkel k nnen die Komponenten senkrecht und parallel zum Querprofil ermittelt werden Mit Hilfe von Zweidraht Sonden lassen sich die Rich tungskomponenten v und v in der Str mungsebene mit Hilfe zweier bereinander angeordneter Dr hte be stimmen Bei vorheriger Kalibrierung kann ein Str mungssektor von ca 40 erfasst werden Bei Zwei draht Sonden ist das Messvolumen deutlich gr er als bei Eindraht Sonden angestr mte Messfl che Ein draht Sonde 0 004 mm Zweidraht Sonde 0 9 mm Als Beispiel f r die Anwendung der Hitzdraht Ane mometrie werden exemplarisch Messergebnisse des Odermodells bei Reitwein Kietz vorgestellt Die Modell messergebnisse sind mit Hilfe der Ma stabszahlen auf Naturverh ltnisse umgerechnet Die Auswertungen der Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau
163. en Das EuLer Kriterium lautet Eu Tr gheitsreaktion _ V ER 3 Druckkraft J2 Aplp F r die praktische Modellplanung werden folgende Be ziehungen genutzt die letztendlich aus dem EuLeRr Kri terium abgeleitet sind Aus der Bedingung Eu const l sst sich durch Umfor mung mit Ap I p g L und v n I 2 r 2 die hnlich keitsbedingung fy En 2L 4 siehe Bild 7 bzw mit E A ips ti e 8 Tw 5 das hnlichkeitskriterium f l hy 4 6 Ermi 6 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 53 Faulhaber Neue Methoden der aerodynamischen Modellierung hy Tor Tr E Ma stab hyd Radius L ngen Ma stab r HT o Nr Ma stab n Wert 3 5 Ma stab n Wert 3 0 Ma stab n Wert 2 5 Ma stab n Wert 2 4 Ma stab n Wert 2 2 Ma stab n Wert 2 0 Ma stab n Wert 1 8 Ma stab n Wert 1 7 Ma stab n Wert 1 5 L ZT hy soo 1000 1100 1200 1300 en Do E Grenze f r Modell berh hung L r hy Bild 7 Ma stabsbeziehungen bei Luftmodellen f r bliche geometrische und Rauheitsma st be entwickeln welches f r Modelle ohne geometrische berh hung L r H die Beziehung Lr ne ergibt siehe Bild 8 7 Mit Hilfe von Gleichung 4 l sst sich auf der Grundlage eines gew hlten L ngenma stabes und der Rauheits verh ltnisse in Natur und geplantem Modell der erfor derliche H henma stab er
164. en bergangsbereich die bertragung der Natursohle ein Modellmaterial erfordert das eine geringere spezifische Dichte aufweist Die Verwendung von nat rlichem Sohlenmateri al in Natur und Modell schlie t sich deshalb unter den obigen Bedingungen aus D h um die Einfl sse der Z higkeit auf die hydrau lisch sedimentologische Interaktion im physikalischen Modell erfassen zu k nnen ist ein spezifisch leichteres 114 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Sohlenmaterial erforderlich Bei der Verwendung von nat rlichen Sohlenmaterialien p 2650 kg m in Na tur und Modell k nnen die Effekte die aus der Z hig keit resultieren nicht erfasst werden und verf lschen letztlich die Ergebnisse Im Folgenden wird deshalb die Bedeutung der kornbe zogenen Widerstandszahl X n her erl utert 4 2 Bedeutung von X Um die Bedeutung der kornbezogenen Widerstands zahl X_ hinreichend erfassen zu k nnen standen wei tere 42 Einzelversuche zur Verf gung und zudem zahl reiche Literaturdaten Insgesamt lagen rd 300 Ergeb nisse aus Kolkuntersuchungen im Unterwasser einer Wehranlage vor Ettmer 2004 4 2 1 Versuchsserie D 38 Eine Auswertung der Untersuchungen mit dem Grob sand d 1 58 mm und dem Acetalharz d 2 6 mm in einer Auftragung max t a gegen X zeigt Bild 11 Wie aus dem ersten Teil der Untersuchungen zu erwarten war zeigt sich dass die Ergebnisse f r die beiden Soh lenma
165. en r umlich lateral und zeitlich ge mittelten Profile u U bzw rms u U f r die r umlich und zeitlich gemittelten Geschwindigkeiten U 0 31 0 91 mis Die Ergebnisse zeigen dass sich f r die Au enstr mung erg nzende Aussagem glichkeiten zu mittleren eindimensionalen Str mungs und Turbulenzgr en bieten Unterhalb der berdeckung von einem Korn 3 ul log Profil GI 4 1 WU Coles Gl4 2 e UVU 2 38 Nezu GI 4 3 i A i JA p ss0ssunn nn ni A02 Add yld 1 D 2 4 5 B 10 12 14 18 wU rms u U Geschwindigkeits und Fluktuationsprofile in Abh ngig keit von y d_ f r die Versuche AOT bis A10 in i qui distanter und ii semilogarithmischer Form Bild 6 durchmesser bei y lt d wird der Impulsaustausch zwischen der Au enstr mung und der Porenstr mung jedoch nicht mehr befriedigend beschrieben 3D PTV Um r umliche Bildsequenzen der freien Str mung zu messen wurden beiderseits der Rinnenwandung je weils eine CCD Kamera Pulnix TM 6701 AN montiert Beobachtungs oo volumen Fl ssig keits prisma Kamera Kamera Bild 7 3D PTV Messeinrichtung f r die freie Str mung Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 123 Wenka K hler Simultane Druck und 3D Geschwindigkeitsmessungen und durch Fl ssigkeitsprismen stromaufw rts zur Bild aufnahme in der Str mungsachse ausg
166. en Prozesses entsprechende Erfah rung voraus und die im Modell gewonnenen Ergeb nisse sind h ufig auf qualitative Aussagen beschr nkt wie beispielsweise bei der Prognose von Kolkprozes sen im Unterwasser von Wehranlagen vgl Bild 1 Um die Interaktionen zwischen der Hydraulik und dem Se diment besser verstehen zu k nnen wurden am Leicht wei Institut f r Wasserbau LWI Grundlagenuntersu chungen zu Kolkprozessen mit verschiedenen Sohlen materialien u a mit Kunststoffgranulaten durchge f hrt Bild 1 Kolkprozess im Unterwasser der Wehranlage D h rener Wolle Hannover physikalisches Modell mit beweglicher Sohle LWI 2002 Am Beispiel eines Kolkprozesses im Unterwasser ei ner Wehranlage werden nachfolgend die wesentlichen Ergebnisse vorgestellt Die Modellierung der Prozesse erfolgte ber zwei dimensionslose Gr en dem se dimentologischen Durchmesser D und die neu defi nierte kornbezogene Widerstandszahl X Die aus der Modellierung abgeleiteten hnlichkeitstheoretischen Erkenntnisse sowie die Bedeutung der kornbezogenen Widerstandszahl x werden nachfolgend diskutiert 2 Theoretische Grundlagen 2 1 Kornbezogene Froude Zahl Fr und kornbezogene Reynolds Zahl Re Gegen ber dem station r gleichf rmigen Flie verhal ten von Gerinnestr mungen besteht bei lokalen Erosi onsprozessen zun chst die Schwierigkeit darin geeig nete Kennzahlen zu bestimmen mit denen die wesent lichen Vorg nge
167. en der Wasserspiegel und Sohlenlage der Oder Wasserwirtschaft Wassertech nik 14 H 11 1964 Berlin GobpbInG HENTSCHEL KAauPpPpert 2003 Videometrie im wasserbaulichen Versuchswesen Wasserwirtschaft Wassertechnik 4 200 HENNING SAHRHAGE HENTSCHEL 2007 3D PTV Ein Sys tem zur optischen Vermessung von Wasserspiegella gen und Flie geschwindigkeiten in physikalischen Mo dellen Mitteilungsblatt Nr 90 der BAW 2007 HENTSCHEL 2006 Physikalisches Geschiebetransport modell der Oder zur Untersuchung der Wechselwir kung von Stromregelungsbauwerken Sohlformen und nautischen Bedingungen Dresdener Wasserbauliche Mitteilungen Heft 32 HENTScCHEL Wirte 1999 Morphologische Untersu chungen zur Verbesserung der Schifffahrtsverh ltnisse zwischen D mitz und Hitzacker HTG Kongress 1999 Magdeburg J cc 1983 Alternierende Kiesb nke Mitteilungen der Versuchsanstalt f r Wasserbau Hydrologie und Gilazi ologie and ETH Z rich Nr 62 Z rich Kogus 1984 Wasserbauliches Versuchswesen Verlag Paul Parey 2 Auflage LWI 2005 Auswertung sedimentologischer Daten an der Oder Machbarkeitsstudie Leichtweiss Institut f r Wasserbau TU Braunschweig Bericht 911 Septem ber 2005 SCHANKAT 2006 Literaturstudie zu morphologischen Rinnenversuchen Technischer Bericht Nr 06 2006 des Lehrstuhles f r Wasserbau und Wassermengen wirtschaft Universit t Stuttgart im Auftrag der Bundes anstalt f r Wasserbau 28 04 2006
168. en ist oft die Auswertung von Mittelwerten ziel f hrend da sie als Ergebnis einen R ckschluss auf re pr sentative Werte wie z B einen mittleren Durch fluss oder eine mittlere Wasserspiegellage zul sst Auch k nnen aus der Betrachtung eines langen Zeit raums Schwankungsbreiten und andere relevante sta tistische Gr en wie z B die Standardabweichung bestimmt werden Durch die zeitliche Mittelwertbildung erh lt man ein einheitliches Str mungsfeld Stromli nien das so diskret nicht auftritt Im Gegensatz dazu repr sentieren die tats chlich aufgenommenen Bahnli nien die Instationarit t der Str mung Bild 13 i AA a i ab ZEN NEN Bild 13 Berechnete Mittelwerte als Vektoren links und tat s chlich aufgenommene Bahnlinien am Buhnen kopf Auch die Mittelwertbildung ber kurze Zeitr ume kann zur Beschreibung eines momentanen Str mungsbildes von Interesse sein Grunds tzlich gibt es also zwei Be trachtungsweisen einer ungleichf rmigen Str mung e Die Bildung von Mittelwerten ber eine ausreichend lange Zeit mit dem Ergebnis eines durchschnitt lichen Str mungsbildes e die Betrachtung kurzer zeitlicher Intervalle zur Fest stellung von Momentaufnahmen der Str mung Der Begriff der Momentaufnahme muss im Zusam menhang mit den Modellgeschwindigkeiten bzw den Modellzeitma st ben gesehen werden da bei der Aus wertung von zwei aufeinander folgenden Bildtripeln der Mittelwert ber
169. en zur Ermittlung der erforderlichen horizontalen Sicherheitsabst nde Wirtschaftlichkeitsgr nden sind knappe Sicherheitsab st nde die gem gesetzlicher Vorgabe aber immer noch einen sicheren und leichten Schiffsverkehr er m glichen sollen zu w hlen Die Begriffe leicht und sicher sind dabei nicht eindeutig definiert Deshalb wird nachfolgend pragmatisch von folgenden Definiti onen ausgegangen e Sicher ist eine Fahrt dann wenn die Wahrschein lichkeit dass sich die Schiffe untereinander ber h ren oder dass Ber hrungen mit dem Ufer auftreten in etwa der bei Begegnungen in Standardprofilen entspricht e Leicht ist eine Fahrt dann e wenn sie auch bei Man vern nicht unterbrochen werden muss wobei eine gewisse Fahrtreduk tion tolerierbar ist Ausschluss der Schleich fahrt Aspekt ausreichende Fahrgeschwindig keit bzw ausreichend bemessener Geschwin digkeitsbereich und e wenn es die vorhandenen Breiten erlauben Kurskorrekturen nur in ausreichend gro be messenen Zeitintervallen vornehmen zu m s sen damit nicht st ndig mit hoher Konzentration gefahren werden muss d h wenn eine Schl n gelfahrt mit praxis blicher Versatzbreite m glich wird Streng genommen m ssten Sicherheitsabst nde so mit aus einer gro en Anzahl von nautischen Versuchen ermittelt werden bei denen die Fahrrinnenbreite suk zessive reduziert wird bis sich Widerspr che zu den o g De
170. enden Geschwindigkeiten f r eine Variante mit Treib k rper Bahnlinien Bild 24 oder Differenzen mehrerer Varianten Bild 26 F r weitere Auswertungen wurden f r definierte Ausschnitte Filterbereiche mittlere Ge schwindigkeiten und Standardabweichungen ermittelt und Schnitte z B L ngsschnitte in Bild 25 ausgewer tet Die Differenzdarstellung der resultierenden Geschwin digkeiten zweier Varianten in Bild 26 Parallelwerk und Buhnen erlaubt die Erfassung der Unterschiede in der vermessenen Str mungsebene Blaue Farbt ne zei gen eine Verringerung gelbe und rote Farbt ne eine Erh hung der Geschwindigkeiten an 6 2 4 Particle Image Velocimetry Particle Image Velocimetry PIV ist eine Methode zur fl chigen Geschwindigkeitserfassung und analyse RAFFEL ET AL 2001 Der Luftstr mung werden dazu Teilchen zugef hrt deren Str mungsmuster im La serlichtschnitt durch R ckstreuung sichtbar werden Die zeitlich und r umlich hochaufl sende fl chige Ge schwindigkeitserfassung basiert auf der Vektorisierung der Verschiebung der Str mungsmuster zwischen zwei Bild 26 Differenz der Flie geschwindigkeiten Parallelwerks variante Istzustand umstr mte Bauwerke LDA Bildaufnahmen CCD Bilder einer hochaufl senden Kamera Zeitliche Folgen von Bildpaaren erlauben die Analyse der Bewegung charakteristischer Str mungs strukturen bis in kleine turbulente Skalen PIV wurde f r Luftmodelle getestet da Ver
171. ennwerte min max mittel der Sohl h he analysieren Die r umliche Aufl sung von Sohl strukturen ist hier reduziert Mit Hilfe von Verfahren aus der geometrischen Datenauswertung lokaler r um licher Ausgleich lassen sich allerdings auch diese Be reiche auswerten 4 7 Geschwindigkeitsmessungen Es gibt unterschiedliche Methoden um an hydrau lischen Modellen Geschwindigkeiten zu messen Bei Modellen mit beweglicher Sohle besteht bei Punkt messungen z B LDA das Hauptproblem darin dass sich die Modellgeometrie w hrend der Messung ver n dert wenn f r die Aufnahme an vielen Einzelpositionen ein l ngerer Zeitraum ben tigt wird Punktmessungen werden daher nur angewendet um in kleinen Teilbe reichen des Modells Geschwindigkeiten oder Abfluss anteile zu bestimmen z B hinter Parallelwerken oder auf dem Vorland Bew hrt haben sich fl chige Messungen der Ober fl chengeschwindigkeit 2D oder 3D PTV s Bild 30 Henning et al 2007 in diesem Heft und DVWK 2003 Bei diesen Verfahren werden Treibk rper auf der Was seroberfl che von einer oder mehreren Videokameras verfolgt und ber Passpunkte referenziert ber eine hinreichend gro e Anzahl Treibk rper erh lt man dabei ein geschlossenes Bild der Oberfl chengeschwindig keiten in einem Modell als Mittelwert ber den Mess zeitraum von in der Praxis etwa 1 bis 5 Minuten bei einem typischen Messfeld von ca 4 m bei der 3D PTV und ca 10 m bei der 2D PTV
172. enzstruktur getroffen werden 3 2 Porenstr mung Neben Entwurf und Aufbau der im Rinnenversuchsmo dell einzusetzenden Untersuchungstechnik lag ein we sentlicher Aspekt dieser Experimente in der Entwick lung und Adaption neuer Messverfahren Dies bezieht sich einerseits auf den Einsatz von 3D PTV und Er weiterung bestehender Bildverarbeitungsalgorithmen f r die Bestimmung von Partikelbahnen und Flie ge schwindigkeiten im Porenraum der ber und durch str mten Gew ssersohle Andererseits galt es Druck messungen durchzuf hren die mit ausreichend hoher Abtastfrequenz simultan zu den hoch aufl senden Ge schwindigkeitsmessungen eingesetzt werden k nnen Hierf r wurden neue Drucksensoren entwickelt Ein wesentliches Ziel dieser Untersuchungen war es das r umliche Str mungsfeld oberhalb und innerhalb der in den Versuchen eingesetzten Schutzschicht mit unterschiedlichen Schichtdicken aus gleichf rmigem Kies einer mittleren Korngr e von d 10 mm zu ermitteln Hierzu wurden speziell hergestellte fixierte Messporen in unterschiedlichen Tiefenlagen der den unterlagernden Sand sch tzenden Kiesabdeckung mit der Methode der 3D PTV simultan zusammen mit den zugeh rigen Porenwasserdr cken aufgezeichnet AR e gt er 1 s Fo Em i R TIW TE au N u Bild 9 TEET in der Kiesschich Bild 9 zeigt die Anordnung der innerhalb der Kies schicht eingebauten Messporen 1 3 zur Erfas sung der im Kies wirkenden Druck und Ge
173. eord nete zweite Ebene abgebildet wird Bild 5 Wird nun statt der ber eine Zylinderlinse erzeugten Laserlinie eine ber eine Diffraktionsoptik erzeugte Reihe von diskreten Laserpunkten projiziert so l sst sich f r je den Punkt durch den Schnitt des sich aus den beiden Projektionen H und H ergebenden Vektors mit dem zugeh rigen Projektionsstrahl des Lasers die Wasser spiegelh he unabh ngig von der wellenbedingten Nei gung bestimmen Gleichzeitig ergibt sich aus der Rich tung des Vektors H H die lokale Wasserspiegelnor male aus der man die beiden Komponenten der Was serspiegelneigung erh lt Bild 5 Laserlichtschichttriangulation mit doppelter Projek tionsfl che Eine detaillierte Beschreibung des Ansatzes findet sich in Mulsow et al 2006 Dieser Ansatz auf der Basis zweier paralleler Projek tionsebenen bietet den Vorteil einer strengen L sung Als Nachteil steht dem ein h herer instrumenteller Auf wand und eine sehr aufw ndige geometrische Model lierung und Kalibrierung gegen ber Literatur Maas H G HENTSCHEL B SCHREIBER F 2003 An op tical triangulation method for height measurements on water surfaces Videometrics VIII Electronic Ima ging 2003 Ed S El Hakim SPIE Proceedings Series Vol 5 MuLsow C SCHULZE M WESTFELD P 2006 An opti cal triangulation method for height measurements on Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 77
174. er fahren bei dem mit einem Abziehschlitten die Soh le auf eine Ebene modelliert wird s Bild 11 Diese Ebene ist in Flie und Querrichtung geneigt Die Sohl formen werden dadurch nicht abgebildet das Volumen des Sohlmaterials ist jedoch im Mittel korrekt Nach ca 1 2 Stunde Modellbetrieb hat sich dann bei jedem Ab fluss eine bez glich der Form natur hnliche Sohle he rausgebildet Der wesentliche Vorteil dieses Verfahrens ist neben der starken Vereinfachung und der schnellen 32 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 mn uL TE mu Fa wa Wii u al nr ms Emt Hentschel Bild 11 Einebnen der Modellsohle und unkomplizierten Herstellung eines Ausgangszu standes die hohe Reproduzierbarkeit des Sohlniveaus Die Methode der Sohlvermessung wird in Kapitel 4 6 beschrieben F r die Versuche wird ein Polystyrolgranulat mit einer Dichte von 1 055 g cm verwendet Dieses Material ist nur unwesentlich schwerer als Wasser und schwimmt im trockenen Zustand auf der Wasseroberfl che Da her ist es f r das F llen des Modells erforderlich dass das Modell von beiden Seiten langsam gef llt wird und dass die Oberfl che w hrend des F llvorganges be regnet wird s Bild 12 Bild 12 Beregnen des Modells w hrend des F llvorganges Das Flussbett wurde im Untergrund mit einem Drai nagesystem zur vertikalen Modellentw sserung aus ger stet Beim Entleeren w rde es sonst
175. er gab sich die Situation dass in Bereichen mit sehr unterschiedlichen Geschwindigkeiten gemessen werden musste Hauptstrom sehr hohe gerichtete Geschwindigkeiten Buhnenfeld sehr geringe Ge schwindigkeiten mit stark wechselnder Richtung Solche Bereiche unterschiedlicher Geschwindig keiten konnten nicht mit einem Bildausschnitt er fasst werden sodass auch deshalb das Zusam menstellen verschiedener Bildausschnitte zur Ge samtauswertung erforderlich wurde e Da bei Versuchen im Flussbau nicht detaillierte mo mentane Str mungsmuster Wirbel sondern zeit lich gemittelte Str mungserscheinungen koh rente Strukturen relevant sind wird diese koh rente Struktur durch eine Mittelung ber einen aus reichenden Zeitabschnitt erfasst Im Test am Luft modell wurden ber 250 Bilder zur Mittelwertbil dung herangezogen PIV wird in der BAW derzeit nicht f r flussbauliche Standarduntersuchungen in Luftmodellen eingesetzt da diese Messtechnik besondere Untersuchungsbe dingungen Arbeitssicherheit Spezialausr stungen und auf PIV spezialisierte Ingenieure erfordert und f r verkehrswasserbauliche Standarduntersuchungen zu aufw ndig ist 7 Fazit und Ausblick Die aerodynamische Modellierung von Flussstr mungen hat in den letzten 10 Jahren deutlich an Aus sagekraft gewonnen Das ist zum einen auf neue Mo dellierungsverfahren und zum anderen auf neue Ver fahren bei Modellaufbau und Messung zur ckzuf h ren Mit
176. er heitsstandard zugeordnet wird wie die Strecke am Oberrhein Hieraus ergab sich ein Toleranzfaktor in der Gr enordnung von 3 F r Richtungsverkehr errech net gibt sich daraus ein Sicherheitsabstand von rund 15 m F r Begegnungsverkehr m ssen die Standard abweichungen um das gleiche Sicherheitsniveau zu definieren im Sinne des Fehlerfortpflanzungsgesetzes berlagert werden woraus sich der 2 fache Wert wie f r Richtungsverkehr errechnet also 21 2 m Umge legt pro Uferseite ergeben sich somit Sicherheitsab st ande von 7 5 m im Richtungsverkehr und 10 6 m im Begegnungsverkehr Beide Werte sind kleiner als der von der VBD aus Schiffsf hrerbefragungen gewon nene Sch tzwert f r den erforderlichen Sicherheitsab stand der mit einer Schiffsbreite also 11 4 m angege ben wird Er gilt in dieser H he gleicherma en f r zwei spurige Fahrzeuge sowie zu B schungen und Buhnen k pfe Maflsgebend sind also 11 4 m es sei denn der Buhnenabstand ist gr er als 2 3 der Schiffsl nge In diesem Fall wird ein Sicherheitsabstand von pauschal 17 1 m gefordert Hieraus w rde sich bertragen auf Kanalverh ltnisse bei einem von der VBD angesetzten Sicherheitsabstand zwischen den Schiffen von 4 m eine Breite in H he der Kimm Linie von 57 8 m ergeben ein Wert der nahezu doppelt so gro ist wie der in Standardprofilen vorhan dene wenn von einer Fahrspurbreite von 15 5 m aus gegangen wird Da dem Ziel der VBD Untersuchungen en
177. er hnlichkeits gesetze m glich Froude Zahl Fr Sedimentologischer Korndurchmesser Froude Zahl des Einzelkorns Fr Einhaltung von G ltigkeitsbereichen erforderlich Reynolds Zahl Re Reynolds Zahl des Einzelkorns Re hnlichkeitsnachweis nur im Rinnenvorversuch oder mit dem fertiggestellten Modell m glich hnlichkeit der Formrauheit hnlichkeit der Sohlformen hnlichkeit der Transportmengen D Durch diese unterschiedlich belastbar einzuhaltenden hnlichkeitskriterien lassen sich die Modellma st be Umrechnungsfaktoren zwischen Natur und Modell gr en mehr oder weniger eindeutig festlegen W h rend die Geometrie und die hydraulischen Ma st be feste Werte darstellen sind die hydrologischen und morphologischen Zeitma st be oftmals erst am ferti gen Modell im Rahmen der Kalibrierung genau zu de finieren 3 2 Zeitma st be Bei der Analyse zeitabh ngiger Vorg nge wie sie der Geschiebetransport darstellt ist die Kenntnis des Zeit ma stabes mit dem im Modell die Naturgeschehnisse simuliert werden wichtig Da das Geschiebetransport modell die Naturabl ufe vereinfacht gelten nicht f r alle auftretenden Ph nomene die gleichen Zeitma st be Bei instation ren Untersuchungen muss das Mo dell aber entsprechend eines hydrologischen Zeitma stabes gesteuert werden Es werden hier folgende Zeitma st be unterschieden Formel 1 zu den Abk rzungen siehe Kap 8 Hydraulischer Z
178. er Elbe Reststrecke 1500 2000 Bild 32 Variabilit t des abflussabh ngigen Geschiebetransportes bei station rem Abfluss 40 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 resultiert daraus dass Geschiebetransportvorg nge auch bei station ren Randbedingungen Abfluss Ge schiebeeintrag in die Untersuchungsstrecke insta tion r erfolgen Das trifft insbesondere auf Strecken mit D nenbildung zu Bild 32 zeigt f r Messungen an einem Modell der Elbe dass bei station ren Randbedi nungen die Geschiebetransportrate erheblich schwan ken kann Hier wurde der gesamte Geschiebeaustrag um unterstromigen Modellrand ber die gesamte Fluss breite und ber einen Zeitraum gemessen der etwa ei ner Woche in der Natur entspricht Bei diesen Idealbe dingungen die so in der Natur nie einzuhalten sind va riiert der Transport bei einem bordvollen Abfluss etwa um den Faktor 3 Mit der Dynamik der Geschiebetransportrate ist in Stre cken mit D nenbildungen auch eine Dynamik des Was serspiegels verbunden Modellmessungen zeigten hier Ver nderungen der Wasserst nde beim Durchgang gr erer D nen im Bereich von bis zu 5 cm Natur Da eine derartige Schwankungsbreite auch f r die Na tur zu erwarten ist sind Aussagen bez glich der Was serst nde in alluvialen Flussstrecken maximal in die ser Gr enordnung m glich Fixierungen bei NW va rieren durch die Transportk rperdynamik bei nahezu gleichem Abfluss in die
179. er Konstruktion des Schiffs abh ngig Streng genommen gelten die hier er mittelten s Werte somit nur f r den einen untersuchten Mo dellschiffstyp einen Zwei Schrauber mit Keilspantbug N schnitte nicht durch gr ere Tiefe erreichbar sind damit die Fahrzeuge ein ausreichend bemessenes fahrbares Geschwindigkeitsfenster zwischen nau tischer Mindestschiffsgeschwindigkeit und kritischer Geschwindigkeit zur Verf gung haben 9 den Querversatz und die Zusatzbreiten aus un gewollten Driftwinkeln die bei der Fahrt durch ein hoch turbulentes instation res Str mungsfeld entstehen z B in einer Scherzone an der Einm n dung eines Nebengew ssers und schlie lich 10 alle durch Unaufmerksamkeiten bis hin zu massiven Fahrfehlern human factor entstehenden Zu satzbreiten um welche die Fahrrinnenbreite vergr ert werden sollte damit ein toleriertes Kollisions risiko nicht berschritten wird Dabei ist zu beach ten wie lange ein Schiffsf hrer einer bestimmten kritischen Fahrsituation ausgesetzt ist wie wahr scheinlich es also ist dass er Fehler macht Die vorgenannten Punkte 1 bis 8 sind berwiegend aus Ursache Wirkungs Zusammenh ngen ableitbar also deterministisch Die Punkte 9 und 10 dagegen sind berwiegend von nicht deterministischen Einfl ssen z B vom momentanen k rperlich mentalen Zustand bzw von der Erfahrung und dem K nnen des jewei ligen Schiffsf hrers abh ngig Nachfolgend wird den die
180. er Turbulenz zu einem ungewollten Quer versatz f hren kann Deshalb werden vorbehaltlich wei terer Untersuchungen m glichst in der Natur und ent sprechend vorliegender Informationen f r max zwei spurigen Verkehr folgende Bemessungsans tze zur Ber cksichtigung des human factor vorgeschlagen 1 F r Fahrrinnen die f r Begegnungsverkehr vorge sehen sind k nnen die kleineren Sicherheitsab st nde s ohne Schl ngelfahrtanteil angesetzt wer den wenn zus tzlich folgende Bedingungen erf llt sind Regelm iger Uferverlauf gute Sicht auf die Strecke und andere Verkehrsteilnehmer Die Fahr rinnenbreite ergibt sich dann aus den Fahrspurbrei ten der beiden beteiligten Fahrzeuge dem Sicher heitsabstand Schiff Schiff und den beiden Sicher heitsabst nden s zu den Ufern 2 Bei Richtungsverkehr sollte der Schl ngelfahrt anteil s ber cksichtigt werden Da der Versatz aus der Schl ngelfahrt nur ein Mal ber cksichtigt wer den muss und s an beiden Ufern anf llt entspricht s dem Mindestwert bei Begegnungen plus halbem Schl ngelfahrtanteil s Sp Ab 2 3 In Fahrrinnen in denen berholvorg nge zuge lassen werden sollen ist zu ber cksichtigen dass beide Fahrzeuge sowohl vom Ufer als auch von an deren Schiff angesogen werden k nnen Die ber holung zweier Fahrzeuge kann deshalb n herungs weise wie zwei parallele Richtungsfahrten behan delt werden Die Zusatzbreite f r Schl ngelfahrt ist dann
181. er Wahl des aerodynamischen Mo dellierungsverfahrens sorgf ltig abgewogen werden welche physikalischen Ph nomene das Str mungs geschehen im Untersuchungsgebiet bei der jeweiligen Fragestellung dominieren 2 3 Aerodynamische Geschiebetransport Modelle F r Untersuchungen des sohlennahen Feststofftrans ports werden einerseits aerodynamische Modelle mit fester Sohle als Tracermodelle eingesetzt da ber geeignete Methoden zur Str mungssichtbarmachung die f r den Geschiebetransport malsgebende soh lennahe Str mung qualitativ analysiert werden kann NEsTMAnN und BAcHMEIER 1987 Andererseits stellten LJATCHER und Pruoovsk 1984 H ncu und FINKELSTEIN 1963 SumBAaL 1966 und MArTousex et al 1983 um fangreiche Untersuchungen an Luftmodellen mit Ge schiebetransport vor Voraussetzung f r den Einsatz von aerodynamischen Modellen zur Untersuchung der Geschiebebewegung in Fl ssen ist die Annahme dass der Geschiebetrans port in druckloser Wasserstr mung und Druckstr mung mit Luft hnlich erfolgt Prinzipielle Vergleiche des Transportverhaltens in Wasser und Luft wurden unabh ngig von der speziellen Anwendung der aero dynamischen Modellierung von Freispiegelstr mungen mehrfach angestellt z B ALLen 1968 BacnoLp 1978 und Zanke 1982 F r den Geschiebetransport in Fl s sen wurden vergleichende Untersuchungen von Natur str mung hydraulischem und aerodynamischem Mo dell u a von LyArcHerR und Pruoovsk
182. er erforderlichen horizontalen Sicherheitsabst nde a ZF y ea 1 2 1 id a 5 u un D 06 e ts 1 8 t5 2 6 un q I z 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 10 Vs Vskrit Bild 7 Abh ngigkeit der relativen auf b bezogenen Fahr spurbreite b von V Zu V f r Abladetiefen T 1 8 und 2 6 m Die blaue Linie liegt bei b b 1 36 fachen der Schiffsbreite im Mittel ergibt sich ein Wert von ziemlich genau 1 36 x der Schiffsbreite entspre chend ca 15 5 m f r das GMS also genau dem Wert der in den deutschen Richtlinien genannt ist Damit ist b nach Bild 7 und Bild 8 f r GMS und nach Kapitel 5 f r alle einspurigen Fahrzeuge mit B 11 4 m bekannt bertragen auf zweispurige Fahrzeuge ergibt sich die doppelte Breite also 31 m Im n chsten Schritt der Auswertung wurden nun die Sicherheitsabst nde gem Definition der VAO Bild 2 ber relevante Einflussparameter aufgetragen Da bei wurden in Bild 9 die ermittelten Einzelwerte von 0 Q em 3 com 0 is 2 6 0 8 0 0 6 dd erf a ol erf a wo 0 2 m 0 ts 2 6 ts 1 8 0 0 0 1 0 2 0 3 a 0 5 0 6 T 0 8 0 8 1 0 Vs J WsKr t Bild 9 Abh ngigkeit des auf den jeweiligen Mittelwert ei ner Versuchsserie bezogenen Sicherheitsabstandes erf a von VW sw dem Tiefgang t T und dem Kotangens der B schungsneigung m brsi bs
183. er obe ren und unteren Kante die mittlere Lage der Projekti on und damit die wellengangsunabh ngige H henlage des Wasserspiegels ermittelt werden kann Aufgeweitetes Linienbild im Akkumulator H Linie bei maximaler Linksneigung H Linie bei horizontalem Wasserspiegel ER DER BE RR TE BE iae da a E FORTE IST o H Linie bei maximaler Rechtsneigung Bild 4 Bandf rmige Abbildung im Akkumulatorbild Die geometrische Modellierung des Ansatzes und die Ermittlung der Wasserspiegelh he aus der Bestim mung der mittleren Lage der erweiterten Linie im Ak kumulatorbild wird in Maas et al 2003 beschrie ben Praktische Versuche ergaben Genauigkeiten von besser als 0 1 mm bezogen auf ein Gesichtsfeld von 70 cm Breite bei ruhigem Wasserspiegel wurde sogar eine Genauigkeit von 0 03 mm erreicht Es ist jedoch festzuhalten dass das Verfahren auf Grund der An nahme eines symmetrischen Wellenmusters lediglich eine N herungsl sung darstellt welche nur bei leich tem Wellengang anwendbar sein wird Maas et al Verfahren der optischen Triangulation zur 3 Laserlichtschichttriangulation mit doppelter Projektionsfl che Eine strenge L sung welche nicht an Annahmen zur Symmetrie des Wellenmusters gebunden ist ergibt sich durch die Verwendung zweier paralleler Projek tionsfl chen wobei ein an der Wasseroberfl che ge spiegelter Laserstrahl durch eine erste semi transpa rente Projektionsebene auf eine parallel dazu ang
184. er physikalischen Modelluntersuchung Variante Ausgangszustand Schiff GMS NL OH Modell Schleuse Bolzum Datum 20 09 2004 Zufluss 40 m s IDM Sch tzpos OW1 OW2 SB1 5B2 KAO j 73 KAU UW Drehwinkel Wasserspiegel OW 73 60 m UW 64 90 m Bugkraft Heckkr ingekr Q gemittelt 75 00 74 00 73 00 5 72 00 E 71 00 gt 70 00 3 T S 69 00 E amp N DE 68 00 aa D z9 o 57 00 zs 5 gN 66 00 5 E T n Br 65 00 Fe nz 5 en 64 00 a u w 63 00 62 00 61 00 60 00 120 240 360 480 600 720 840 960 1080 1200 Zeit s Versuchsnummer 24j Fahrpl SFahr_6 Fahr_14 Abl T 2 8 m Sch tzgeschwindigkeiten Heben 0 015 m s Pause 62 0 s Senken 0 05 m s Drehwinkelgeschwindigkeit 0 035 s 20 0 Bild 11 Ergebnisdarstellung der optimierten F llung beim Sparbeckenbetrieb der im Modell untersuchten neuen Schleuse Bolzum vgl Bild 5 4 Wehre Physikalische Wehrmodelle dienen der Gestaltung von Wehrverschl ssen der Dimensionierung von Ver schlusskonstruktion und Antrieb der Bestimmung des Abfuhrverm gens der Erstellung von Wehrkennlinien und nicht zuletzt der Validierung numerischer Modelle Hierf r werden je nach Fragestellung Voll oder Teilmo delle in einem Ma stab von 1 40 bis 1 1 erstellt In Ausschnitts oder Teilmodellen wird die Str mungsaus bildung ber die Breite als unver nderlich angeno
185. erfallh he h m Bild 21 Abfluss ber das 17 50 m breite Versenksch tz in Abh ngigkeit von der berfallh he Bei gr eren Abfl ssen werden linkes und rechtes Sch tz angehoben wobei der Abfluss unter den Roll sch tzen stets auch von der Unterwasserh he abh n gig ist 20 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Grimm et al Entwicklungsstand der physikalischen Modelluntersuchung Wasserstra e Abfluss Staustufe Main Abfluss 7500 m s 7900 m s 4528 m s 2550 m s 2000 m s 2000 m s Modell 7518 79 Us 256 I s 144 Us 198 s 406 Vs 50 1 1 100 Tabelle 2 Kennzahlen einiger Staustufenmodelle Modellma stab 5 Staustufen Gem Objektkatalog VV WSV 1102 der Wasser und Schifffahrtsverwaltung des Bundes ist die Staustufe ein Anlagenkomplex an einer Fallstufe eines stauge regelten Flussabschnittes der im Wesentlichen nur den Fluss und nicht die ganze Talbreite absperrt Zu einer Staustufe k nnen als Absperrbauwerke einzeln oder kombiniert geh ren Wehranlage Schleusen und oder Bootsanlage Kraftwerksanlage Physikalische Staustufenmodelle werden f r die Di mensionierung neuer oder Verbesserung bestehender Absperrbauwerke etwa hinsichtlich Hochwasserab fuhr oder Schifffahrtsverh ltnisse verwendet wobei in der Regel sehr komplexe Str mungsverh ltnisse zu untersuchen sind Im Folgenden werden Planung Aufbau und Bet
186. erfl chengeschwindigkeiten und die H he der Was serspiegellagen eines gro en Modellausschnitts be stimmt In insgesamt 54 Einzelfeldern der Gr e 1 5 x 2 5 m wurden Messungen durchgef hrt und zu einem digitalen Modell zusammengef hrt Die Aufnahme der Bildfolgen dauerte knapp einen Arbeitstag die Auswer tung der Bilder weitere drei Tage In Bild 9 sind die Er gebnisse f r einen Ausschnitt des Modells als Farbfl chengrafik dargestellt Bild 10 zeigt Wasserspiegel und Geschwindigkeits langsschnitte im Bereich der in Bild 9 rot dargestellten Schnittpolygone Der erwartete treppenartige Verlauf mit einer Wasserspiegelabsenkung bei gleichzeitiger Geschwindigkeitserh hung ber den Buhnen tritt auf 110 50 110 45 Wasserspiegelh he m NHN Bild 10 Wasserspiegel und Geschwindigkeitsl ngsschnitte Der Wasserspiegelunterschied betr gt zwischen zwei Buhnenfeldern etwa 5 cm in der Natur bzw 1 mm im Modell die lokalen Wasserspiegelabsenkungen unter halb der Buhnen betragen im Modell etwa 0 3 mm 3 1 3 Systemmodell Schlauchwehr Im Rahmen des BAW Forschungs und Entwicklungs projektes Schlauchwehre an Bundeswasserstra en wurden zahlreiche Versuche als Grundsatzuntersu chung und Planungsgrundlage an Schlauchwehrmo dellen M 1 12 durchgef hrt Bild 11 Bild 12 Grimm et al Kap 4 Wehre in diesem Heft Zur Ermittlung der Druckkr fte auf das Bauwerk war die Kenntnis der Flie geschwindigke
187. erichtet Bild 7 Die optischen Bildachsen der Kameras schlie en einen Winkel von ca 90 ein wodurch das gr tm g liche Beobachtungsvolumen ca 5 cm Kantenl nge in allen r umlichen Erstreckungsachsen zu erhalten war Um Lichtbrechungseinfl sse der optischen Strahlen an den Grenzfl chen zwischen Glas und Luft m g lichst gering zu halten wurden die an den Glaswan dungen der Versuchsrinne angeordneten Glasprismen mit Wasser gef llt Hierdurch war es m glich die Ka meras senkrecht auf die Glaswandungen der Fl ssig keits Prismen aufzusetzen Oberhalb der Wasserfl che wurden drei Halogenlampen in der Weise instal liert dass das Beobachtungsvolumen optimal ausge leuchtet werden konnte Zur Visualisierung der Str mungsgeschwindigkeit wur den die kleinen in der Str mung suspendierten Gas blasen anstelle von k nstlich einzubringenden Tracer partikeln benutzt Um den Weg der Partikel parti cle tracking auch bei hohen Str mungsgeschwindig keiten ausreichend genau bestimmen zu k nnen ist eine schelle Bildsequenzrate der Kameras erforderlich um den Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Partikel unterhalb einer Mindestgrenze halten zu k n nen Die Standardvideobildaufnahmerate betr gt f r die verwendete Pulnix TM 6701 AN bei einer Bildgr e von 640 x 480 Pixel 60 Hz Um die Bilderfassungsrate in den Messungen auf 125 Hz zu steigern wurde mit einer Bildgr e von 640 x 200 Pixel gearbeitet Die au
188. ersuchungen zur Ermittlung der erforderlichen horizontalen Sicherheitsabst nde von Binnenschiffen zu Uferb schungen ProF DR InG BERNHARD S HNGEN DIPL ING THORSTEN DETTMANN BUNDESANSTALT F R WASSERBAU KARLS RUHE DiPL ING Hans NEUNER VERSUCHSANSTALT BERNACH DER TU M NCHEN 1 Einf hrung Fahrrinnenquerschnitte m ssen gem Gesetzesauf trag eine leichte und sichere Fahrt mit Wasserfahr zeugen erm glichen Der Spielraum der durch die se eher pragmatische Formulierung des Gesetzge bers dem planenden Ingenieur an die Hand gegeben wird hat einen gro en Einfluss auf die M glichkeiten und Grenzen der Nutzung einer Wasserstra e durch die gewerbliche Schifffahrt Dies liegt unter anderem daran weil die Festlegung von Mindestquerschnitten der Fahrrinne unmittelbar die Ausbau und Uhnterhal tungskosten beeinflusst und weil die aus Sicherheits gr nden legitime Forderung nach einer m glichst gro Ren Fahrrinnenbreite in frei flie enden Gew ssern die m gliche Fahrrinnentiefe beschr nkt und damit den volkswirtschaftlichen Nutzen einer Wasserstra e der vor allem von der m glichen Fahrrinnen und damit Ab ladetiefe abh ngt Schwierig ist die Aufgabe nicht nur wegen des schon angesprochenen Zielkonfliktes Brei te Aspekt Sicherheit gegen Tiefe Aspekt Wirtschaft lichkeit sondern auch deshalb weil allgemeing l tige Bemessungsstandards fehlen Dies zeigt u a die gro e Varianz vorhandener Fahrrinnenbreiten die
189. ertung der Oberfl chengeschwindig keiten Eine Interpretation der Oberfl chengeschwin digkeiten hinsichtlich des gesamten Str mungsge schehens ist im Fall von Flachwasserstr mungen Jir ka und Uijttewaal 2004 wegen deren stark zweidimen sionalen Charakters oftmals m glich Weitbrecht et al 2002 Auf Grund der einzuhaltenden Modellgesetze zur Reproduktion der ma geblichen Str mungsph nomene werden in diesem Fall oftmals Messfelder in der Gr enordnung von mehreren m notwendig Die Messebene ist dabei durch die Wasseroberfl che ge geben die mit schwimmenden Tracerteilchen beauf schlagt wird Zur Beleuchtung werden meistens konti nuierliche Lichtquellen verwendet Diese Art der Mes sungen sind in der Literatur unter dem Namen Ober fl chen PIV oder Large Scale PIV LSPIV zu finden Fujita et al 1998 Weitbrecht et al 2002 Mesel he et al 2004 In Abschnitt 3 werden Messungen zur Charakterisierung der Umstr mung zylindrischer Hin dernisse bzw Buhnenumstr mungen in Flachwasser str mungen dargestellt Ein nicht zu vernachl ssigender Aspekt bei PIV Mes sungen sind oftmals die zu erf llenden Sicherheitsauf lagen bei der Verwendung der extrem leistungsstarken PIV Laser Lausen und Weitbrecht 1999 Im Fall der Oberfl chen PIV Messungen bzw LSPIV Messungen erfolgt die Beleuchtung der Messfl che ber nat r liches Tageslicht oder konventionelle Strahler wodurch das Sicherheitsproblem in den Wasserbau
190. eschwindigkeit ansteigen Zum Einfluss des Ma stabseffektes auf das Fahrverhalten ergibt sich ein anderes Bild Bei den Versuchen zur Bestimmung des Fahrverhaltens wurde der Raumbedarf f r eine Begeg nung als ma gebende Kenngr e verwendet Unter suchungen der VBD zeigten dass es zwischen den Begegnung Begegnung Mittelwert Raumbedarf Standardab weichung Anzahl der Fahrten Raumbedarfswerten der Ma st be 1 25 und 1 16 keine signifikanten Unterschiede gibt Um diese Aussage je doch noch zu festigen wurden an der VAO Vergleichs untersuchen zwischen Naturmessungen am Main Do nau Kanal und dem Ma stab 1 25 durchgef hrt Die Naturversuche wurden von der BAW und der VBD zur Untersuchung des Begegnungsverhaltens von Schub verb nden durchgef hrt Die Versuche sind somit pr destiniert f r Vergleichsuntersuchungen zur Bestim mung eines Ma stabseinflusses Eine exakte bertra gung der Schiffsgeschwindigkeiten Drehzahlen und des Leistungsbedarfs ist f r die Fragestellung der Ver suche nicht erforderlich Die Randbedingungen im Main Donau Kanal sind 4 m Wassertiefe eine Wasserspiegelbreite von 55 m und eine B schungsneigung von h b 1 3 Begegnet wur de zwischen zwei Schubverb nden LxB 185 mx 1 1 4 m oder zwischen einem Schubverband und einem GMS LxB 100 mx 11 4 m mit 2 5 m Abladetiefe Die Schiffsgeschwindigkeiten bewegten sich zwischen 7 km h und 10 km h durch das Wasser Im Modell wur de die Beg
191. esssystem musste ausreichend stabil gegen ber der relativ robusten Str mungs umgebung in der Versuchsrinne sein Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 131 Wenka K hler Simultane Druck und 3D Geschwindigkeitsmessungen Um diese Forderungen erf llen zu k nnen wurden spezielle Schutzvorrichtungen f r die Endoskope ge baut wie es das Bild 25 zeigt Mit diesen Schutzkap pen und den darin seitlich angeordneten Glasfenstern konnte der erforderliche Beobachtungsabstand von etwa 7 mm zwischen der Endoskoplinse und der Glas beobachtungsfl che hergestellt werden sodass ein kreisf rmiger Beobachtungsbereich von etwa 12 mm Durchmesser zur Verf gung stand In den jeweiligen Eckpunkten der Glasfl che sind die zur gleichm igen Ausleuchtung der zu beobachtenden Sedimentfl che zu erkennen die mit Halogenlicht durch von au en herangef hrte Glasfaserkabel versorgt wurden Handels bliche CCD Kameras SONY XC 73CE wur den f r die Bildaufnahme eingesetzt die unterhalb des Rinnenbodens in Verbindung mit den Endoskopzulei tungen fest installiert wurden Bildsequenzen mit ei ner Aufl sung von 512 x 512 Pixel wurden mit diesem Messsystem bereitgestellt Die Analyse der Sedimentbewegungen erfolgte in zwei Stufen Zun chst wurden die aus einem fr heren ge meinsamen Forschungsprojekt zwischen Universit t Heidelberg und BAW Karlsruhe vorliegenden Auswer tealgorithmen zur Bewegungsdetektion Haussecker
192. et nach Van Rijn Tabelle 3 hnlichkeitstheoretische Kennzahlen Die Relationen wesentlicher sedimentologischer Kenn zahlen unterscheiden sich ebenfalls Die Relation der kritischen Flie geschwindigkeit betr gt Vit 1 67 und die Relation der Sinkgeschwindigkeit betr gt v 1 38 Die kritische Geschwindigkeit und die Sinkgeschwin digkeit der Sohlenmaterialien wurden in umfangreichen Voruntersuchungen bestimmt Ettmer 2004 Ettmer Physikalische Modellierung von Kolkprozessen Die bereinstimmung von Vitr Vs Wird oftmals als Grundlage bei hnlichkeitsbetrachtungen mit spezi fisch leichten Sohlenmaterialien verwendet Mertens 2003 Im vorliegenden Fall sind die Unterschiede die ser Kennzahlen mit V ar 1 67 und v 1 38 jedoch recht deutlich und eignen sich nicht f r die bertragung der sedimentologischen Eigenschaften Die Relationen der hydraulisch sedimentologischen Kennzahlen wie die kornbezogenen Froude Zahlen und die kornbezogenen Reynolds Zahlen liegen mit Fr 0 98 und Re 0 95 nahe bei 1 Ein Vergleich deri im Rahmen dieser Untersuchungen neu definierten kornbezogenen Widerstandszahl X zeigt dass die Re lation dieser Kennzahl f r den Versuch 1 und den Ver such 2 mit X 1 vorliegt Da in beiden Versuchen die Zielgr e tJa wie auch die Form der Kolke nahe zu identisch 1 1 ist bedeutet dies dass mit X eine Kennzahl vorliegt die die unterschiedlichen hydrau lisch sedimentologischen In
193. et und eine Naturpeilung im gleichen Quer profil Der Versuch b entspricht dabei relativ gut der Naturmessung w hrend die Versuche a und c zum Teil erheblich davon abweichen Die Versuche zeigen somit die Dynamik der Flusssohle jede einzelne Mes sung repr sentiert die Sohlstruktur nur zu einem kon kreten Zeitpunkt In den hydraulischen Modellen wei sen die einzelnen Versuchsl ufe bez glich der Ausbil dung der Sohlgeometrie eine hnliche Streuung auf wie in der Natur Diese Unterschiede in der Sohlgeo metrie sind bei Prognoseuntersuchungen von gro em Interesse da sie zeigen welche Sohldynamik bei der Umsetzung in der Natur zu erwarten w re Die in der Grafik dargestellte Linie Max Sohle zeigt die maxi mal an jeder Position auftretende H he der Sohle ber alle Versuche in dem Modell und somit f r jede Position im Querschnitt die minimal zu erwartende Wassertie fe in Abh ngigkeit von unterschiedlichen Sohlformen wie sie infolge der nat rlichen morphologischen Dyna mik auftreten Trotz gleicher Anfangs und Randbedingungen verl uft jeder Versuch anders sodass die beobachteten Sohl geometrien hnlich wie in der Natur mehr oder weni ger zuf llig sind Nur die statistischen Summenpara meter mittlere Sohlh he Standardabweichung etc sind zwischen den Versuchen weitgehend gleich Das Flussbreite und ber einen langen Zeitraum Natur ca 1 Bordvoll Ausuferung Physikalisches Modell d
194. etool SOFTNET hat funk tionell die Aufgabe die Datenkommunikation zwischen der PC Ethernet Netzwerkkarte und dem Automatisie rungssystem herzustellen und ber den integrierten OPC Server die Daten mit einer OPC Client Verbin dung f r andere Anwenderprogramme z B Messpro gramm bereitzustellen Der Datenaustausch zwischen OPC Client und OPC Server erfolgt direkt ber Intra net mit TCP IP dabei muss der OPC Client nicht auf demselben PC laufen wie der OPC Server Der Einsatz der OPC Technologie bringt f r die Erf l lung der messtechnischen und datenkommunikativen Aufgaben im Bereich der physikalischen Modelle eini ge Vorteile Nutzung der gesamten Netzwerkinfrastruktur f r den Datentransport mit TCP IP Protokoll Zugriff auf die Messdaten und die Modellaktivit ten von jedem netzwerkf higen PC aus m glich Messprogramme mit OPC Client k nnen mit meh reren OPC Server gleichzeitig Datenverkehr auf bauen somit ist der Datenaustausch ber die Mo dellgrenzen hinweg m glich Der SOFTNET OPC Server ist in der Lage mit einer begrenzten Anzahl von Automatisierungssystemen das Datenmanagement aufzubauen Dadurch ist eine Redundanz durch Mehrfach Installationen des Programms SIMATIC SOFTNET m glich Zunehmend verf gbar sind Messsysteme die mit der OPC Technologie ausgestattet sind Vorhandene Messsysteme k nnen mit Hilfe des Software Tools OPC Toolbox der Firma Softing AG OPC t
195. etransport Volumen pro Zeiteinheit und der Bewegung von Sohlformen Nach den Gleichungen oben ergeben sich Zeitma st be zwischen 1 1000 und 1 3000 Insbesonde re die Gleichung f r die Entwicklung von D nen stellt auf Grund des noch unzureichenden Wissens ber die hnlichkeitsgesetzte zur Beschreibung von D nenbe wegungen in Modellen nur eine sehr grobe N herung dar W hrend der hydraulische Zeitma stab bei Geschiebe transportmodellen unabh ngig von den hydrologischen und sedimentologischen Zeitma st ben ist sind letz tere bei Untersuchungen mit instation ren Abflusszu st nden voneinander abh ngig Man ist hier gezwun gen einen Kompromiss einzugehen So l sst sich der hydrologische Zeitma stab in der Regel deutlich ver kleinern Dabei ist zu beachten dass durch eine zeit liche Stauchung einer Wasserstandsganglinie nde rung des Modellzuflusses im hydrologischen Zeitma stabes die Gefahr besteht dass das Gef lle im Mo dellfluss bei einem zu stark zeitma st blich verk rzten Anstieg des Abflusses zu gro bzw bei dem Abfall zu klein wird und damit den Geschiebetransport erheblich verf lschen kann Es ist also in Vorversuchen zu tes ten in welchen Bereichen man den hydrologischen Zeitma stab ohne negative Ver nderungen der Was sertiefen und der Gef lle variieren kann Eine Ver nderung des sedimentologischen Zeitma stabes hat in der Regel weniger problematische Aus wirkungen Er hat bez glic
196. exen Str mungen mit gro em dynamischen Bereich werden zus tzliche Filterroutinen bzw Mehrfachdurch g nge bei der Auswertung ben tigt Adrian 1997 Eine wesentliche Methode ist hierbei in der Literatur Scara no und Rietnm ller 1999 als adaptive multi pass be schrieben Hierbei wird der PIV Algorithmus zun chst mit einer gr eren Interrogation Area gestartet Die gewonnenen Vektoren dienen im n chsten Schritt mit der n chstkleineren Interrogation Area als Referenz und erh hen somit die Wahrscheinlichkeit einer erfolg reichen Korrelation Zur Verbesserung der Ergebnisse bzw Eliminierung falscher Vektoren bieten sich Filter routinen an welche die Qualit t des Vektors durch ei nen Vergleich mit umliegenden Vektoren berpr fen und ggf auf den n chst h chsten Korrelationspeak zu r ckgreifen Weitere Filter die eine Gl ttung des Er gebnises durchf hren oder L cken durch Interpolati 82 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Weitbrecht et al on auff llen sind mit Vorsicht zu genie en da hierbei Informationen erzeugt werden die eigentlich nicht im Bildmaterial vorhanden sind Zur Erh hung der Vektor dichte k nnen berlappende Interrogation Areas defi niert werden Dabei ist jedoch zu ber cksichtigen dass nur optisch eine h here Informationsdichte erzielt wird die r umliche Aufl sung sich jedoch nach wie vor an der Gr e der einzelnen Interro
197. f r die beiden Spuren der beteiligten Fahr zeuge zu ber cksichtigen Eingerechnet in die Si cherheitsabst nde zum Ufer ist deshalb an jedem Ufer ein Sicherheitsabstand von s s Ab aN zusetzen 4 Gleiches gilt f r Begegnungen in Strecken mit unregelm igem Uferverlauf bei starker Str mung sowie bei schlechter Sicht Auch sollte Ab In beiden Spuren angesetzt werden entspre chend Sy Sa t AD 4 Quantifizierung von Sicherheits abst nden in Regelprofilen In den deutschen Richtlinien f r Regelquerschnitte von Schifffahrtskan len werden f r Begegnungen moder ner GMS L nge L 110 m Breite B 11 4 m Tiefgang bis 2 8 m untereinander mit bzw daraus zusammen gestellten Schubverb nden SV L 185 m sonst wie GMS und f r Begegnungen SV SV folgende Kompo nenten der Fahrrinnenbreite ausgewiesen e Fahrspurbreite b 15 5 m im Trapezprofil 16 m im Rechteckprofil e Sicherheitsabstand Schiff Schiff s 2 0 m e Sicherheitsabstand Schiff Ufer f r Begegnungen Syg beidseitig je 1 5 m f r bzw je 4 0 m f r senk rechte Ufer Rechteck oder R Profil Hieraus errechnet sich eine erforderliche Fahrrinnen breite von 2x 15 5 2 2x1 5 36m f r die B schung die bei einem fahrdynamischen Einsinken von 0 35 m also einer Tauchtiefe von max 3 15 m f r2 8 m Tiefgang bei einer B schungsneigung von 1 3 m 3 einer Wasserspiegelbreite von 36 2x 3x 3 15 55 m also der Breite des Standardprofi
198. fahren zur schnellen Erfassung von Geschwindigkeiten in hori zontalen Ebenen gesucht wurden mit denen m glichst gro e Modellausschnitte ber hrungslos erfasst wer den k nnen Die Tests wurden an einem idealisierten Flussmodell siehe Kapitel 6 2 3 zur Untersuchung der Str mung im Umfeld von Buhnen durchgef hrt In Wasserstr mung konnte PIV bereits mit Erfolg ein gesetzt werden siehe WEITBRECHT ET AL 2007 im vor liegenden Heft In Luftstr mung traten bei der PIV An wendung haupts chlich folgende Probleme auf e Die Luftstr mung ist nicht auf nat rliche Weise mit Partikeln ges ttigt die durch das Laserlicht sichtbar gemacht werden k nnen Es mussten geeignete R ckstreuteilchen gefunden werden Wegen des erforderlichen guten Folgeverhaltens sollte die Teil chengr f se in Luftstr mung 20 um nicht berschrei ten sodass sehr kleine d 0 8 bis 20 um fl ssige und feste Teilchen mit unterschiedlicher Dosiertech nik getestet wurden e In Luftmodellen gibt es keine freie Str mungsober fl che Um PIV einsetzen zu k nnen m ssen die R ckstreuteilchen in der Messebene ausgeleuch tet werden siehe WEITBRECHT ET AL 2006 in diesem Heft Soll eine horizontale Messebene ausgeleuch tet werden muss der Laserstrahl durch Strahlum lenkung in das Luftmodell eingeleitet werden Ein urspr nglich ber hrungsloses optisches Messsys tem bedarf dazu eines Spiegels der innerhalb der Str mung angeordnet wird Somit ragt
199. fbau des zu untersuchen den Gel ndes im geeigneten Ma stab In der Vergan genheit wurden analog zum Aufbau von hydraulischen Modellen auch aerodynamische Modelle mit Hilfe von Querprofilen erstellt die in der Natur im Abstand von 25 bis 100 m gemessen wurden Zwischen diesen Quer profilen konnte das Gel nde im Modell nur an Hand von Karten und Fotos angepasst werden Das Gel n de wurde zwischen den Querprofilen mit Plastilin oder einem Gips Sand Gemisch modelliert und anschlie Bend mit einem Farbanstrich versehen Beim Modellaufbau wird das Gel nde entsprechend des mittleren Tal bzw Wasserspiegelgef lles so ge neigt dass es in einer horizontalen Ebene liegt Dies erfolgte bei der herk mmlichen Modellierung nur f r die durch Querprofile abgebildeten Stationen bezogen auf die Flussachse mit einem konstanten Wert f r die gesamte Querprofilbreite Das Wasserspiegelgef lle der Natur wird im Modell durch das Druckgef lle abgebildet Um im Modell na tur hnliche Wasserspiegel resp Druckgef lle zu er halten muss dabei im Rahmen der Modellkalibrie rung ggf eine erh hte Rauheit durch aufgeklebte K r nungen Sand Korund erreicht werden Aus der Natur stehen ber Laserscan Befliegungen des Gel ndes und Fl chenpeilungen der Gew sser sohle zunehmend umfangreiche Punkt Informationen des gesamten Untersuchungsgebietes zur Verf gung die f r den Aufbau von numerischen und Ma stabs Mo dellen genutzt werden k nnen D
200. fgenommenen Bildsequenzen wurden simultan im Arbeitsspeicher des zur Bilderfassung eingesetzten Messrechners geschrieben bevor sie auf einem Fest plattenspeicher gesichert wurden Auf Grund des ex trem hohen Speicherbedarfs war die maximale Dauer einer r umlichen Bildsequenz der freien Str mung auf ein Zeitintervall von At 20 s begrenzt In Ermangelung von bereits endg ltig ausgewerte ten Daten zu den 3D PTV Messungen der freien Str mung sind im folgenden einige Resultate aus der 2D Analyse von Bildern der linken Kamera gezeigt Der Bildausschnitt von ungef hr 5x5 cm befindet sich unmittelbar ber der Sohle Die Sequenz von Bild 8 beschreibt die freie Str mung zu verschiedenen Zeit punkten zwischen t 0s und t 0 42 s die w hrend der berstr mung mit gleichzeitig einwirkender Wel lenbelastung aus seitlicher Position aufgezeichnet wur de Sie gilt f r eine Wellenamplitude von 125 mm und eine Wellenperiode von 2 s bei einer Wassertiefe von 40 cm und einer Kiesschichtdicke von 4 cm Anhand der Geschwindigkeitsvektoren ist in Bild 8 eine gegen den Uhrzeigersinn gerichtete Str mung zu er kennen Durch berlagerung der freien Str mung mit u ri ri De w vr r T La E r ir CA w ng rrr E E EEEE aaar o i a r we eo a A ei _ re rer re rer E rrerrr ga re Irre mna s rF i e EF Wie FEN E En TE FA er Tat vr T T r T TErrrFFr rer r r E we Zr E Eh LE ei TE EF F E rrr er Tr TER a eng _ ie
201. finitionen ergeben insbesondere bis die sta tistisch aus den Messungen ermittelte Kollisionswahr scheinlichkeit dem tolerierten Wert entspricht Dies h tte den Rahmen der hier betrachteten Versuche ge sprengt Deshalb wurde nur eine statistisch gesehen geringe Anzahl im Schnitt 15 von Versuchen pro un tersuchter Variante zu Gunsten einer h heren Varian tenanzahl durchgef hrt und es wurden die Sicherheits abst nde auch nur einseitig durch Betrachtung eines Ufers Fahrrinnenrandes ermittelt obwohl streng ge nommen der gesamte Querschnitt betrachtet werden m sste der dann aber mehrfach h tte umgebaut wer den m ssen Auch dies schr nkt die Fachaussagen auf breite Querschnitte ein 5 Diskussion einschl giger Bemes sungsans tze Um erste Hinweise auf die erforderlichen Sicherheits abst nde zu Uferb schungen in Flie gew ssern zu er halten und um gleichzeitig Hinweise auf relevante Ein flussgr en zu erhalten werden nachfolgend drei in ih rem Grundansatz v llig unterschiedliche Bemessungs ans tze besprochen e Die holl ndischen Empfehlungen f r die Bemes sung von Kan len e Untersuchungen der Versuchsanstalt f r Binnen schiffbau Duisburg VBD f r Flie gew sser Be richte 1369 und 1434 aus den Jahren 1994 und 1997 e Der PIANC Ansatz 1995 f r Approach Chan nels Die holl ndischen Empfehlungen geben direkt die erforderliche Fahrrinnenbreite an Sie unterscheiden dabei nicht zwisc
202. fischen Probleme der Wasser und Schifffahrtsverwaltung des Bundes WSV und gew hrleistet mit dem Einsatz determinis tischer Modellans tze eine zunehmend genauere und effizientere Abbildung und damit auch ein ver bessertes Prozessverst ndnis der oftmals komplexen Str mungsverh ltnisse Im Rahmen von Grundsatz untersuchungen wurden die M glichkeiten und Gren zen der heute verf gbaren numerischen Verfahren er kundet sowie durch Paralleluntersuchungen von phy sikalischen und numerischen Modellen eine Qualit ts sicherung betrieben Bei der hydraulischen Untersu chung und Begutachtung von Schleusen Wehren und anderen Wasserbauwerken werden in der BAW phy sikalische und numerische Verfahren in Abh ngigkeit von der Problemstellung nebeneinander und in Kom bination miteinander eingesetzt sodass die Effektivi t t der Untersuchungen insgesamt erheblich gesteigert werden konnte Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 9 Grimm et al Entwicklungsstand der physikalischen Modelluntersuchung 2 Modellmesstechnik und Automati sierung Bei physikalischen Bauwerksmodellen sind Steue rungen f r die Modellzu und abfl sse und die unter suchten Bauwerke sowie Sensoren und Aufnahme ger te f r die Erfassung der verschiedenen Stell und Messgr en erforderlich Durch den Einsatz industrieller Automatisierungstech nik und Kommunikationstechnik wird ein hohes Ma an Flexibilit t bei der Erfassung u
203. ftig einen erheblichen Bedarf an hydraulischen Un tersuchungen geben wird welcher durch physikalische und zunehmend durch numerische Modelluntersu chungen gedeckt werden wird 24 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Hydraulische Flussmodelle mit beweglicher Sohle DiPL ING BERND HENTSCHEL BUNDESANSTALT F R WASSERBAU KARLSRUHE 1 Einleitung In alluvialen Flachlandfl ssen bewegt sich an der Sohle best ndig Geschiebe Bild 1 Dabei ist die Menge und Form des Transportes stark abh ngig von der Geo metrie des Flussbettes Um die komplexe Wechselwir kung zwischen unterschiedlichen Stromregelungsele menten zu untersuchen und zu prognostizieren be treibt die Bundesanstalt f r Wasserbau BAW hydrau lische Feststofftransportmodelle Zur natur hnlichen Simulation dieses Geschiebetransportes wird bei den Modellen das Naturgeschiebe durch feinen Sand oder durch ein Ersatzmaterial zum Beispiel leichtes Kunst stoffgranulat ersetzt Diese gegenst ndlichen Mo delluntersuchungen werden durch Simulationsrech nungen mit numerischen Modellen erg nzt Die Mess und Steuerungstechnik im wasserbaulichen Versuchs wesen hat dabei in den letzten Jahren erhebliche Fort schritte gemacht sodass sich daraus neue Anwen dungsgebiete ergeben Die Prognosef higkeit der Mo delle bei der detaillierten Analyse von Stromregelungs konzepten konnte erheblich gesteigert werden Neue Verfahren der fahrdynamischen Modellier
204. ftmodell eine bis zwei Zehnerpotenzen geringer sind als die der Naturstr mung siehe Beispiel in Tabelle 3 werden Form und Ausbildung von R ckstromzonen im Luft oder auch Wasser Modell und in der Naturstr mung voneinan der abweichen siehe Tabelle 4 Unter dem Gesichtspunkt der hnlichkeit von r um lichen Str mungsvorg ngen wurde bisher gefordert dass das Verh ltnis L H den Wert von 2 bis 3 nicht berschreiten G Lyarov 1973 Ko us 1984 NESTMANN und BAcHMEIER 1987 soll Unter bestimmten Umst n den z B bei der Untersuchung von Bauwerks ber str mungen kann jedoch eine geometrische ber h hung Modellierungseinfl sse aus der geringen RenoLos Zahl kompensieren siehe Tabelle 4 Bei der Untersuchung in dreidimensionalen Modellen die h ufig mit einer zweifachen geometrischen ber h hung betrieben werden heben sich bei einigen Ph nomenen z B berstr mung von Schwellen oder Buhnen die Wirkungen der vergr erten Abl sewinkel und der verzerrten Str mung in der Vertikalen durch die geometrische berh hung weitgehend auf Bild 9 Bei entsprechenden Untersuchungszielen kann so mit eine geometrische berh hung sogar erforderlich sein um einen natur hnlichen Abl sewinkel zu errei chen oder den Punkt an dem das Fluid auf eine Beran dung trifft hnlich abzubilden Modell nicht berh ht Modell 2 fach berh ht Bild 9 Beispiele f r Str mung in berh hten Mo
205. g f r das physikalische Modell Gutachten Karlsruhe 2001 BAW Nr 302 10038 00 BAW 2001d T tigkeitsbericht der BAW 2001 FuE Pro jekte Wasserbau im Binnenbereich Optimierung der Befahrbarkeit von Fl ssen unter Beachtung hydrody namischer fahrdynamischer und morphodynamischer Kriterien BAW 2004 Grundlagen zur Bemessung von B schungs und Sohlensicherungen in Binnenwasser stra en Mitteilungen der BAW Nr 87 2004 DorErR 1984 hnlichkeit bei flussbaulichen Modellen in Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Karlsruhe Heft 54 DVWK 1988 Feststofftransport in Flie gew ssern Be rechnungsverfahren f r die Ingenieurpraxis Schriften Heft 87 Verlag Paul Parey DVWK 2003 Feststofftransportmodelle f r Flie ge w sser ATV DVWK Arbeitsbericht Arbeitsgruppe WW 2 4 Feststofftransportmodelle M rz 2003 ETTMER 2004 Untersuchungen zu Kolkvorg ngen hin ter dem unterstr mten Sch tz Dissertation Fachbe reich Bauingenieurwesen der TU Carola Wilhelmina zu Braunschweig 2004 ETTMER 2007 Physikalische Modellierung von Kolkpro zessen Mitteilungsblatt Nr 90 der BAW 2007 FAULHABER 2007 Neue Methoden der aerodynamischen Modellierung flussbaulicher Fragestellungen Mittei lungsblatt Nr 90 der BAW 2007 F HRB TER 1980 Stromb nke Gro riffel und D nen als Stabilisierungsformen Mitteilungen des Leichtwei Institutes f r Wasserbau TU Braunschweig Heft 67 Guaz k 1964 Ver nderung
206. g nach Erosions methode Die gescannte Modelltopografie wird in Naturdaten transformiert sodass die verschiedenen digitalen Ge landemodelle der Naturmessungen und der Modell Va rianten verglichen werden k nnen Auf diese Weise wird auch eine Qualit tskontrolle f r das Luftmodell Vergleich Soll Ist der eingebauten Va riante durchgef hrt Aus den Gel ndemodellen lassen sich grafische Darstellungen z B f r Planungsunter lagen ableiten F r den Modellauf und umbau kann ein Markierungs stift am Portal angebracht werden mit dessen Hilfe die aus Planunterlagen transformierte Lage und H hen koordinaten pr zise auf das Modell bertragen wer den 6 2 Str mungsgeschwindigkeit Mit Hilfe der Luftmodelle k nnen sowohl qualitative als auch quantitative Angaben zur Str mung erhoben werden Schnelle Aussagen zur Auspr gung der Str mung qualitativ sind ber das Sichtbarmachen der Str mung f r eine Vorauswahl von Varianten beson ders wichtig Zur Messung der Geschwindigkeiten in Luftmodellen werden in der BAW zwei Verfahren genutzt die Hitz draht Anemometrie HDA und die Laser Doppler Ane mometrie LDA In den aerodynamischen Flussmodel len wird h ufig HDA f r die Messung von Geschwindig keiten in Querprofilen und LDA f r Messungen in hori zontalen Ebenen eingesetzt Particle Image Velocimetry PIV wurde f r verkehrs wasserbauliche Untersuchungen auf Grund des gro Ben Aufwandes und des klei
207. gation Area orientiert Je nach Qualit t der Rohbilder sind oftmals weitere Be arbeitungsschritte notwendig um ein gutes bzw ver l ssliches Ergebnis zu erzielen Die weitreichenden M glichkeiten der Bildbearbeitung Preprocessing zur Verbesserung der Kontrastverh ltnisse der Minimie rung von Rauscheinfl ssen usw k nnen hier nicht im Detail beschrieben werden Es sei jedoch darauf hin gewiesen dass eine gute Ausgangsbildqualit t nicht durch eine gute Bildbearbeitung ersetzt werden kann Ein wesentlicher Bestandteil der Bildauswertung ist zu s tzlich die Kalibrierung des aufgenommenen Bildaus schnittes Der Software muss damit das Verh ltnis der Gr e eines einzelnen Pixels zur Gr e des aufge nommenen Bildausschnittes vorgegeben werden Oft mals ist das Bildmaterial nicht mit linear abbildenden Objektiven aufgenommen In diesem Fall m ssen zu s tzliche Entzerrungsfunktionen bestimmt werden Sol che Routinen sind meist in den Komplettsystemen in tegriert Hinsichtlich der Turbulenzgr en muss jedoch erw hnt werden dass eine Entzerrung des Bildmate rials meist ein zus tzliches Rauschen mit sich bringt was im Fall der mittleren Geschwindigkeiten unproble matisch sein kann aber zu einer Verf lschung der er mittelten Geschwindigkeitsfluktuationen f hrt 2 2 Genauigkeit Die Genauigkeit eines PIV Systems ist stark von der jeweiligen Anwendung und der damit verbundenen Bildqualit t sowie von der Pr zi
208. ge schr nkt werden Zu dem Problem der ver nderten Abl sewinkel in ge genst ndlichen Modellen siehe den Artikel Faulhaber 2007 in diesem Heft auf die hnlichkeit von Kolkbil dungen in Modellen geht Ettmer 2007 in seinem Bei trag ein Auswirkungen der Schifffahrt auf den Geschiebe transport Zu diesem Themenkomplex liegen bisher aus der Na tur nur wenige Untersuchungen und Analysen vor BAW 1997 BAW 2004 und zur Untersuchung in hy draulischen Modellen wurden bisher keine Referenzen gefunden Rinnenversuche wurden nach derzeitigem Wissen nur zur Hydraulik und zur direkten Wechsel wirkung mit der Morphologie durchgef hrt Schankat 2006 Problematisch ist hier die gleichzeitige Einhal tung der hnlichkeitsgesetze f r den Geschiebetrans port auf der einen und f r die schiffsinduzierte Hydrau lik auf der anderen Seite Erfordernis der gleichzeitigen Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 31 Hentschel Hydraulische Flussmodelle mit beweglicher Sohle hnlichkeit der Hydraulik Sedimentbewegung Schiffs umstr mung und des Schraubenstrahls Fraktionierter Geschiebetransport Fraktionierter Geschiebetransport ist in hydraulischen Modellen in der Regel gut nachbildbar Die Verwen dung einer weitgehend natur hnlichen Kornverteilung s Bild 10 ist bei vielen Untersuchungen Vorausset zung f r die geometrische Natur hnlichkeit der Sohl formen im Modell gleiche Ungleichf rmigkeit W
209. gen ma stab in einem geometrisch nicht berh hten Mo n 0 01 Plastilir n 0 012 Sperrholz n 0 013 sand dim 0 4 mm L ngerma stal n 0 0143 Sand dim 0 7 mm n 0 016 Sand dim 1 2 mm 0 035 0 0 02 0 025 0 03 Rauheitsbeiwert Ny Wahl der Modellrauheit in Abh ngigkeit von Naturrauheit und L ngenma stab f r nicht berh hte Luftmodelle ohne 54 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Faulhaber Neue Methoden der aerodynamischen Modellierung dell m glich ist Auch dann wird auf eine geometrische Modell berh hung zur ckgegriffen d h L ngen und H henma stab unterscheiden sich H lt L Die durch die geometrische Modell berh hung hervorgeru fenen Verf lschungen der Modell gegen ber der Na turstr mung hinsichtlich des Wasserspiegelgef lles k nnen im Luftmodell gem Gleichung 4 bzw 6 durch eine Variation der Modellrauheit n_ bzw A_ kompen siert werden hnlichkeit der Str mung in gekr mmten Strom abschnitten Die hnlichkeit von Natur und Modellstr mung ist in diesem Falle erreicht wenn das Verh ltnis von L ngs und Quergef lle in Natur und Modell gleich ist keyf L ngs 5 Flie gleichung 8 g Thy FROUDE Zahl 9 Dies wird wiederum durch das hnlichkeitskriterium in Gleichung 6 gew hrleistet hnlichkeit von R ckstr mungsgebieten Scher und Abl sezonen bei Querschnitts
210. genommen Wie aus Bild 2 ersichtlich h ngt die H he der Projek tion H von der Wasserspiegelh he H ab Nach Maas et al 2003 ergibt sich dabei eine Sensitivit ts verdoppelung mit Weiter kann gezeigt werden dass dieses Verh ltnis unabh ngig vom Einfallswinkel der Laserlichtschicht auf die Wasseroberfl che ist Der optimale Einfallswin kel liegt somit bei 45 da sich hier die minimale Breite der Linie auf dem Projektionsschirm ergibt Bei Verwendung einer Kamera mit einem Bildformat von 1300 x 1000 Pixel und Auswertung mit Subpixel operatoren ergibt sich bei einer angenommenen Bild messgenauigkeit von Pixel eine Relativgenauigkeit von 1 20 000 des vertikalen Gesichtsfeldes Bei einer Profilbreite von 1 30 m bersetzt sich dies in eine H henmessgenauigkeit von 0 025 mm Kameras dieses Bildformats bieten blicherweise Bildraten von 25 100 Bildern pro Sekunde wodurch r umlich zeitlich aufge l ste Messungen erm glicht werden Das System er zeugt damit wenn es quer zur Fliessrichtung eines hydraulischen Modells angeordnet wird zeitaufgel s te Messungen von Querprofilen des Wasserspiegels Durch Traversierung des Messsystems sind auch fl chenhaft aufgel ste Messungen m glich Ein offensichtliches Defizit des gezeigten Ansatzes liegt in der Tatsache dass die H he der Projektion der spie gelnden Reflektion auf der Projektionsebene nicht nur von der Wasserspiegelh he sondern auch von der l
211. ger Verlag Berlin SH eLds A 1936 Anwendung der hnlichkeitsmecha nik und der Turbulenzforschung auf die Geschiebebe wegung In Mitteilung 26 Preu ische Versuchsanstalt f r Wasserbau und Schiffbau Berlin SHIMIZU Y TsuJIMOTO T Nakacawa H 1990 Experi ment and Macroscopic Modelling of Flow in Highly Per meable Porous Medium under Free Surface Flow In Journal of Hydroscience and Hydraulic Engineering Vol 8 No 1 pp 69 78 Spies H BERINGER O GR NING H amp HAusseckEr H 1999 Analyzing Particle Movements at Soil Interfaces In J hne B Haussecker H and Geissler P eds Handbook on Computer Vision and Applications Vol 3 pp 699 718 Academic Press Spies H Haussecker H K HLER H J 2000 Materi al Transport and Structure Changes at Soil Water In terfaces In Proceedings 3 International Conference Geofilters 2000 Warschau Filters and Drainages in Geotechnical and Environmental Engineering W Wol ski et al eds A A Balkema Rotterdam pp 91 97 VOLLMER S TR BING K DITTRICH A 2000 Turbulence induced penetration of near bottom water into the po rous medium Experimental study In Proceedings In ternational Symposium on Flood Defence Kassel Wircock P R 1993 Critical shear stress of natural se diments In Journal Hydraulic Engineering Vol 119 Nr 4 S 491 505 136 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Modellunt
212. ggsfelder Vor dem Hintergrund verbesserter Analysemethoden und st ndig verbesserter Rechenmodelle w chst der Wunsch nach Messverfahren die in der Lage sind gro fl chige Informationen zu liefern und gleichzeitig hohen Genauigkeitsanforderungen gerecht werden Diese Informationen werden sowohl direkt f r die Ana lyse der Untersuchung an den physikalischen Model len als auch in zunehmendem Ma e als Grundlage f r die Weiterentwicklung komplexer mehrdimensionaler numerischer Verfahren ben tigt Insbesondere f r Vorg nge mit stark ungleichf rmigen oder instationaren Problemstellungen oder bei nicht ebenem Wasserspiegel ist der Einsatz eines Systems zur fl chigen Erfassung von Wasserspiegellagen und Oberfl chengeschwindigkeiten Schleusenf llung ber str mung von Wehren oder Buhnen etc von gro er Bedeutung In Zusammenarbeit mit der Fa AICON Braunschweig wurde daher an der Bundesanstalt f r Wasserbau BAW die Dreidimensionale Particle Tracking Veloci metrie 3D PTV entwickelt welche auf einem bereits erfolgreich eingesetzten photogrammetrischen System zur Vermessung von nicht transparenten Oberfl chen im wasserbaulichen Versuchswesen aufbaut Godding Hentschel Kauppert 2003 2 Das Messsystem Die 3D PTV nutzt zur Bestimmung von Oberfl chenge schwindigkeiten und Wasserspiegellagen das Prinzip der Teilchenverfolgung innerhalb einer Bildfolge Die notwendigen Messungen finden ber hrungslos in den Bildern dre
213. gkeiten und dem Druckgef lle mit v APM und a 8 L 2 pr V abgeleitet Tabelle 7 F r neuere Untersuchungen ist in Tabelle 8 zur Be rechnung des Gesamtwiderstandswertes rl B on A ig a hy benutzt worden Die Auswertung der vertikalen Geschwindigkeitsprofile steht noch aus Verfahren Sohlmaterial A n sim PVC Polyvinylchlorid 0 024 0 009 Gips Sand Gemisch 0 062 0 015 Sohlmaterial Ap L Hr 7 A n Verfah Palm mm sim ren mm mis m s FM I 0 807 0 023 0 008 b PWC Polyvinylehlorid T4 22 14 67 Peer PVC Polyvinylchlorid 56 30 15 99 0 820 0 022 0 008 g 50 12 90 0 616 ee l PWC Polyvinylehlorid b Gips Sand Gemisch 12 90 0 997 0 050 b Gips Sand Gemisch 12 80 0 876 0 039 b Gips Sand Gemisch 12 09 0 735 0 036 b Tabelle 7 Parameter aus Gerinneversuchen mit Luftstr mung FAS 1985 Ha Y n mm mis a m 30 75 0 0077 oa 218 0 0078 0020 s 155 oo 0021 0 218 0 077 0 020 Scharfkanlige R mer aus so 275 00102 0 0 Schlifkorund eliptisch 193 30 21 8 0 0105 0036 amp 356 o 275 opel oo 1 Scohlmaterial Feste Oberfl che Aluminium glatt b 30 21 8 oone 006 Tabelle 8 Parameter aus Gerinneversuchen der BAW mit Luftstr mung Sand da 1 2 mm Sand d 0 7 mm 0 013 0 009 0 011 __ Plastilin oo O Gesa
214. glicher Sohle Im vorliegenden Mitteilungsheft der Bundesanstalt f r Wasserbau Karlsruhe HENTScHEL B 2007b Ein finites Differenzen Verfahren zur Str mungsanalyse Im vorliegenden Mitteilungs heft der Bundesanstalt f r Wasserbau Karlsruhe H ncu S FinKELsTEin A 1963 Unele probleme ale analogiei hidroaerodinamice in modelarea proceselor de albii Einige Fragen der hydro aerodynamischen Analogie bei der Modellierung von Flussbettprozes sen Studii de hidraulica V Bukarest IKEDA S 1982 Inicipient Motion of Sand Particles on Side Slopes In Proceedings ASCE Journal of the Hy draulics Division No 1 New York S 95 114 Kosus H 1984 Wasserbauliches Versuchswesen DVWK Schriften Heft 39 Verlag Paul Parey Berlin LAWA BMV 1998 Pegelvorschrift Anlage D Richt linie f r das Messen und Ermitteln von Abfl ssen und Durchfl ssen Verlag Paul Parey Hamburg und Berlin Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 71 Faulhaber Neue Methoden der aerodynamischen Modellierung LJATCHER W M Prupovsk A M 1971 Issledovani ja otkrytych potokov na napornych modeljach Unter suchungen offener Str mungen an Druckmodellen Energia Moskau LJATCHER W M Prudovski A M 1984 Gidravlitsche skoje modelirovanije Hydraulische Modellierung Energoatomisdat Moskau MATOUSEK V SKALICKA J JiR nEc P 1983 Vymo ly kolem pilotovych pil a jejich j mek Auskolk
215. gsangriff 1 UW Gewichtdes Sedimentkorns hnlich wie die Feststoff Froude Zahl Fr als wesent liche Transportgr e f r den Sedimenttransport heran gezogen wird wird die kornbezogene Froude Zahl Fr als wesentliche Transportgr e bei lokalen Kolkpro zessen verwendet Rajaratnam 1981 Hassan Nara yanan 1985 Johnston 1990 Ein beliebiger physika lischer Prozess 1 des Erosionsprozesses kann somit im hydraulisch rauen Bereich ber m A Fr 2 beschrieben werden Eine Beschreibung der Erosions prozesse im hydraulischen bergangsbereich erfor dert zudem die Ber cksichtigung der Z higkeit des Flu ids ber die kornbezogene Reynolds Zahl Re Re _ V Ich _ vd u pv d i H x doh H Pw 3 u Str mungsangriff Z higkeitskraft Der im Nenner von Re_ enthaltene Term v d u wird als Z higkeitskraft bezeichnet Schlichting 1965 Oer tel 2002 Unter Ber cksichtigung der kornbezogenen Reynolds Zahl ergibt sich N A Fr Re 4 Der Str mungsangriff entspricht der physikalischen Be deutung nach der Tr gheitskraft 2 2 Sedimentologischer Durchmesser D und kornbezogene Widerstands zahl X Wie bereits Dietz 1969 feststellte kann der Bewe gungsbeginn von nat rlichen und k nstlichen Sohlen materialien ber den sedimentologischen Durchmesser D erfasst werden D ist ber den Quotienten Re Fr definiert bzw hier mit v anstelle von v_ ber den Quo tienten Re Fr und b
216. gsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Grimm et al Entwicklungsstand der physikalischen Modelluntersuchung Datenblatt Schleuse Schleusentyp F ll Entleersystem Betriebsart Bolzum neu Sparschleuse Endsystern mit Sparbeckenanbindung im Drempel Sparbeckenbetnieb Betrieb Restf ltung Verschlusscharakteristik nichtlinear Verschluss en Kammer JKammer Jkammer Unter Breitevs H hevs schw VS Zeit vS Zeitpunkt Gesamtzeit un ai Em er ETI FA EET bei Gmax ar m are serae a Betrieb F i Verschlusscharakteristik iinear e p Becken Becken Becken Anfangs Rest Becken Nr Breite SBK H he SBK Geschw SBY Zeit m Zeitpunkt Omax Gesamtzeit BE am re er fl che a breite druckh he druckh he auf i Om m m mi m m mal a m ma a mer e i in Here e a EEE TON ER EETE C A A DEERE AAAS aa SAES EEE aa a DAE ES a bearbeitet am Dateiname F llungBolzum 23 aufgestellt am 14 03 05 Bild 4 Programm Hydraulische Schleusenberechnung Datenblatt der neuen Schleuse Bolzum Sparbeckenbetrieb sparung dienen oder Pumpen das Schleusungswas Schleuse Bolzum F llung der Kammer Vorgabe der Str mungsbeiwerte ser zur ck in die obere Haltung f rdern sollen Die Ent ME EER p scheidung f r die eine oder andere Variante h ngt we i kenmei O sentlich von den Energiepreisen und deren zuk nftiger Si Entwicklung ab Kann in einer Sch
217. gverfahren Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 91 Henning et al 3D PTV Ein System zur optischen Vermessung von Wasserspiegellagen dass die Schnittwinkel der drei Bildstrahlen im Mess punkt zwischen 70 110 liegen Bild 1 Die streng zeitsynchrone Aufnahme aller Kameras wird als Bildtri pel abgespeichert welches im Postprocessing wieder als solches ausgewertet wird Alle Bildtripel der gesam ten Aufnahmedauer werden in einer Videodatei direkt auf dem Auswerterechner gespeichert Die Gr e die ser Datei richtet sich nach dem Format der aufgenom menen Bilder der Anzahl an Aufnahmen pro Sekunde und der L nge des Aufnahmezeitraums Die Kameras erzeugen monochrome Bilder mit 256 Helligkeitsabstu fungen 8 Bit wobei das einzelne Kamerabild eine Da teigr e von 0 48 bzw 1 39 MByte hat Durch die ge ringere Datenmenge pro Bildtripel lassen sich bei ge ringen Aufl sungen h here Aufnahmefrequenzen rea lisieren Hohe Aufl sungen erm glichen dagegen gr Bere Aufnahmebereiche oder genauere Punktmes sungen Tabelle 1 zeigt ein rechnerisches Beispiel der bei einem Versuch zu erwartenden Datenmengen Bei der Konfiguration des Auswerterechners sind die Da tenmengen im Vorfeld zu ber cksichtigen Aufl sung Daten Bildtripel Bildfrequenz Aufnahmedauer Datenmenge Datenmenge Mio Pixel MByte MBytes S VGA 0 48 4 9 49 96 1 24 38 10 10 24 40 139 60 143 Tabelle
218. h le einem Ruhezustand oder einem leicht mobilen Zu stand entspricht Die abschlie ende Analyse aller aufgezeichneten di gitalen Bewegungssequenzen die mehr als 1 TByte Speicherbedarf aufweisen befindet sich derzeit noch in der Ausarbeitung Eine synoptische Bewertung von Bewegungs und Druckdetektion ist erst nach Ab schluss dieser Auswertungen m glich Eine komplette Analyse der Resultate ist k nftigen Publikationen vor behalten Das Hauptziel dieser Untersuchungen war es eine tiefere Einsicht in die Erosions Sedimentations so wie Austauschprozesse an der Grenze zwischen Ober fl chen und Porenstr mung zu gewinnen Der vorlie gende Bericht beschreibt die eingesetzte Versuchs technik und erste Ergebnisse die sich auf die Be schreibung der Prozesse bei stabiler Sohle konzentrie ren W hrend sich die bisherigen Untersuchungen auf die Str mungs und Druckfluktuationen bis zur einset zenden Destabilisierung konzentriert haben sollten 134 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Wenka K hler Simultane Druck und 3D Geschwindigkeitsmessungen k nftige Untersuchungen berwiegend auf Erosions und Transportprozesse an beweglichen Sohlen aus gerichtet sein 5 Literatur BonNEFILLE R 1963 Essais de synthese des lois de debut d entrainment des sediments sous l action d un courant en regime uniforme In Bulletin du CREC Nr 5 Chatou DETERT M 2003 Stabilit t und Mater
219. h die Aufl sung des Messsystems nahezu im Bereich der Korngr e liegt Dieses Verfahren ist jedoch f r die Routine Messungen auf Grund der hohen Messzeit und der gro en Datenmengen ungeeignet Das photogrammetrische Messsystem wurde in den letzten Jahren dahingehend erweitert dass r um liche Messungen von Einzelpunkten m glich sind Da durch wurde es zum einen m glich die Lage von auf dem Wasser schwimmenden Partikel im Raum zu be stimmen wodurch Wasserspiegel und Oberfl chen geschwindigkeiten erfasst werden k nnen 3D PTV s dazu den Beitrag von Henning et al 2007 in die sem Heft Durch die Kenntnis der H he des Wasser spiegels zum Zeitpunkt der Messung k nnen nun auch Sohlgeometrien durch den Wasserspiegel hindurch w hrend eines laufenden Versuches vermessen wer den Bild 27 Mit Hilfe eines Schwimmk rpers bekannter Dicke und Eintauchtiefe kann die Lage des Wasserspiegels be stimmt werden Damit kann die Brechung des Lichtes am Wasserspiegel bei der Strahlverfolgung ber ck sichtigt werden Diese Methode geht von folgenden Voraussetzungen aus Der WSP stellt eine geometrische Ebene dar und liegt parallel zum Bezugshorizont Der Schwimmk rper repr sentiert die H he des Wasserspiegels Alle Kameras l sen zeitgleich aus und die Bilder werden zeitgleich gegrabbt hohe Anforderungen an die Hardware Daneben gibt es noch das Problem dass Turbulenzen im Wasser den Kontrast verringern und den St
220. h des Betriebes eines Mo dells nur Auswirkungen auf den Geschiebeeintrag am oberstromigen Modellrand Er wird daher in der Regel w hrend der Modellkalibrierung aus der Geschwindig keit von Geschiebetransportprozessen im Modell er mittelt und dann auf die Randbedingungen bertragen Zu beachten ist dabei dass mit einem vergr erten se dimentologischen Zeitma stab Sohlver nderungen im Modell in Relation zum hydrologischen Zeitma stab deutlich schneller ablaufen als in der Natur was bei der Interpretation der Ergebnisse zu beachten ist Bei den in der BAW betriebenen Modellen von Elbe und Oder lagen die theoretischen hydrologischen Zeit ma st be bei etwa 1 16 und die sedimentologischen Zeitma st be zwischen 1 1000 und 1 2500 Da in den Modellen keine extremen Hochwasserereignisse Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 29 Hentschel Hydraulische Flussmodelle mit beweglicher Sohle mit gro en Scheiteln oder steilen Anstiegen untersucht wurden s u zum Problem des berganges Geschie be Schwebstoff in sandig feinkiesigen Flussabschnit ten war es m glich mit hydrologischen Zeitma st ben zwischen 1 300 und 1 800 zu arbeiten Die Ab weichungen der Gef lle und Wassertiefen waren dabei relativ geringf gig Abflussganglinien ber zwei Jah re in der Natur bzw 20 bis 30 Stunden im Modell ent sprachen bez glich der langfristigen Sohlentwicklung einem Zeitraum von etwa sechs bis zehn Ja
221. h in den Versuchen ohne berlagerung der jeweiligen Str mung durch extern erzeugte zus tzliche Wellen beson ders gro In den tieferen Kornlagen verlieren sich die se Str mungsgeschwindigkeiten nahezu vollst ndig hnliches gilt f r die Ergebnisse der Messungen zur Turbulenzintensit t im Porenraum In diesem Experiment wurden zwei der k nstlichen Po ren an der Oberkante der Kiesschicht bei y 2 cm po sitioniert Der Abstand der Poren in der x Richtung be trug 25 cm vgl Bild 4 Die offene Pore war senk recht zur Sohle ausgerichtet und befand sich im di rekten Kontakt mit der freien Str mung Die zweite ge schlossene Pore die ebenfalls senkrecht zur Sohle ausgerichtet war wurde durch ein einzelnes Korn ab gedeckt und besa damit keinen direkten Kontakt zur Au enstr mung Die Messungen beziehen sich auf ei nen Abfluss von Q 0 056 m s und eine Wassertiefe von H d 20 Diese Werte entsprechen einer mittle ren Geschwindigkeit der Au enstr mung von ungef hr 0 3 m s und erreichen damit ca 10 der kritischen Schubspannung f r den Bewegungsbeginn 126 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Wenka K hler Simultane Druck und 3D Geschwindigkeitsmessungen Bild 14 und 15 zeigen f r das erste Zeitinterval von 30 s die horizontalen u und vertikalen v Geschwin digkeiten innerhalb der beiden Poren Die Zeitserien sind aus den r umlichen Mittelwerten aller Geschwin
222. h lange Wellen erzeugt wird wurde das Signal ber einen Hochpassfilter bei einer Frequenz von f 2 Hz getrennt wodurch ein exponen tieller D mpfungseffekt durch die Kiesschicht zwischen y d_ 0 0 und 2 0 sichtbar wurde Der hochpassgefilterte Wert von rms p z 5 0 7 5 bei y d 1 0 ber der Kiesschicht scheint vorerst nicht zur turbulenten Energie der Geschwindigkeit zu pas sen Wie anhand des Fotos in Bild 22 ersichtlich ist war dieser Sensor direkt in Richtung der Hauptstr mungsgeschwindigkeit orientiert sodass das gemes sene Signal beide Anteile aus TKE u und Druckfluktu ationen enth lt Durch einfache Subtraktion des Wer tes von TKE u der durch das ADCP erhalten wurde l sst sich der Anteil der turbulenten Druckfluktuation PSDip Pa Hz a 10 10 f Hz Bild 23 Energiedichtespektrum Pa7 Hz beit t 0 09 und 0 59 t 8 8 Pa 17 0 20 H d p 10 Ver tikalpositionen y d 1 0 0 0 0 x 1 0 V 2 0 und lt 4 0 andere Symbole Klar et al 2004a Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 129 Wenka K hler Simultane Druck und 3D Geschwindigkeitsmessungen signal h_ mm signal p Pa signal p Pa signal p Pa signal p Pa 100 102 104 106 108 110 t s 112 114 116 118 120 Bild 24 Drucka mpfung oberhalb im und unterhalb des Kiesfilters bei Hyd 9
223. h nicht vor Die ermittelten Oberfl chengeschwindigkeiten repr sentieren damit die M glichkeiten von LSPIV hinsicht lich der Nutzung von nat rlich erzeugten Oberfl chen mustern f r die Erfassung der Flussstr mung Die gr te Fehlerquelle liegt in diesem Fall in der unge nauen Vermessung der geometrischen Verh ltnisse zwischen den einzelnen Referenzpunkten Messungen von Creutin et al 2002 mit LSPIV und der Auswer tung der Oberfl chengeschwindigkeiten hinsichtlich des vorhandenen Abflusses zeigten nach Kalibrierung mit Hilfe der Sohlquerprofile einen maximalen Fehler a T Su T 11 Li y m Bild 13 LSPIV Testmessungen an der Cowlitz a Geschwindigkeitsverteilung im gesamten Mess feld b Geschwindigkeitsverteilung entlang eines Querprofils von 3 im Vergleich mit herk mmlichen Methoden zur Abflussmessung Zusammenfassend kann zu den Messungen der Ober fl chengeschwindigkeiten im Feld gesagt werden dass hiermit eine sehr einfach einzusetzende Messtechnik zur Verf gung steht um Aussagen ber die zeitlich ge mittelten Oberfl chengeschwindigkeiten an einem be stimmten Flussabschnitt zu ermitteln Auf Grund der Eigendynamik der Oberfl chenstrukturen ist es jedoch sehr schwierig in diesem Fall Aussagen zum Turbu lenzverhalten der Str mung zu machen 5 Zusammenfassung und Ausblick Mit Particle Image Velocimetry PIV steht ein Mess verfahren zur Verf gung das ber
224. hanics University of Karlsruhe WEITBRECHT V Kuhn G anD JiRKa G H 2002 Large scale PIV measurements at the surface of shallow wa ter flows Flow Measurement and Instrumentation 13 5 6 pp 237 245 WESTERWEEL J 2000 Theoretical analysis of the measurement precision in particle image velocimetry Experiments in Fluids Vol 29 Iss 7 003 012 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 89 Weitbrecht et al Geschwindigkeitsmessungen mit Particle Image Velocitry 90 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 3D PTV Ein System zur optischen Vermessung von Wasserspiegel lagen und Flie geschwindigkeiten in physikalischen Modellen DiPpL InG MARTIN HENNING DiPL ING FH VOLKER SAHRHAGE DIPL InG BERND HENTSCHEL BUNDESANSTALT F R WASSERBAU KARLSRUHE 1 Einleitung Im wasserbaulichen Versuchswesen ist die Kenntnis von Wasserspiegelh hen und Flie geschwindigkeiten die wesentliche Voraussetzung f r die Analyse von Str mungsvorg ngen Konventionelle Messverfah ren liefern i d R nur diskrete Informationen ber die H he des Wasserspiegels bzw ber die Geschwindig keit an einem konkreten Ort z B Ultraschallsonden Drucksonden vibrierende Spitzentaster Laser Dopp ler Anemometrie LDA Akustik Doppler Velocimetrie ADV Hitzdraht Anemometrie HDA Sie erm gli chen weder gro fl chige Analysen der Str mung noch die zeitgleiche Erfassung ganzer Str mun
225. hen Fahrspurbreiten und Sicherheits abst nden Beispielsweise wird f r das krap profiel das f r geringe bis moderate Verkehrsbelastungen vor gesehen ist eine Breite in H he der Kimmlinie von 3 b gefordert Das normaal profiel f r starken Verkehr er fordert eine Breite von 4 b Dies gilt f r Begegnungs verkehr F r den Richtungsverkehr wird nur die zwei fache Schiffsbreite gefordert Werden diese Zahlenwerte auf ein 11 4 m breites Fahr zeug angewendet ergibt sich z B f r das krap profiel eine erforderliche Breite in H he der Kimm von 34 2 m die in guter bereinstimmung steht zu den o g 36 m gem deutschen Richtlinien F r starken Verkehr w ren diese gem holl ndischer Richtlinie jedoch unter bemessen Im Richtungsverkehr ergibt sich in H he der Kimm eine Breite von 22 8 m Unter Beachtung der Zusatzbreite aus Schl ngelfahrt f r ein GMS von 4 1 m w rde sich nach dem oben vorgeschlagenen Be messungsansatz eine Breite von 15 5 m 4 1m 2x 1 5 m 22 6 m ergeben was wieder ziemlich genau dem vorgenannten Wert entspricht Auch die hollan dischen Richtlinien ber cksichtigen somit im Rich tungsverkehr einen Querversatz durch die Schl ngel fahrt Dies galt f r Uferb schungen die wie in Deutschland im Bereich m 2 4 ausgef hrt werden F r steile Uferb schungen wird ein Sichtzuschlag gefordert der jedoch nicht quantifiziert ist Tendenziell ergeben sich jedoch wie auch in deutschen Richt
226. hen Methoden schien ein Zugang zu allen hydro und morphodynamischen Frage stellungen m glich Es zeigte sich aber dass neben den stets limitiert vorhandenen Rechenkapa zit ten auch die deterministische Prozessabbildung fortw hrend an ihre Grenzen st t Mit zuneh mendem Prozessverst ndnis wird auch die Aufl sung der im mathematischen Modell abgebildeten relevanten physikalischen Prozesse erh ht z B Turbulenzmodelle von konstanter Wirbelviskosit t ber Large Eddy Modelle bis hin zur Direkten Numerischen Simulation Heute sind wir in der Lage auf Grund der messtechnischen Entwicklung und deren adaptierter Anwendung in hoch technisierten Laboren mit 3D Particle Tracking Velocimetry hochgenauer pho togrammetrischer Methoden zur Sohlaufnahme Automatisierungstechnik Ultraschallsensorik op tischen Kraftmessverfahren Laser Doppler Anemometrie Particle Imaging Velocimetry und vieles andere mehr r umlich und zeitlich hoch aufgel ste str mungs und feststoffdynamische Zust nde aufzunehmen Parameter wie statistische turbulente Gr en k nnen direkt gemessen werden Dies erm glicht die pr zise zuverl ssige Erhebung gro er Datenmengen die wiederum der Fortentwick lung mathematischer Verfahren dient Immersive dreidimensionale Visualisierungstechniken erlau ben gleicherma en f r mathematische und physikalische Modelle dem Betrachter das Eintauchen in die Str mung So erg nzen physikalische und mathematische Verfahren einande
227. hle bzw der k nst lichen Filter und Deckschichten beeinflusst Druck n derungen infolge von Wasserspiegelabsunk und Wel lenbelastung schneller Spiegelabsenkung und Druck fluktuationen der turbulenten Str mung haben Auswir kungen auf die Standsicherheit und das Verformungs verhalten von Unterwasserb schungen und Gew s sersohlen Die systematische Untersuchung der Str mung durch die Kiesschicht und deren Interaktion mit der dar ber liegenden Au enstr mung dient der gezielten und me thodischen Erforschung des Verhaltens des Einzel korns und von Kiesschichten unterschiedlicher Dicke bei zunehmender Str mungsbelastung bis zur einset zenden Destabilisierung Im Laufe der vergangenen 100 Jahre ist mit diversen Schwerpunkten die den jeweiligen Stand der Analyse und Messtechnik widerspiegelten intensive Forschung betrieben worden um vertiefte Einblicke in die theo retischen Hintergr nde der Flussbettstabilit t zu ge winnen Shields 1936 erstellte auf Basis von Labor messungen ein dimensionsloses Diagramm das u a den bergang zwischen stabiler und beweglicher Soh le beschreibt und als klassischer Ansatz zur Flussbett stabilit at angesehen wird Zwischenzeitlich sind weitere empirische Formeln entwickelt worden wie z B die Ans tze von Meyer Peter amp M ller 1949 Bonnefille 1963 Grass 1970 und Wilcock 1993 um bessere Ann herungen an spezifische Gegebenheiten erzielen zu k nnen Die Vielfalt g
228. hr nkt In einer Studie von N bel und Weitbrecht 2002 wurde PIV eingesetzt um in einem Laborversuch erzeugte Scherfugen in granu larem Material zu lokalisieren Die urspr ngliche PIV Technik zur Geschwindigkeitsmessung im Wasserk r per bedient sich der M glichkeiten eines doppelge pulsten Laserlichtschnittes zur Visualisierung von Par tikeln und zur Definition der Messebene In diesem Fall werden bei der Verwendung von typischen PIV Lasern Messfenster bis zu einer maximalen Ausdehnung von ca 20 x 20 cm erreicht Typische Anwendungen sind technische turbulente Str mungen aus den Bereichen des Maschinenbaus oder der Verfahrenstechnik z B Verbrennungsvorg nge in Motoren die Anwendung in Modellstudien des wasserbaulichen Versuchswesens z B Sch tzunterstr mung Lausen und Weitbrecht 1999 sowie in vielen Bereichen der Grundlagenfor schung zu turbulenten Str mungen In grundlegenden Untersuchungen zur Wirbeldynamik setzten beispiels weise Lin und Rockwell 1997 ein 3 D PIV System ein Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 79 Weitbrecht et al Geschwindigkeitsmessungen mit Particle Image Velocitry w hrend Herlina und Jirka 2004 2 D PIV in einem 16 cm Messfeld direkt an der Wasseroberfl che in einem Turbulenztank zur Untersuchung des Gasaus tauschs einsetzten Eine weitere wesentliche Anwendung der PIV Technik findet sich in der Beschreibung von Gerinnestr mungen durch die Ausw
229. hren in der Natur F r Detailfragestellungen werden in der Bundesanstalt f r Wasserbau neben den gro en Modellversuchen auch relativ kleinformatige Rinnenversuche durchge f hrt Bei diesen sind die hnlichkeitskriterien und die jeweiligen Methoden der Untersuchungen jedoch sehr stark von der jeweiligen Aufgabenstellung abh ngig sodass sie hier nicht allgemeing ltig beschrieben wer den 3 3 Grenzen der Modell hnlichkeit Neben den genannten M glichkeiten einer weitgehend natur hnlichen Simulation von Geschiebetransportvor g ngen in hydraulischen Modellen gibt es nach wie vor deutliche Grenzen der bertragbarkeit der beobachte ten Ph nomene Im Folgenden sind einige Aspekte zu sammengestellt bei denen f r die bertragbarkeit kei ne Methoden bekannt sind oder die Realisierung zu aufw ndig ist Schwebstofftransport Bei Untersuchungen zum Schwebstoff treten neben den allgemeinen Problemen des Geschiebetrans portes weitere Ph nomene auf die die Simulation in Flussmodellen erheblich erschweren oder unm g lich machen Dazu geh rt der abflussabh ngige ber gang zwischen Geschiebe und Schwebstoff die tem por re Ablagerung von Feinmaterial in str mungsbe ruhigten Zonen die biologische Verfestigung der Sohle in diesen Bereichen und die Remobilisierung bei stei gender Sohlschubspannung Daher wurden in den letz ten Jahren in der BAW keine Modelluntersuchungen zum Schwebstofftransport oder zu Schwebstoffablag
230. hung gew hlt ist bei der Pr fung der geeig neten geometrischen berh hung zu ber cksichti gen dass in diesem Fall die zus tzliche berh hung in die geometrische berh hung einbezogen wird siehe Tabelle 2 Ermittlung der erreichbaren Modellflie geschwin digkeiten berpr fung der ausreichenden L fterkapazit t bei angestrebter mittlerer Modellgeschwindigkeit v_ und bekannten Parametern der Naturstr mung Beispiel Annahme v_ 10 bis 30 m s und Vn Vr Ym p a Ko Ber hy Ap vu Im In Pn 9 E 2 p vu L ftergrenze berpr fung des Turbulenzkriteriums Anzustreben ist das Modell bei Geschwindigkeiten zu betreiben die gew hrleisten dass der Durchfluss im Luftmodell im rau turbulenten Bereich erfolgt Im Sta dium der Modellplanung wird angenommen dass die mittlere Flie geschwindigkeit v_ im Hauptstrom im Modell 10 bis 30 m s betragen soll F r die noch rele vanten Durchflussbereiche mit der geringsten mittleren Tiefe und den kleinsten Flie geschwindigkeiten im be trachteten Modell z B Flussvorland wird die mini male Modellgeschwindigkeit f r die das Turbulenzkri terium 1 eingehalten werden kann berechnet Mit Re 7000 und der Viskosit t von Luft krit v_ 1 5 10 m s ergibt sich f r Gleichung 1 mit Vm Ahy _ Wm Thym Rem em Y m Ym die Bedingung 5 7000 1 5 10 m s m Z A Fhym Unter der Annahme Ha 2 lhm ergibt sich die F
231. ialtransport bei Durch und berstr mung der Sohle von Wasserstra Ben In Vorbericht zur Phase Ill Institut f r Hydrome chanik Universit t Karlsruhe Bericht 783 DETERT M J rka G H JEHLE M KLar M J nne B K HLER H J WEnKA T 2004 Pressure Fluctuations Within Subsurface Gravel Bed Caused by Turbulent Open Channel Flow In Proceedings of River Flow 2004 Napoli Balkema Publishers DETERT M Lang C J RKA G H WEITBRECHT V 2004a Stabilit t und Materialtransport bei Durch und ber str mung der Sohle von Wasserstra en Bericht zum Abschluss der Phase Ill Druckfluktuationen im Inter stitial bei Belastung durch die Hauptstr mung bis zur einsetzenden Destabilisierung In IfH Bericht Nr 808 Universit t Karlsruhe DETERT M WEITBRECHT V J rka G H 2005 Druck und Geschwindigkeitsmessungen in und ber rau er Sohle In Workshop Grenzschicht Wasser und Bo den Ph nomene und Ans tze am 9 M rz 2005 TU Hamburg Harburg DITTRICH A 1998 Wechselwirkung Morphologie Str mung naturnaher Flie gew sser In Mitteilungen des Instituts f r Wasserwirtschaft und Kulturtechnik Heft 198 Universit t Karlsruhe DITTRICH A amp Tr ng K 1999 Turbulenzbedingte Pro zesse kleiner Flie gew sser In Wasserwirtschaft S 306 311 EMMERLING A 1973 Die momentane Struktur des Wanddruckes einer turbulenten Grenzschichtstr mung In Mitteilungen aus dem Max Planck Ins
232. iche sowie 0 2B f r eine raue und harte Sohle In Kan len wirkt sich diese Forderung i d R nicht aus wohl aber f r Fl sse in denen im Bereich von Engp ssen mit sehr kleinen Flottwas sertiefen gefahren wird e F rlangsam fahrende Binnenschiffe wird ein Sicher heitsabstand von 0 3 B im Falle eines geb schten Ufers und von 0 5 B zum senkrechte Ufer gefor dert also 0 2 B mehr 2 3 m bei einem GMS was in etwa der Differenz in Standardprofilen entspricht 4m 1 5 m 2 5 m Zusammenfassend ist als wesentliches Ergebnis fest zustellen dass auf gerader Strecke die Schiffsbreite als die skalierende Gr e f r die erforderlichen Sicher heitsabst nde angesehen wird Ein doppelt so breites Schiff erfordert somit den doppelten Sicherheitsab stand w hrend z B ein 185 m langer 11 40 m breiter Schubverband danach keine gr ere Breite ben tigt als ein Grofsmotorschiff Da auch der systematische Anteil der erforderlichen Fahrrinnenbreiten in Geraden also die Fahrspurbreite u a nach VBD Bericht 1434 proportional zur Schiffsbreite ist lag es nahe die hier besprochenen Modelluntersuchungen auf einspurige Fahrzeuge und auf Gro motorschiffe zu begrenzen 6 Zielsetzung der Untersuchungen Die Untersuchungen zielen auf eine ohnehin bei Mo dellen gebotene vergleichende Betrachtung da we gen der folgenden Aspekte keine allgemeing ltigen quantitativen Ergebnisse zu erwarten waren e Die zahlreichen vorher aufgez hlten n
233. ichkeit gew hrleistet sein muss was dann gegeben ist wenn alle angreifenden Kr fte im Modell in einem konstanten Verh ltnis zur Natur nachgebildet werden Da es bei einer ma st blichen Verkleinerung nicht m g lich ist alle Kr fte natur hnlich abzubilden beschr nkt man sich auf zwei f r den jeweiligen Modelltyp und die zu bearbeitende Fragestellung dominierende Kr ftear ten und vernachl ssigt die brigen unter Einhaltung entsprechender Grenzkriterien Dadurch kann eine an gen herte dynamische hnlichkeit erreicht werden Im Folgenden werden hnlichkeitsbedingungen mit Fokus auf die Modellpraxis erl utert 52 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Faulhaber Neue Methoden der aerodynamischen Modellierung 3 1 hnlichkeit der Fluid Str mung In Luftmodellen f r flussbauliche Fragestellungen die hier ausschlie lich betrachtet werden sollen m ssen haupts chlich Reibungs Druck und Tr gheitskr f te ber cksichtigt werden Als str mungsmechanische Kennzahlen kommen somit das ReynoLossche und das EuLersche Modellgesetz zur Anwendung Untersu chungen in aerodynamischen Druckmodellen sind nur m glich wenn der Einfluss der Schwerkraft auf das Str mungsgeschehen vernachl ssigt werden kann Turbulenzkriterium RevnouLos Zahl Eine strikte Einhaltung des RevynoLosschen Modell gesetzes Re Re ist bedingt durch die physika lischen Eigenschaften von Luft Z higkeit
234. icht be deutend da auch die Turbulenz die das Str mungs feld neben Tr gheits und Schwereeinfluss pr gt im Wesentlichen von Tr gheitskr ften und von den geo metrischen Randbedingungen bestimmt wird und da mit natur hnlich ist Die Reynoldszahl ist aber an den Antriebs und Steuerorganen der Modellschiffe nicht so gro dass ihr Einfluss vernachl ssigt werden k nnte Dies bedeutet beispielsweise dass die Ruderquerkraft im Modell hochgerechnet auf den Naturma stab bei gro en Ruderwinkeln i d R kleiner ist als in der Na tur vor allem aber dass bei ma st blich verkleinerter Drehzahl des Propellers kleinere Schubkr fte auftreten als entsprechende Werte in der Natur Deshalb muss im Modell in der Regel mit unma st blich gr eren Dreh zahlen gefahren werden als in der Natur um hnliche Schiffsgeschwindigkeiten zu erreichen was wieder zu verst rktem fahrdynamischen Einsinken am Heck und damit zu verst rkten Ansaugeffekten zum Ufer f hren kann Zusammenfassend kann gesagt werden dass sich Modellschiffe deshalb tendenziell nautisch kri tischer verhalten als ihre Gro ausf hrungen und zu s tzliche Nachweise der Modell hnlichkeit erforderlich werden ber die in Kapitel 7 berichtet wird Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 143 S hngen et al Modelluntersuchungen zur Ermittlung der erforderlichen horizontalen Sicherheitsabst nde MPa a Tun ara ErLF
235. ichtig ist dabei der Nachweis dass es durch den Modellbe trieb nicht zu einer naturun hnlichen Entmischung des Sohlmaterials kommt et a z 1 ol i ii i E ar 2 u i a n D E ifi u e n a a Ee r a a E r a i ur k D E a Ui 4 f j ya G a u Te r L ai i B k i i J Se a 7i k E a a 7 E i n l iiaia be a Ei ERBE ij pap F a 1 2 3 4 5 6 7 Nm mM 4 Modelltechnik am Beispiel des Odermodells bei Hohenwutzen 4 1 Allgemeines Die Schwerpunkte bei der Anwendung von hydrau lischen Geschiebetransportmodellen lagen in den letz ten Jahren nicht in der Weiterentwicklung der Modell theorie sondern in der Entwicklung neuer Betriebs Mess und Auswerteverfahren Das war zum einen m glich durch die rasante Entwicklung im Bereich der industriell verf gbaren Messsysteme zum Beispiel im Bereich der Photogrammetrie und Bildverarbeitung aber auch im Bereich der Rechentechnik Es ergaben TEF i 4 5 6 T Bild 10 Natur Oder Sand und Modellgeschiebe Polystyrol Problematisch ist bei fraktioniertem Geschiebetrans port dass die Korngr en in der Regel nicht im Modell ma stab verkleinert werden k nnen rolliges Material w rde bindig und seine hydraulischen Eigenschaften gravierend ver ndern sodass auf ein gr beres und leichteres Ersatzmaterial zur ckgegriffen wird Das ex trem feine Sohlmaterial fehlt somit in der Regel in den im Modell verwendeten Fraktionen wodu
236. ie Einhaltung dieses Modellgesetzes Fr Fr wird das Verh ltnis von Tr gheits und Schwere kr ften im Modell gleich dem in der Natur hnlichkeit des Wasserspiegel und Energielinien gef lles F r eine ma st bliche hnlichkeit der Wasserspiegel und Energieliniengef lle ist neben der Einhaltung des Froude Modellgesetzes die hnlichkeit der Energie verluste infolge Raunheit erforderlich Da zu der Rauheit sowohl die Kornrauheit als auch die Formrauheit Sohl form Querschnittsform etc geh rt ist dieser Punkt beim Betrieb von hydraulischen Geschiebetransport modellen besonders zu beachten Die aus der Sohl form resultierende Raunheit ist bei der Planung eines Modells nicht in jedem Fall theoretisch ableitbar so dass Vorversuche in einer Rinne bei unterschiedlichen Abfl ssen zur Auswahl des Modellgeschiebes und zur Wahl der Modell berh hung hilfreich sein k nnen Das gesamte Spektrum der m glichen f r die Rauheit relevanten Sohlformen ergibt sich jedoch erst in dem fertig gestellten und mit dem gew hlten Sohlmateri al gef llten hydraulischen Modell Dort sind dann die M glichkeiten einer Kalibrierung jedoch extrem einge schr nkt Lokale Verluste durch z B Bauwerke wie Br cken oder Buhnen oder infolge Querschnittsaufweitungen oder einengungen werden bei Beachtung der Froude Hentschel Hydraulische Flussmodelle mit beweglicher Sohle hnlichkeit in den hydraulischen Modellen korrekt be r cksichtig
237. ie Standardabweichung mit stei gendem Abfluss erh ht d h die relative D nenh he nimmt deutlich zu wie es auch in der Natur beobachtet werden kann Dieses Ph nomen wird derzeit in Koope ration mit der Universit t Braunschweig mit dem Ziel der Verallgemeinerung vertieft untersucht LWI 2005 Die Entwicklung der D nengeometrie folgt den Abfluss ver nderungen mit einer Verz gerung Hysterese Bild 34 zeigt zu diesem Versuch den Zusammenhang zwischen dem simultan aufgezeichneten Wasserspie gel und den Sohlformen die blaue Linie zeigt einzel ne Messwerte die rote eine Ausgleichsfunktion ber die Zeit Gut zu unterscheiden ist hier der ansteigende und der abfallende Ast der Kurve d h bei gleichem Wasserstand hat die Sohle bei steigendem und bei fal lendem Abfluss eine andere Form und damit auch eine andere Rauheit Scheitel Steigender Abfluss 15 WSP m NN Fallender Abfluss bi 43 TS 0 8 dr 0 5 1 Standardabweichung m Bild 34 Standardabweichung als Funktion des Ablusses Die Auswertung der Sohlh hen und formen bei in station ren Untersuchungen erm glicht eine umfang reiche Analyse der ber die Zeit und den Abfluss nicht konstanten Wechselwirkungen zwischen den jewei ligen Untersuchungsvarianten hier die Str mungsbe randung in Form von Buhnen und der Sohlgeometrie Diese Ph nomene sind in dieser Qualit t erst durch j ngste Entwicklungen der Messtechnik
238. ie einschl gige Literatur verwiesen Kobus 1984 DVWK ATV 2003 in der insbesondere die Theorie der hnlichkeitsgesetze dargelegt wird Hier wird nur inso fern auf die hnlichkeitsgesetze eingegangen als sie Besonderheiten derinderBAWindenletzten Jahren ver wendeten hydraulischen Geschiebetransportmodelle 26 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 beinhalten Die verwendeten Formelzeichen und Indi zes sind in Kapitel 8 beschrieben 3 1 1 hnlichkeit der Hydraulik hnlichkeit der Geometrie Die hnlichkeit der Geometrie ist die elementare Grundvoraussetzung und wird durch eine ma st bliche bertragung von Naturdaten in den Modellma stab er reicht Um eine hinreichende hnlichkeit der Str mung zu erhalten ist es jedoch oftmals erforderlich bei der Transformation f r die horizontalen und vertikalen Na turdaten unterschiedliche Ma st be zu w hlen ber h hung d h H henma stab 1 H gt L ngenma stab 1 L hnlichkeit des Verh ltnisses von Tr gheits zu Schwerekr ften Froude Zahl Bei Abflussvorg ngen mit freier Oberfl che wird der Flie vorgang durch die Schwerkraft aufrecht erhalten Der Energiegehalt der Str mung teilt sich auf in kine tische Energie Geschwindigkeitsh he und potenzielle Energie Wasserspiegelh he Diese Energiearten sind durch die Froude Zahl Fr verkn pft Somit gilt als all gemeines hnlichkeitsprinzip die Froude hnlichkeit Durch d
239. ie gescannten Ober fl achendaten werden dazu von Bewuchsinformationen befreit digitales Gel ndemodell Da an die BAW in der j ngsten Vergangenheit zunehmend Fragestellungen herangetragen wurden bei denen aus kologischen Gr nden Regelungsbauwerke nicht mehr vollst n dig entsprechend der technischen Sollparameter ge baut oder instand gesetzt werden sondern natur hn liche Strukturierungen behalten sollen m ssen Gel n demodelle in der Lage sein kleinr umige Strukturen abzubilden F r aerodynamische Modelle konnte eine neue Methode der Gel ndemodellierung das Bahn Schicht Fr sverfahren zum Einsatz kommen die hier kurz vorgestellt werden soll Beispiel Luftmodell Reitwein Kietz Das Luftmodell der Oder bei Reitwein Kietz Od km 603 8 bis 606 7 Bild 13 das im Jahr 2004 erstmals mit einem Bahnfr sverfahren erstellt wurde bildet eine Strecke von 2 9 km im L ngenma stab 1 350 und im H henma stab 1 175 ab Da mittlere Durchfl sse un tersucht wurden beschr nkte sich die Modellierung des durch weite Vorl nder charakterisierten Gel ndes auf den ufernahen Bereich Es wurde eine konstante zus tzliche berh hung vorgesehen A A Tr R Me tE FS ee EEE n e u ng Bild 13 Luftmodell der Oder bei Reitwein Kietz ohne Farb anstrich Grundlage der Modellgeometrie waren Punktinfor mationen in Form von Befliegungs und Fl chenpeil daten die mit den Daten aus terrestrischen Vermes
240. ie gro r umigen Wir belstrukturen im Nachlauf einer Zylinderreihe unter nN sucht Der Durchmesser eines einzelnen Zylinders so wie der Abstand zwischen zwei Zylindern betr gt da bei 120 mm I IR In IR Ware Ka MR een en EI VRR IE Bes a en O i 3 Ba a le a y be Ra TE S QOO ETEEN AY el ul en Een aaa ETT E A T Bild 10 Ergebnisse der Oberfl chen PIlV Messung im Nachlauf einer Zylinderreihe a momentanes Geschwindigkeitsfeld b zeitliche Mittelung der Ge schwindigkeiten Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 85 Weitbrecht et al Geschwindigkeitsmessungen mit Particle Image Velocitry In Bild 10 sind Ergebnisse aus den Geschwindigkeits messungen im Bereich der Zylindernachl ufe darge stellt Der Messbereich hat in diesem Fall eine Ausdeh nung von 1 5 mx 1 5 m Im Vergleich zu den Buhnen feldmessungen wurde in diesem Fall eine Kodak Me gaplus Kamera mit einer Aufl sung von 1000 x 1000 Pixeln verwendet alle weiteren Komponenten sind identisch Bild 10a zeigt eine Momentanaufnahme der Str mung w hrend Bild 10b die zeitliche Mittelung der Geschwindigkeiten darstellt In diesem Fall konnten die Messungen zur Interpretation des transversalen Mas sentransports genutzt werden 4 Anwendung im Feld Im Jahr 2001 f hrte die USGS U S Geological Sur vey eine Machbarkeitsstudie zur Bestimmung von Oberfl chengeschwind
241. iegel h hen an den Rinnenausl ufen werden mittels Aus aufklappen eingestellt Die Regelung und berwa chung von Durchfluss und Wasserstand beider Rinnen erfolgt zentral ber einen PC am Steuerstand Einzel heiten sind Kapitel 2 Modellmesstechnik und Automa tisierung zu entnehmen Weiterhin sind die Rinnen mit Positionierungssystemen Traversierung ausgestattet siehe Bild 12 die es er m glichen Messsonden oder Laserpointer automa tisch an jede durch X Y Z Koordinaten definierte Stelle zu fahren Die Steuerung der Traversierung wird eben falls vom Steuerstand aus vorgenommen Die Traver sierung kann auch mit vorgegebener konstanter Vor schubgeschwindigkeit entlang der 0 80 m Rinne be wegt werden um so Schleppversuche durchzuf hren und z B Geschwindigkeitsmesssonden kalibrieren zu k nnen 4 2 Ausschnittsmodelle in der 0 80 m Rinne Als Ausschnittsmodelle werden hier Modelle bezeich net die von Bauwerken mit ber eine gr ere Breite konstanten geometrischen und hydraulischen Verh lt nissen einen schmalen Ausschnitt zwischen parallelen vertikalen L ngsw nden repr sentieren Der zu w h lende Modellma stab ist dabei u a durch die zur Ver f gung stehende maximale Modelldurchflusswasser menge und die rinnenabh ngige L nge der Beruhi gungsstrecke begrenzt und liegt in der Gr enordnung zwischen 1 5 und 1 10 4 2 1 Beispiel Schlauchwehruntersuchung Um die Eignung von Schlauchwehren f r den
242. ier Digitalkameras statt die das Messobjekt zeitgleich als Videosequenz aufnehmen Die Lage des Wasserspiegels und die Oberfl chen geschwindigkeiten werden durch sogenannte TIra cer verk rpert Dies sind auf der Wasseroberfl che schwimmende Teilchen die in der Auswertung in je der einzelnen Aufnahme automatisch erkannt und de ren Positionen bestimmt werden Durch den Bewe gungsfortschritt zwischen den Bildern ist es m glich ihre Bewegung im Raum Lage und Geschwindigkeit zu rekonstruieren Das System besteht aus einer Echt zeitanwendung f r die Bildaufnahme und der Auswer tung Bei der Auswertung erfolgt die Identifizierung der Tracer durch digitale Bildverarbeitung und die anschlie Bende Referenzierung zur Feststellung ihrer Raumko ordinaten 2 1 Bildaufnahme In Echtzeit erfolgt die Aufnahme durch drei progres sive Industriekameras die zueinander starr verbun den den Kamerakopf bilden Das derzeit vorhandene System besteht aus einer S VGA 800 x 600 Pixel max 60 Hz und zwei XGA 2 Kameras 1360 x 1024 Pixel max 10 Hz Bild 1 Kameraanordnung im 3D PTV System Bei optimaler Konfiguration sollte die von den Kameras aufgespannte Ebene zur zu vermessenden Oberfl che ausgerichtet und die Kameras auf einem Vollkreis in 120 Schritten verteilt sein Zur einwandfreien Punkt bestimmung sollten die Kameras so angeordnet sein liefern Vollbilder im Gegensatz zu Halbbildern beim Zeilen sprun
243. igkeiten mittels eines Radar systems durch Die Messungen fanden an der Cow litz am Castle Rock Washington statt Begleitend zu den Radarmessungen wurden zwei Videomessreihen mit einer handels blichen Videokamera Sony CCD TR910 Hi8 durchgef hrt die etwa 3 m ber der Was seroberfl che und 30 m entfernt vom Flussufer posi tioniert wurde Die erste Serie der Bilder wurde ge macht w hrend sich die beiden Messboote der USGS im Bereich der Messebene befand Bild 11 Die Boote waren zu diesem Zeitpunkt an einem Stahlseil fixiert welches sich im Bereich der optischen Achse der Ka mera befand Diese Bildsequenz wurde dazu verwen det die ben tigten Informationen zu sammeln die eine Transformation der stark verzerrten Bilder in ein kar tesisches Koordinatensystem erm glichen Dazu wur den mittels Laser die Entfernungen zwischen Kamera und den beiden Booten sowie zu anderen sichtbaren Objekten als Referenz vermessen beiden Messbooten der USGS Die zweite Bildsequenz wurde bei ungest rter Was seroberfl che aufgenommen Signifikante Windeffekte konnten w hrend den Messungen nicht wahrgenom men werden Der Himmel war teilweise bedeckt und die Sonneneinstrahlung kam von links etwa aus der Richtung der Flussachse Wie in Bild 11 zu erkennen ist werden durch diese Art der Beleuchtung Oberfl chenstrukturen visualisiert die auf der Wasseroberfl che mittransportiert wurden Diese Oberfl chenstruk turen entstehe
244. ihrer Eignung im Was serbau kaum noch eingesetzt da hier die dreidimen sionalen numerischen Modelle mit Erfolg Anwendung finden Dank der Fortschritte in Modellbau und Messtechnik hat sich die aerodynamische Modellierung zu einem Verfahren des wasserbaulichen Versuchswesens ent wickelt das gr ere Beachtung verdient Derzeit sind an den Entscheidungsprozessen ber bauliche Ma nahmen an den Fl ssen zunehmend unterschiedliche Fachleute und interessierte B rger beteiligt Es ist des halb erforderlich Str mungs und Transportvorg nge auch Fachfremden verst ndlich erl utern zu k nnen In solchen Diskussionsprozessen haben gegenst nd liche Ma stabs Modelle den Vorteil dass sie dem fachfremden Publikum oftmals leichter zug nglich ge macht werden k nnen als numerische Modelle Im An schluss an die Untersuchungen k nnen Luftmodelle als Funktions oder Anschauungsmodelle an anderer Stelle auch in senkrechter Position an W nden wie der aufgebaut werden Auf Grund des vergleichsweise 70 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Faulhaber Neue Methoden der aerodynamischen Modellierung geringen Platz und Ausr stungsbedarfs k nnten Luft modelle auch in der Lehre st rker zum Einsatz kom men 8 Literaturverzeichnis ALBRECHT H E Borys M DamaschKe N TROPEA C 2004 Laser Doppler and Phase Doppler Mea surement Techniques Experimental Fluid Mechanics Springer Verlag Ber
245. ik der Universit t Karlsruhe IfH und dem Institut f r Wissenschaftliches Rechnen der Universit t Hei delberg IWR durchgef hrt Die Versuchseinrichtungen wurden in einer B 0 90 m breiten Laborrinne der Bundesanstalt f r Wasserbau installiert Bild 3 Mit dieser Konfiguration wurden bei maximaler Beaufschlagung von Qa 0 275 m s und Wassertiefen von H 0 20 m bzw H 0 40 m Str mungsgeschwindigkeiten erreicht die eine Sohlbelas tung bis hin zu einsetzendem Sedimenttransport be wirken In das Gerinne ist ber einer Nutzl nge von L 30 m eine Sandschicht der H he H 0 50 m ein gebracht die durch eine por se Kiesschicht der H he H 0 04 0 20 m abgedeckt wird vgl Bild 4 Durch optionalen Einbau einer Gummimatte an der Schnittstelle Sand Kies war es m glich mit und ohne hydraulischem Kontakt zwischen Kiesschicht und un terliegender Sandschicht zu arbeiten Der eigentliche Messbereich befindet sich ca 15 m unterstrom in ei ner Position bei der Einfl sse der Zu und Abstr mung weitgehend ausgeschlossen werden k nnen Der Kies innerhalb der Filter bzw Deckschicht besitzt einen mittleren Korndurchmesser vond 10 mm und einen Ungleichf rmigkeitsgrad von C d d 1 25 d h es handelt sich n herungsweise um Einkornmaterial Die Porenzahl wurde bestimmt zu 62 4 Sch tt 2004 Der kombinierte Einsatz optischer Mechanischer Wellen d mpfer dichte p 1 538 g cem Kor
246. in stimmung f hrt Einer Erweiterung dieser Technik auf dreidimensionale Sohlstrukturen steht noch aus 6 Danksagung Die Autoren danken A Rummel f r die Bereitstellung der PIV Daten aus den Versuchen zur Zylinderumstr mung Die Untersuchungen zum Einfluss von Buhnen feldern auf den Stofftransport wurde durch das BMBF 02 WT 9934 9 finanziert w hrend die Finanzierung der Arbeiten am Flachwasserbecken durch die DFG Ji 18 4 3 geleistet wurde 7 Literatur ADRIAN R J 1991 Particle Imaging Techniques for Ex perimental Fluid Mechanics Ann Rev of Fluid Mech Vol 23 261 304 Apr an R J 1997 Dynamic ranges of velocity and spa tial resolution of particle image velocimetry MEASURE MENT SCIENCE amp TECHNOLOGY 8 12 1393 1398 Ak L H anD Rockweu D 2002 Vortex formation from a cylinder in shallow water PHYSICS OF FLUIDS 14 9 2957 2967 BRADLEY A A KRUGER A MESELHE E A anD MUSTE M V 2002 Low Flow Measurement in Streams Using Video Imagery Water Resources Research in press CARMER C F v 2005 Turbulent Shallow Wake Flows Momentum and Mass Transport due to Large Scale Coherent Vortical Structures Dissertation Institut f r Hydromechanik Universit t Karlsruhe eingereicht CHEN D anp G H J rka 1998 Instability characteri stics of mixing layer and jet under the joint effects of bottom friction and viscosity IAHR J of Hydraulics Re search V 36 815 830 88 Mitteilu
247. in Luft oder Wasser einander Kommt in Luft und Wasserstr mung jeweils Sand als Geschiebematerial zum Einsatz folgt aus Gleichung 12 die Bedingung d 2 18d 13 Zus tzlich muss dann beachtet werden dass der Korndurchmesser des Modellgeschiebes im Verh lt nis zur Str mungstiefe nicht zu gro wird Erh lt man zu gro e notwendige Korngr en f r das Modellge schiebe d gt 0 05 t so kann im hydraulisch rauen Be reich in dem f r einen weiten Bereich Re gilt in Wasser Fr 0 04 in Luft Fr 0 01 von Gleichung 13 abgewichen werden Es muss dann die Bedingung Va const Vie 14 eingehalten werden hnlichkeit der Art des Geschiebetransports Bei der Untersuchung der Geschiebebewegung ist zu ber cksichtigen dass sich in Abh ngigkeit von Fr und Re an der Sohle die malsgebenden Transportk rper als D nen oder Riffel ausbilden Das Verh ltnis von Transportk rperh he A zu Transportk rperl nge A ist bei Riffeln gr er als bei D nen Folgende Erfahrungs werte k nnen als Richtgr en dienen Wasserstr mung mit Sandgeschiebe hydraulisches Modell A A x 125 bis 160 Luftstr mung mit Sandgeschiebe aerodynamisches Modell A A 14 bis 16 Aus den Untersuchungen in Wasserstr mung sind folgende Faustregeln bekannt D lt 5 keine D nen D lt 15 Riffel bei Steigerung der Geschwin digkeit D nen D gt 15 D nen Aus praktischen Gr nden k nnen im aerodynamischen Modell nur Untersuch
248. in m as a na a m er OR a ma 28 R 40 ma 28 Tabelle 3 Prognose des Sicherheitsabstandes zu Uferb schungen f r Richtungsverkehr s erfa o f r Standard T m 3 und R m 0 Kanalprofile und moderne GMS bzw SV mit 2 5 m und 2 8 m Abladetiefe L ngen in m Die Auswertung nach A und dem zugeh rigen effek tiven Querschnittsverh ltnis N A B T erweist sich dabei als nahezu unabh ngig davon wie A er mittelt wurde ber die Leinenposition oder erf a und ist auch nur wenig von m abh ngig Die Streuung der N Werte liegt bei ca 21 ein Wert der in Anbe tracht des Datenumfanges und des human factor ver tretbar ist Der errechnete Mittelwert von n bei 1 0 Dies bedeutet Zwischen Schiff und Ufer muss um eine sichere Fahrt im Richtungsverkehr zu erm glichen mindes tens der Querschnitt des eingetauchten Schiffes vorliegen liegt ziemlich genau Wird diese Bemessungsregel auf die Verh ltnisse in den deutschen Standard Ausbauprofilen von Kan len angewendet dann ergeben sich die in Tabelle 3 an gegebenen Sicherheitsabst nde erf a po Sie liegen f r Richtungsverkehr zwischen 5 4 m f r 1 3 geneigte Uferb schungen und 8 m f r m 0 Wird hiervon entsprechend den Betrachtungen in Ka pitel 3 die Breite der Schl ngelfahrt abgezogen um den unteren Grenzwert der Sicherheitsabst nde f r Begegnungen in Kan len zu erhalten ergeben sich die in Tabelle 4 dargestellten
249. inerung Hierbei ar beitet die Bundesanstalt f r Wasserbau erfolgreich mit Universit ten zusammen Schwerpunkte der k nftigen gemeinsamen Forschung sollen in der grundlegenden Analyse von Geschiebetransportvorg ngen insbeson dere von D nen aber auch in der Entwicklung bes serer Modellgesetze f r den Geschiebetransport zur bertragung dieser komplexen Naturvorg nge in die Wasserbaulaboratorien liegen 8 Verzeichnis der verwendeten Abk rzungen und Symbole Indizes M Modell m Mittelwert N Natur r Relation Ma stab Natur Modell S Sediment W Wasser 44 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 3 aaaa g Q Fr Fr Ps Pu Hentschel Hydraulische Flussmodelle mit beweglicher Sohle Dicke L nge charakteristischer Korndurchmesser mittlerer Korndurchmesser Ma stab der Korngr e sedimentologischer Korndurchmesser Ag i d f J j dy v Froudezahl Verh ltnis von Tr gheits zu Schwerekr ften Froudezahl der Kornes Verh ltnis der treibenden zu den haltenden Kr ften 2 Yr Pie A 8 dm Wassertiefe D nenh he Ma stab der H hen H henma stab der Sohlformen Transportk rper Energieliniengef lle D nenl nge Ma stab der L ngen Abfluss Reynoldszahl Verh ltnis von Tr gheits zu Z higkeitskr ften Reynoldszahl des Kornes Ve din Y Re Zeitma stab sedimentologischer Zeitma stab Zeitma stab der Entwicklung von D nen Transportk
250. ischen Modell gemessenen Sohlrauheiten Standard abweichung der Sohlh he bestimmt s Bild 38 und Bild 39 Die mit dieser Anpassung errechneten Was serspiegel passten nun ber das gesamte Abfluss spektrum gut mit Naturmessungen berein Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 43 Hentschel Hydraulische Flussmodelle mit beweglicher Sohle E Vanrante YO Marianke Wi a Standardabweichung m Ru g BAA BAN Hinia Bild 38 Varianten und abflussabh ngige Sohlrauheit mittlere Standardabweichung der Sohle ber drei Versuche ib a Ca A ka Rauheit k mm 2D HN Modell 0 0 8 0 4 0 5 0 8 07 Standardabweichung m Physikalisches Modell Bild 39 Rauheitswerte im hydraulischen und im numerischen Modell Die ver nderten Sohlrauheiten im hydraulischen Mo dell bei den Untersuchungsvarianten Variante 1 mit einer deutlichen Ver nderung der Buhnengeometrie in Bild 38 wurden ebenfalls f r die numerischen Be rechnungen bernommen sodass neben den Ver n derungen der Geometrie auch die Ver nderungen der Sohlrauheit ber cksichtigt werden konnten Bild 39 zeigt exemplarisch f r einen Niedrigwasserabfluss wie sich aus der ge nderten Sohlstruktur im hydrau lischen Modell eine nderung des k Wertes f r das nu merische Modell auf Grund der Variante Ver nderung der Str mungsberandung durch Buhnen nderungen ergeben Die lineare Abh ngigkeit de
251. it einem Tachymeter mit integrierter Entfernungsmessung und automatischer Zielverfol gungseinrichtung zu messen Mit der sogenannten To talstation kann die Lage des Prismas welches auf dem Schiff positioniert wurde relativ zu den Modellkoordi naten gemessen werden Somit ist eine direkte Mes sung m glich und ein aufw ndiges Nachbearbeiten nicht erforderlich In der geraden Versuchsstrecke wurde zur Bestim mung des Driftwinkels und der Lage des Schiffes zu s tzlich ein Entfernungsmesser auf das Schiff montiert Zum Prinzip des Messverfahrens siehe Bild 4 X Y Z Koordinaten Bild 4 Prinzip des Messverfahrens 144 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 S hngen et al Modelluntersuchungen zur Ermittlung der erforderlichen horizontalen Sicherheitsabst nde ha En il an gt ks RS g h i i A i N T k h a u sh s Wl LS z T n Bild 5 Begegnungsfahrt zweier Schubverb nde im Standard Trapez Profil 7 3 bertragbarkeit der Modell ergebnisse und Modelleffekte Bei der bertragbarkeit der Modellergebnisse ist zu n chst zwischen Leistungs und Man vrierverhalten zu unterscheiden Ma stabsvergleichsuntersuchungen zwischen den Ma st ben 1 16 und 1 25 in der VBD zeigten hinsichtlich der bertragung des Leistungs bedarfs der Schubwirkung und der Drehzahl z hig keitsbedingte Ma stabseffekte die mit zunehmender Schiffsg
252. it einer Deckscheibe wird die obere Str mungsberandung analog zu den festen Berandungen Sohle und B schungen ber cksichtigt 4 Analyse und Auswertemethoden mit FlieGe Verschiedene Auswerte und Darstellungsarten erm g lichen die Bewertung der r umlichen Str mungsver h ltnisse Bild 2 zeigt ein Geschwindigkeitsprofil in der Elbe mit einem Buhnenfeld ADCP Messung bei El km 511 11 Die blaue Farbe auf der rechten Seite der Gra fik symbolisiert den Bereich der R ckstr mung im Buh nenfeld B H 1 30 T E n a A E L L S A A 160 150 200 2320 240 260 220 300 320 340 260 a0 cc dm Abstand vom Profilnalpurkt em Bild 2 Isotachendarstellung der Geschwindigkeiten in einem Querprofil mit einem Buhnenfeld Durch das in Bild 2 als Isotachenbild dargestellte Be rechnungsraster wurden an frei w hlbaren Positionen drei horizontale Schnitte gelegt und in Bild 3 darge stellt Das Bild 4 zeigt die Auswertung von Geschwindigkeits differenzen zwischen zwei untersuchten Varianten in einem aerodynamischen Modell quasi Rohrstr mung als Windkanal Hier wurde nur der Bereich der Str mung der unterhalb der H he des Wasserspiegels liegt ausgewertet n heres zur Luftmodelltechnik bei Faul haber 2007 im gleichen Heft Durch die fl chige Be rechnung der Geschwindigkeitsverteilung k nnen mit dem hier beschriebenen Algorithmus auch g nzlich un terschiedliche Geometrievarianten untersucht werden Ein Finite
253. it kontinuierlicher Beleuchtung gearbeitet wer den da das Verh ltnis zwischen Gr e des Mess fensters und mittlerer Geschwindigkeit typischerwei se gr er ist als bei Messungen im Wasserk rper und deswegen die Anforderungen an die zeitliche Aufl sung weniger kritisch sind Eine helle gleichm ige Ausleuchtung kann bereits mit einfachen Strahlern Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 81 Weitbrecht et al Geschwindigkeitsmessungen mit Particle Image Velocitry erzielt werden Zur Erfassung zeitlich kritischer Str mungen k nnen mit der Kamera synchronisierte Stro boskopleuchten oder Hochgeschwindigkeitskameras eingesetzt werden 2 1 3 Aufnahmeeinheit Die Aufnahmeeinheit besteht im Wesentlichen aus ei ner steuerbaren CCD Kamera Von Vorteil sind Kame ras mit variabler r umlicher und zeitlicher Aufl sung F r einfache Anwendungen k nnen Standard Video kameras eingesetzt werden w hrend f r spezielle An forderungen an zeitliche und r umliche Aufl sung auf hochwertige PIV Kameras zur ckgegriffen werden muss Eine spezielle PIV Kamera zeichnet sich da durch aus dass sie in der Lage ist zwei Bilder sehr schnell hintereinander auf einen speziell daf r entwi ckelten Chip zu speichern Eine typische PIV Kamera erzeugt in diesem Modus 4 15 Doppelbilder pro Se kunde bei einer r umlichen Aufl sung von ca 1000 x 1000 Pixeln Zur Reduktion der anfallenden Datenmen ge sind in den
254. italters So war die Renaissance nicht nur f r die sch nen K nste son dern auch f r die Naturwissenschaften eine unvergleichliche Bl tezeit in der Universalgelehrte wie Leonardo da Vinci sich nicht nur mit den grundlegenden Ph nomenen z B der Fluidstr mung be sch ftigten sondern auch an praktischen wasserbaulichen Fragen wie z B dem Bau von Schleu sen und Wehren arbeiteten In den folgenden Jahrhunderten legten dann Physiker Mathematiker und Ingenieure wie Torricelli Newton Bernoulli Euler Froude Darcy Reynolds und Prandtl die phy sikalischen und mathematischen Grundlagen zur experimentellen Untersuchung von Str mungen Die systematische wissenschaftliche Erschlie ung der experimentellen Untersuchungsmethoden f r str mungsmechanische Fragestellungen f hrte schlie lich Ende des 19 Jahrhunderts zur Einrich tung des ersten Flussbaulaboratoriums in Dresden durch Hubert Engels dem Anfang des 20 Jahr hunderts Gr ndungen in Karlsruhe durch Theodor Rehbock und in Obernach durch Oskar von Mil ler folgten Die 1903 gegr ndete K nigliche Versuchsanstalt f r Wasserbau und Schiffbau in Berlin Vorg n gerinstitution der Bundesanstalt f r Wasserbau f hrte ebenfalls bereits Anfang des Jahrhunderts flussbauliche d h hydraulische Experimente mit beweglicher Sohle durch Aufgabenstellungen die bis heute in ihrer Aktualit t nicht an Bedeutung verloren haben Die Modellgesetze von Froude Reynolds Euler Weber und M
255. iten und Wasserspiegel notwendig die mittels 3D PTV unter der Randbedingung eines dreidimensionalen Wasserspiegels erfasst wurden BAW 2004 Zur berpr fung der Wasserspiegelmes sungen wurden auch konventionelle Spitzentastermes sungen durchgef hrt Es stellte sich heraus dass im Oberfl chengeschwindigkeit m s 342 95 Rhein km 96 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Henning et al 3D PTV Ein System zur optischen Vermessung von Wasserspiegellagen Bild 11 Foto des Schlauchwehrs vor Einbau der Mess technik Bild 12 Wasserspiegel und Oberfl chengeschwindigkeiten am Schlauchwehr Bereich der gro en Kr mmung des Wasserspiegels im berfallbereich die Spitzentastermessung durch Pro bleme beim Antasten deutlich schlechtere Ergebnisse lieferte als die 3D PTV Im Modell gemessene Geschwindigkeiten lagen zwi schen 0 3 und 1 1 m s bei einem Aufnahmefeld von ca 0 7 x 0 7 m und einer Bildfrequenz von 60 Hz Da die Messebene horizontal lag konnten ab einem gewissen berfallwinkel die Bewegung der Teilchen wegen ihrer ung nstigen Lage zum Kamerakopf nicht mehr ausge wertet werden Der Oberwasserspiegel verl uft eben falls ann hernd horizontal sodass dort eine sehr gute Datenrate und qualiti t erzielt werden konnte 3 1 4 Mittelwertbildung Bei der Betrachtung von Flie geschwindigkeiten und Wasserspiegellagen bei ungleichf rmigen Str mungs vorg ng
256. kte und korrekten Wasserspiegelh henbestimmung werden zwei Verfahren vorgeschlagen Durch die Auf nahme kurzer Bildsequenzen und einfache Verfahren der Bildsequenzverarbeitung entstehen Akkumulator bilder welche eine weitgehend wellengangsunabh n gige Wasserspiegelbestimmung erlauben Eine stren ge L sung auf der Basis einer Doppelprojektion der re flektierten Laserlichtschicht auf zwei parallele vertikale Projektionsfl chen erlaubt dar ber hinaus die simulta ne Bestimmung von Wasserspiegelh he und Oberfl chennormale Praktische Tests des Verfahrens beweisen seine An wendbarkeit und sein Genauigkeitspotenzial Bezogen auf ein Gesichtsfeld einer Breite von 70 cm wurde in Versuchsmodellen eine H hengenauigkeit deutlich un ter 0 1 mm verifiziert 1 Einleitung Die Bestimmung von Wasserspiegellagen in hydrau lischen Modellen stellt eine h ufige Messaufgabe im hydromechanischen Versuchswesen dar Als etablierte Messwerkzeuge werden hier beispielsweise Stechpe gel oder Ultraschallsensoren eingesetzt Diese Werk zeuge liefern zun chst punktf rmige Messungen zur Generierung von H henprofilen m ssen entweder mehrere Sensoren simultan eingesetzt werden oder Messsysteme m ssen traversiert werden Dagegen er laubt der Einsatz optischer Messverfahren auf der Ba sis bildgebender Sensoren simultane Messungen an einer gro en Anzahl von Messpunkten Auf Grund der optischen Eigenschaften von Wasser oberfl chen scheiden kl
257. ktur der Laufzeitschwankungen werden die Laufzeiten der kon stanten Referenzstrecke und der Messstrecke in Re lation gesetzt Die Signalverarbeitung und die Signal analyse werden mit elektronischen Schaltungen und einem Mikrocontroller durchgef hrt F r die messtech nische Weiterverarbeitung der Messh he wird ein nor miertes Spannungssignal von 0 5 V f r 0 500 mm Messh he generiert Die erreichbare Messfrequenz betr gt 10 Hz 2 5 Betrieb von Wasserbauwerks modellen Die zu untersuchenden modelltechnisch natur hn lich nachgebildeten Wasserbauwerke wie Wehre und Kraftwerke sind in der Regel mit mehreren Wehrver schl ssen oder Turbinenstelleinrichtungen ausgestat Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 11 Grimm et al Entwicklungsstand der physikalischen Modelluntersuchung tet Die Antriebe m ssen funktionell verschiedenen steuerungs und regelungstechnischen Anforderungen gerecht werden Der Unterwasserstand wird wie vor stehend erl utert eingepegelt Besondere Bedeutung kommt den Wehrverschl s sen zu die als Regelorgane den Oberwasserspiegel auf vorgegebenem Niveau halten Dies wird mit einer reglungstechnischen Verkn pfung der Wehrbewegung und des Oberwassers erreicht Geschwindigkeit und Hubh he der Wehrverschl sse werden durch Linear antriebe realisiert die mit Schrittmotoren ausgestattet sind Die Hubh hen der Linearantriebe werden durch Linearisierung an die unters
258. labors ent f llt 2 PIV Grundlagen Unter dem Oberbegriff PIV k nnen sehr verschieden zusammengestellte Systeme bzw verschiedenartige Bildaufnahmetechniken zusammengefasst werden Eine gute bersicht dazu liefern die bersichtsartikel von Adrian 1991 bzw Prasad 2000 das Buch von Raffel et al 1998 bzw das Sonderheft aus Measure ments Science and Technology von Kompenhans und Tropea 1997 Die PIV Technik basiert auf der Auswertung optisch er fasster Partikel bzw Intensit tsmuster die durch eine Str mung bewegt werden Der zur ckgelegte Weg die ser Partikel bzw Intensit tsmuster innerhalb einer be kannten Zeit wird dann hinsichtlich der Geschwindig keit ausgewertet Ein wesentliches Unterscheidungs merkmal verschiedener PIV Systeme liegt in der Ver wendung der Autokorrelations bzw Kreuzkorrelations technik Im ersten Fall werden die Geschwindigkeits vektoren aus einer doppelbelichteten Einzelaufnahme ermittelt w hrend im Fall der Kreuzkorrelationstechnik die Verschiebung der Partikel aus zwei zeitlich aufei nander folgenden Bildern berechnet wird Da im Fall der Autokorrelationstechnik zwar die Richtung bzw der Betrag der Geschwindigkeiten nicht jedoch das Vor zeichen erfasst werden kann und inzwischen die Ka merageschwindigkeit meist keinen limitierenden Faktor mehr darstellt wird fast ausschlie lich die Kreuzkorre lationstechnik angewendet welche die Grundlage f r die weiteren Ausf hru
259. las Zahl Re enthalten W hrend das 108 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Unterwassergewicht des Sedimentkornes die wider stehende Kraft in der kornbezogenen Widerstandszahl darstellt ist die z higkeitsbehaftete Tr gheitskraft die antreibende Komponente Mit Gl 6 liegt somit eine dimensionsanalytische Umfor mung vor mit der eine beliebige physikalische Zielgr Re des lokalen Erosionsprozesses im hydraulischen bergangsbereich erfasst werden kann Zur Anwendung dieses Ansatzes auf den Erosions prozess an einem Bauwerk muss der Einfluss charak teristischer Bauwerkselemente auf die lokalen Str mungsverh ltnisse eingearbeitet werden Erst damit kann dann Gl 6 auf einen konkreten Fall angewendet werden 2 3 Bauwerksparameter Abh ngig vom Bauwerkstyp bspw Br cke Buhne Wehr beeinflussen unterschiedliche Bauwerkspara meter den Kolkprozess vgl Bild 2 Am Beispiel eines Kolkprozesses im Unterwasser einer Wehranlage mit dem Abflussvorgang des unterstr mten Sch tzes wird dieses konkretisiert Die ma geblichen Bauwerkspara meter sind I m L nge der befestigten Sohle m s m Absturzh he des Wehrvorbodens m a m Sch tz ffnung i UUU T E Kolkbank a Lp Kolkb schung Kolkloch Bild 2 Definitionsskizze Die Parameter besitzen einen unterschiedlichen Ein fluss auf den Erosionsprozess nachfolgend wird die ser Einfluss erl utert L
260. le Geschwindigkeitsverteilung in Natur und im Luftmodell Bei der Methode der aerodynamischen Modellie rung ohne zus tzliche berh hung Bild 2c wird die Deckplatte in der geometrisch bertragenen H he des Naturwasserspiegels aufgelegt Sie ist in der prak tischen Ausf hrung sehr einfach Bei dieser Metho de wird die vertikale Geschwindigkeitsverteilung inso fern nicht hnlich abgebildet als durch die Reibung an der Deckplatte das Geschwindigkeitsprofil in der N he des Wasserspiegels verf lscht wird Es kann durchaus eine hnliche Ausbildung des sohlennahen vertikalen Geschwindigkeitsprofils erreicht werden die mittleren Geschwindigkeiten werden jedoch etwas zu gering ab gebildet Korrekturfaktor erforderlich Im Rahmen der Modellkalibrierung k nnen die horizontalen Geschwin digkeitsverteilungen und damit die Verh ltnisse von Durchfl ssen verschiedener Querschnittsbereiche je doch natur hnlich abgebildet werden In Luftmodellen ohne zus tzliche berh hung k nnen vertikale Ge schwindigkeiten nur sohlennah und nicht im Bereich des Wasserspiegels ausgewertet werden Bei der Un tersuchung fl chiger Geschwindigkeiten sollten die Messebenen nicht in der N he der Deckplatte sondern in der unteren Modellh lfte liegen Um ohne Spiegelmodelle Verf lschungen des vertikalen Geschwindigkeitsprofils im Bereich des Naturwasser spiegels auf Grund der unterschiedlichen Bedingungen bei Freispiegel und Druckstr mung ausz
261. len zu k nnen vioselstaustufe Grevenmcher M 1 50 Haw um blod a0 am b B0 cm 1 cm Tom Areahl 1 Stusck Awi HE 3 0 1007 0 Bild 22 Wehranlage Grevenmacher Werkstattzeichnung und eingebauter Modellwehrk rper Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 21 Grimm et al Entwicklungsstand der physikalischen Modelluntersuchung Nach Abschluss der Modellvorbereitung erfolgt der Auf bau der Flussstrecken im OW und UW mit der natur getreuen detaillierten Nachbildung der Gew ssersoh le und allen in diesem Abschnitt vorhandenen Bauwer ken 5 2 Modelluntersuchung Im Wesentlichen werden Untersuchungen an Staustu fenmodellen durchgef hrt um Grundlagen zu schaf fen f r Begutachtungen auf den zwei Problemfeldern Hochwasserabfuhr und Schifffahrtsverh ltnisse Hochwasseruntersuchungen an Staustufen sind ein wichtiges Hilfsmittel um die Hochwasserneutralit t von Neubau und Umbauma nahmen im Bereich einer Stau stufe im Vorfeld der Realisierung sicherzustellen und sie erm glichen eine wirtschaftliche Dimensionierung der Wehre der Schleusenanlagen und der Kraftwerke Bei bestehenden Anlagen dienen Hochwasseruntersu chungen der Analyse der Hochwasserabfuhr im Normal fall und der berpr fung der Abfuhrsituation im n 1 Fall nach DIN 19700 Am Modell der Moselstaustufe Grevenmacher Bild 23 wurden sowohl die Hochwasserableitung im Normal und n 1 Fall untersucht als a
262. lerdings m ssen entsprechende Strukturen vorhan den sein oder erzeugt werden was sich beim Einsatz von Lasern mit sehr kleinen Bildausschnitten durch die Zugabe von z B Farbe oder Luftbl schen erf llen l sst Bei der Aufnahme von gr eren Bildausschnitten ohne Laser ist die Verfolgung von Luftblasen in Turbu lenzen oder eines Schaumfilms auf der Wasserober fl che denkbar Nachteile der PIV sind der aufw ndige Aufbau die Ein haltung der Sicherheitsbestimmungen beim Einsatz eines Lasers und der sehr kleine Bildausschnitt der sich beim Verfahren mit Laser ergibt Beim Verfahren ohne Laser entfallen diese Nachteile die Einschr n kung besteht dann darin dass eine Identifikation der Messebene nicht ohne Weiteres m glich ist 98 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Henning et al 3D PTV Ein System zur optischen Vermessung von Wasserspiegellagen 4 Zusammenfassung Der Aufbau und Betrieb der 3D PTV erfordert fachkun diges Personal und muss mit h chster Genauigkeit durchgef hrt werden Der hohe Datenanfall erfordert leistungsf hige Hard und Software Die St rken des Systems liegen in der Auswertung von Wasserspiegeln und Flie geschwindigkeiten in Model len mit ebenem oder gew lbtem Wasserspiegel durch die Betrachtung eines zur Mittelwertbildung ausrei chend langen Zeitraums Die Ermittlung von Schwan kungsbreiten Standardabweichungen etc ber eine statistische Auswertung l ss
263. lin Heidelberg New York ALLEN J R L 1968 The Nature and Origin of Bed form Hierarchies Amsterdam ATV DVWK 2003 Feststofftransportmodelle f r Flie gew sser Deutzsche Vereinigung f r Wasserwirt schaft Abwasser und Abfall e V Hennef BacnoLDd R A 1978 Sediment Transport by Wind and Water Kent BAW 1997 Gutachten ber hydraulische Untersu chungen der R ckdeichung Lenzen Bundesanstalt f r Wasserbau Berlin 1997 unver ffentlicht BAW 2000 Untersuchung der Auswirkung von Ma nahmen im Elbevorland auf die Str mungssituation und die Flussmorphologie am Beispiel der Erosions strecke und der R ckdeichungsbereiche zwischen Wit tenberge und Lenzen Schlussbericht der Bundesan stalt f r Wasserbau im Forschungsprojekt des Bundes ministeriums f r Bildung und Forschung kologische Forschung in der Stromlandschaft Elbe Elbe kolo gie Karlsruhe BfG 1994 Kornzusammensetzung der Elbsohle von der thschechisch deutschen Grenze bis zur Staustufe Geesthacht Bundesanstalt f r Gew sserkunde BfG 0834 unver ffentlicht Berlin Bruun H H 1995 Hot Wire Anemometry Oxford Uni versity Press Eck B 1988 Technische Str mungslehre Band 1 Grundlagen Springer Verlag Berlin Heidelberg New York FAS 1985 Rauhigkeits und Geschiebeeinfl sse bei aerodynamischen Modellen unver ffentlichter For schungsbericht der Forschungsanstalt f r Schifffahrt Wasser und Grundbau Berlin
264. linien gr ere Si cherheitsabst nde f r senkrechte Uferb schungen Im Bericht 1369 der VBD werden die erforderlichen Sicherheitsabst nde von der Standardabweichung be obachteter Fahrspurbreitenvariationen abh ngig ge macht bertragen auf die hier betrachteten Verh lt nisse in geraden Flussabschnitten sind die Standard abweichungen in Berg und Talfahrt nur wenig von einander verschieden und damit auch nur wenig von der Str mungsgeschwindigkeit abh ngig Sie betragen rund 5 m Dieser vergleichsweise gro e Wert kommt dadurch zustande dass nicht nur ein Schiffstyp unter sucht wurde sondern dass Messdaten der gesamten Kan le die einen im Inland befindlichen Hafen mit dem Meer verbinden Die PIANC Ans tze gelten somit streng genommen nur f r moderne Seeschiffe Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 141 S hngen et al Modelluntersuchungen zur Ermittlung der erforderlichen horizontalen Sicherheitsabst nde beobachteten Fahrzeuge an Donau und Rhein sowie verschiedene Verh ltnisse von Tiefgang zu Wasser tiefe zusammen betrachtet wurden Dabei wurde an genommen dass die Standardabweichung von der Schiffsbreite unabh ngig ist Die Sicherheitsabst nde werden dabei als Vielfaches der Standardabweichung angesetzt wobei der Multipli kator der Toleranzfaktor anhand vorhandener Brei ten in Streckenabschnitten bemessen wurde denen ein zwar knapper aber noch ausreichender Sich
265. ll tur bulent ist s Bild 9 Untersuchungen zum Feststofftransport in Buhnen feldern und auf dem Vorland sind daher Einschr n kungen unterworfen Neben dem Problem der unzurei chenden hnlichkeit der Str mung kommt hinzu dass es sich um Bereiche mit Ablagerungen von Feinmateri al biologischen Verfestigungen und Remobilisierungen handelt Diese Aspekte des Feststofftransportes k n nen kaum mit vertretbarem Aufwand in hydraulischen Hentschel Hydraulische Flussmodelle mit beweglicher Sohle _ Farbzuordnung 3000 lt 3582 lt 4125 lt 4687 lt 5250 lt 5812 lt 6375 lt 6837 lt 7500 lt 8062 lt 8625 lt 9187 lt 9750 lt 10312 lt 10875 lt 11437 lt 12000 BH bi n Bild 9 Reynoldszahlen in einem Buhnenfeld bei El km 440 Ma stab 1 30 Modellen nachgebildet werden Daher beschr nkten sich die Untersuchungen der BAW zum Feststofftrans port mit hydraulischen Modellen in den letzten Jahren auf Bereiche mit hinreichend gro en Re Zahlen bzw auf den f r die Schifffahrt relevanten Flussschlauch und dort auf den Geschiebetransport Sekund rstr mungen sind durch die Modell ber h hung nicht natur hnlich Durch Modell berh hungen und verkleinerte Rey noldszahlen ver ndern sich die Wirbelstrukturen und Sekund rstr mungen nicht in dem gleichen Ma stab wie die Geometrie wodurch die hnlichkeit der Str mung und die der Ausbildung von Sohlformen ein
266. llagen von lt 0 3 mm was der theoretisch m glichen Aufl sung entspricht s o Durch die Umwandlung kinetischer in potenzielle Ener gie an den Einstromquerschnitten am Buhnenkopf und am Durchriss kommt es in den Buhnenfeldern lokal zu gr eren Unterschieden im Wasserspiegel Bild 7 zeigt die Auswertung der Wasserspiegellagen ei ner 3D PTV Messung in einer Buhnenkerbe bei einem Natur Mittelwasserdurchfluss MQ von 561 m s Be zug ist der Pegel bei Wittenberge Zur Reduzierung der Datenmenge wurde die Auswertung mit einer Fre quenz von 5 Hz durchgef hrt was wegen der relativ geringen Str mungsgeschwindigkeiten zul ssig war Das Spektrum der Farbkodierung betr gt 0 1 m in der Natur entsprechend 3 mm Modell Klar zu erkennen ist der niedrigere Wasserspiegel im unterstromigen a y 30 B q ee j F s FF Farbzuordnung lt 21 75 m NMN A a In gt 21 68 m NN Bild 7 Farbkodierte Wasserspiegellagen in der Buhnen kerbe umgerechnet auf Naturh hen Buhnenfeld aber auch der Verlauf des Wasserspiegels in der Kerbe Der unruhige Farbverlauf ergibt sich aus den Wasserspiegelschwankungen die im Bereich des gesamten Buhnenfeldes besonders aber im Bereich der Str mungsst rung die die ffnung darstellt auf treten Die Genauigkeitsanforderungen an die Geschwindig keitsmessungen sind leichter zu erf llen da die Lage aufl sung des Systems prinzipiell
267. ller Fragestellungen ausreichend ist e aus sehr vielen Varianten in Voruntersuchungen de taillierte zu untersuchende Vorzugsvarianten aus gew hlt werden sollen e gro e hydraulische Flussmodelle aus Zeit Platz oder Kostengr nden nicht betrieben werden k n nen e dreidimensionale numerische Modelle auf Grund der erforderlichen Rechenzeiten bei der komplexen Geometrie und Str mung noch nicht eingesetzt werden k nnen e Ph nomene des Geschiebetransports qualitativ auf gezeigt werden sollen Luftmodelle k nnen nachei nander mit fester und beweglicher Sohle betrieben werden Zur Planung und Begleitung von aerodynamischen und hydraulischen Modellen sind eindimensionale numerische Modelle des direkten und benachbarten Untersuchungsgebietes hilfreich Luftmodelle unterst tzen ihrerseits h ufig Untersu chungen mit eindimensionalen hydronumerischen Mo dellen indem in Luftmodellen nicht oder wenig durch str mte Bereiche identifiziert werden die in 1D HN Modellen von der Str mung ausgeschlossen werden m ssen Bei Hochwasserstr mungen k nnen in Luft modellen die Str mungsrichtungen ermittelt werden 58 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Faulhaber Neue Methoden der aerodynamischen Modellierung sodass die Querprofile in weiten Vorlandbereichen in 1D HN Modellen senkrecht zur Hauptstr mungsrich tung angeordnet werden k nnen Wenn die aerodynamische Modellierung als Modell
268. llierung von Kolkprozessen 4 2 3 Literaturdaten Zur Erweiterung des Diagramms in Bild 12 wurden um fangreiche Literaturdaten ausgewertet Zun chst wird die Einbindung der Messergebnisse von Qayoum 1960 D 58 D 93 und D 139 dargestellt vgl Bild 13 100 7x QAYOUM 1960 Feinkies D 139 HT QAYOUM 1960 Feinkies D 93 QAYOUM 1960 Feinkies D 58 60 6 3 0 1 1 10 100 1000 Xg 1 Bild 13 Erweiterung der Messergebnisse mit Daten von Qayoum Die Messergebnisse sortierten sich entsprechend der Gr e des sedimentologischen Durchmessers D in aufsteigender Reihung Das Widerstandsverhalten des Sohlenmaterials wird also mit steigendem sedimen tologischen Durchmesser gr er die Kolktiefen neh men mit steigender Widerstandszahl X ab Der grund s tzliiche Verlauf der Messdaten von Qayoum ent spricht also dem Verlauf der Versuchsserien D 19 und D 38 Im Weiteren wurden Messergebnisse von Straube 1963 Altinbilek Basmaci 1973 u a Untersuchungen mit Tuffstein und einer Dichte von 1300 kg m sowie Untersuchungen von Rajaratnam 1981 eingef hrt Rajaratnam verwendete das Kunststoffgranulat Poly styrol und Luft als Fluid Damit lagen Messungen vor die nicht nur eine Variation der relativen Dichte p er m glichten sondern auch die kinematische Viskosit t v konnte variiert werden vgl Bild 14 Die Einbeziehung der oben aufgef hrten Literaturda ten z
269. llt und f r jede Position eine Bildreihenfolge erfasst Hieraus wurden durch r umliche Mittelwertbildung aller gemes senen Str mungsvektoren innerhalb der Pore der re sultierende 3D Geschwindigkeitsvektor ermittelt Bild 16 zeigt die Energienspektren von drei Geschwin digkeitszeitserien Die Spektren zeigen dass die signi fikanten Frequenzen im Bereich zwischen 1 und 5 Hz liegen Dar ber hinaus sind die Amplituden bei einer Tiefenlage von y d 16 ungef hr um den Faktor 100 kleiner als in der dar berliegenden Position y d 2 3 F a 0 056m s H d 20 H d 20 10 f Hz Bild 16 Energiespektrum der gemessenen Geschwindigkei ten in unterschiedlichen Tiefenlagen der Kiesschicht 3 3 Druckmessungen mit Mikrosensoren Bild 17 zeigt eine Fotografie des gekapselten Kopfes der Drucksonde des flexiblen Schlauches f r den Druckausgleich und des Signalkabels schwarz Der Differenzdruck wurde auf den Atmosph rendruck be zogen und unter passiver Temperaturkompensation gemessen Die Sensoren wurden mit langsam aush r tendem Epoxidharz vergossen und an der Oberfl che mit Klarlack versiegelt um sie wasserresistent zu ma chen Die maximalen Abmessungen der Sensoren die in Form und Gr e dem verwendeten Kies angepasst AT pa f f 9 Bild 17 Gr envergleich des Mikrodrucksensorkopfes Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 127 Wenka K hler Simultane D
270. ls entspricht Im R Profil ergibt sich aus 2x 16 2 x 4 42 m direkt die Standardbreite Dies ist nat rlich kein Zufall denn die Sicherheitsab st nde s i steht f r die Indizes SS bzw UB wurden in Umkehrung der eingangs genannten Bemessungs formel f r die erforderliche Fahrrinnenbreite em D AD tS aus den vorhandenen Regelabmessungen von Ka n len r ckgerechnet nachdem sich aus Fahrversu chen erwies dass die Regelprofile die urspr nglich f r eine wirtschaftliche Fahrt von Europaschiffen ES L 85 m B 9 5 m T 2 5 m dimensioniert und ge baut wurden auch mit modernen GMS und SV befahr bar sind wenn auch mit einer gewissen Kollisionswahr scheinlichkeit BAW 1992 Die vorgenannten Sicherheitsabst nde k nnen somit Kollisionen Schiff Schiff oder Schiff Ufer nicht ver hindern sondern nur begrenzen Sie werden im Not fall also auch beansprucht und ggf aufgebraucht um zus tzlichen Navigationsraum zur Verf gung zu ha ben Insofern w re der Begriff Reserve besser als der gebr uchlichere Sicherheitsabstand Die Analyse von Unf llen zeigt berdies dass die meisten Unf l le aus Fahrfehlern resultieren und dies sogar bei mehr als ausreichenden Breiten wie am Niederrhein Selbst u erst ppig bemessene Sicherheitsabst nde k n nen Havarien somit nicht verhindern Deshalb und aus 140 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 S hngen et al Modelluntersuchung
271. m men 2D Modell und Randeinfl sse werden vernach l assigt Hierf r stehen in der BAW zwei im Jahre 2001 neu ge baute Versuchsrinnen mit unterschiedlichen Abmes sungen und Ausstattungen zur Verf gung auf wel che hier n her eingegangen wird Bild 12 Konstruk tive Einzelheiten der Rinnen sind der Tabelle 1 zu ent nehmen 0 80 m Rinne Nutzl ngen BER LxBxHfm x 0 80 x 1 75 17x 2 95 x 0 85 Stahlrahmen mit Stahlboden und Glasw nden Boden und W nde aus Stahlbeton 1x DN 100 1x DN 200 2 x DN 300 Magnetisch induktive Durch flussmessung MID ca 350 l s Konstruktion 1x DN 200 2 x DN 300 Zulaufleitungen Magnetisch induktive Durch flussmessung MID ca 350 l s Tabelle 1 Kennwerte der Versuchsrinnen Durchfluss messung Max Zufluss Die B den der Rinnen liegen erh ht gegen ber dem Hallenboden und sind im mittleren Bereich mit Glas platten versehen um f r optische Untersuchungsver fahren wie die Particle Imaging Velocimetry einen Zugang von unten und von der Seite her zu erm gli chen 16 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Grimm et al Entwicklungsstand der physikalischen Modelluntersuchung Bild 12 oben 0 80 m Rinne mit Traversierung unten 3 m Rinne mit Traversierung 4 1 Steuer und Messeinrichtungen Die Durchflussregelung in den Zuleitungen erfolgt ber Plattenschieber mit Elektroantrieb die Wassersp
272. meisten F llen Schwarz Wei Kameras mit 8 Bit Farbtiefe ausreichend Die Synchronisation der Kamera mit der Beleuchtungseinheit erfolgt ber eine Triggereinheit die als Timing Board im PC enthal ten sein kann Die Speicherung der Bilder kann ber eine Vielzahl von Varianten erfolgen Klassische Fra me Grabber zur Aufnahme und Weitergabe der Bild information an den Hauptspeicher werden mehr und mehr durch FireWire Kameras abgel st deren Infor mation direkt auf die Festplatte geschrieben wird F r schnelle hochaufl sende Kameras ist jedoch der Weg ber einen Frame Grabber unumg nglich Um die Gr Be des Hauptspeichers als limitierenden Faktor f r die L nge einer Messreihe auszuschalten bietet sich die Verwendung eines schnellen RAID Systems an so dass auch in diesem Fall die Bilder online auf Festplat te geschrieben werden k nnen 2 1 4 Auswerteeinheit Den Kern eines PIV Systems stellt die Auswerteeinheit bzw die PIV Software dar die f r die Auswertung des Bildmaterials hin zu Vektorfeldern verantwortlich ist Im Gegensatz zu Particle Tracking Algorithmen wer den bei PIV nicht einzelne Partikelpaare sondern die mittlere Bewegung kleiner Partikelgruppen ausgewer tet die sich in einer Interrogation Area befinden Dazu wird zun chst das gesamte aufgenommene Bild Area of Interest in solche Interrogation Areas unterteilt die dann beispielsweise 32 x 32 Pixel des Kamerachips re pr sentieren Bild 2 Mit
273. men der Modellkalibrierung erreicht werden 3 2 hnlichkeit des Geschiebetransports F r Luftmodelle mit beweglicher Sohle sind neben den hnlichkeitsbeziehungen f r die Fluidstr mung zus tz lich hnlichkeitsbedingungen f r den Geschiebetrans port einzuhalten Wie f r hydraulische Geschiebetransport Modelle in ATV DVWK 2003 und HEntscHeL 2007a im vorlie gen Heft aufgezeigt wird m ssen auch in aerodyna mischen Modellen zur Untersuchung verschiedener Geschiebetransportph nomene hnlichkeitsbedingun gen eingehalten werden die die Fluid und Sediment eigenschaften und die Flussgeometrie als Einflussgr Ren ber cksichtigen Generell wird angestrebt die hnlichkeit e des Geschiebebewegungsbeginns Fr D und e der Art des Geschiebetransports der Gr e der ma gebenden Transportk rper Re D einzuhalten Die hnlichkeit der e transportierten Geschiebemassen Frachten und e der morphologischen Zeitabl ufe wird bei aerodynamischen Transportmodellen meist nicht ber cksichtigt Zwischen hydraulischem und aerodynamischem Ge schiebetransport treten haupts chlich folgende Unter schiede auf FAS 1985 und 1937 e Der Geschiebebewegungsbeginn in Luft und Was serstr mung l sst sich z B f r den hydraulisch rau en Bereich mit Gleichungen der Form V A p g d darstellen Dabei 10 unterscheidet sich die Kon stante A f r Luft und Wasserstr mung etwa um den Faktor 2 A ue
274. merischen Modellen be steht hingegen in der Regel eine eindeutige Korrela tion zwischen Rand und Anfangsbedingungen auf der einen und Modellergebnissen in Form von Sohl und Wasserspiegelh hen auf der anderen Seite Bild 4 Bild 4 Alternierende Kiesb nke Modell Oder Hohenwutzen Weitere wesentliche Vorteile von hydraulischen Model len bestehen darin dass Unzul nglichkeiten der Na turerhebungen zum Teil ausgeglichen werden k nnen Fl chige Sohlpeilungen aus der Natur sind z B in der Regel nur zu ausgew hlten Zeitpunkten und nicht ber die gesamte m gliche Abflussbandbreite verf gbar Geschiebemessungen sind auch mit den modernsten Methoden in der Natur immer punktuell und zeitlich dis kret und k nnen insbesondere bei alluvialen Fl ssen mit einem ausgepr gten Transport in Form von D nen die Art und Menge des Transportes nur unzureichend darstellen Hier k nnen hydraulische Modelle erg n zende Informationen liefern da summarische und zeit lich hoch aufgel ste Messungen kontinuierlich ber ei nen langen Zeitraum erfolgen k nnen 3 Modelltheorie 3 1 hnlichkeitskriterien Um die M glichkeiten und die Grenzen des Einsatzes von hydraulischen Feststofftransportmodellen FTM beurteilen zu k nnen werden hier die hnlichkeiten die f r deren Betrieb relevant sind zusammenfassend dargestellt Bez glich der grundlegenden Eigenschaften von hy draulischen Geschiebetransportmodellen GTM wird auf d
275. mitteln In Bild 7 ist der sich so ergebende Variationsbereich f r bliche Gr en und Rauheitsverh ltnisse dargestellt siehe auch Tabellen 7 bis 9 F r das in den Kapiteln 5 und 6 mehrfach als Beispiel benannte Luftmodell der Oder bei Reitwein Kietz ist in Bild 7 ein m glicher Modellbereich schraf fiert eingetragen mit n 1 8 bis 2 2 wobei f r die Mo dellrauheit n_ 0 011 bis 0 013 s m lackierte gefr s tes Kunststoff Modell mit abgebildeten Gel ndestruk Rauheitsbeiwert n sim n 0 01 Plastilir n 0 012 Sperrholz n 0 013 Sand dim 0 4 mm n 0 0143 Send dim 0 7 mm L ngenma stalb n 0016 sand dirmi 1 2 mm Rauhelisbeiwert np geometrische berh hung turen und die Naturrauheit n 0 022 bis 0 024 s m angenommen wurde Folgende spezielle hnlichkeitskriterien m ssen in Ab h ngigkeit von der Aufgabenstellung bei der Modellpla nung ber cksichtigt werden hnlichkeit der Reibungsverluste In nicht berh hten Modellen muss f r die Gew hrleis tung der hnlichkeit des Wasserspiegelgef lles das Kriterium eingehalten werden Oftmals wird eine geometrische berh hung gew hlt da sich durch unterschiedliche L ngen und H henma st be ein Va riationsbereich f r X_ ergibt Gleichung 6 Aus messtechnischen Gr nden ist es h ufig erforder lich im Modell gr ere Abflusstiefen zu erreichen als es mit dem aus Platzgr nden realisierbaren L n
276. mtrauheit PUR lackiert Fr smodell Oder bei Reitwein Kietz MQ berstr mte Bauwerke mit modellierten Transportk rpern PUR lackiert Fr smodell Oder bei Reitwein Kietz MQ umstr mte Bauwerke mit modellierten Transportk rpern Tabelle 9 Ausgew hlte Rauheitswerte in aerodynamischen Modellen Notwendige Wahl eines geometrisch berh hten Mo dells Sollte sich bei der Wahl des H henma stabes eine aus messtechnischen Gr nden zu geringe Modell h he H_ ergeben H sollte im Flussbett gt 10 mm betragen so muss unter Annahme einer erforder lichen geometrischen berh hung mit dem ge w nschten Ma stab des hydraulischen Radius die Modellrauheit n_ ermittelt werden mit An L Nm siehe 4 Iny 60 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Faulhaber Neue Methoden der aerodynamischen Modellierung L sst sich die so ermittelte erforderliche Modellrau heit praktisch nicht realisieren kann man f r ein vorgegebenes Modellsohlmaterial der Rauheit L Non Und dem damit errechneten Rauheitsma stab n den H henma stab geometrische Modell berh hung mit Hilfe der Gleichung 4 errechnen siehe Bild 7 F hrt der so errechnete H henma stab mit dem ge w hlten L ngenma stab zu einer f r die zu unter suchende Fragestellung zu gro en geometrischen berh hung muss die Wahl des L ngenma stabs korrigiert werden Wird eine variable zus tzliche berh
277. mungsgr en wurden deshalb Hochgeschwindigkeits Megapixel CMOS Kameras Photonfocus MD1024 benutzt die die digitalen Bild sequenzen durch entsprechende Reduktion der Bild ausschnitte auf 184 x 184 Pixel mit Taktraten bis zu 400 Hz aufzeichnen konnten Bild 13 zeigt eine 3D Visualisierung eines rekonstru ierten Porenwasserstr mungsfeldes wie es inner halb einer ausgesuchten Messpore innerhalb der Kies schutzschicht in den berstr mungsversuchen mess technisch erfasst und ausgewertet wurde Das Bild zeigt die Lagrange schen Partikelbahnen innerhalb eines Zeitintervalls von 0 5 s Die gemessenen Str mungsbahnen verdeutlichen sehr eindrucksvoll dass das Str mungsfeld innerhalb der Pore einen drei dimensionalen Charakter besitzt was die Notwendig keit unterstreicht in den Versuchen eine dreidimensio nale Messdatenerfassung einzusetzen Bild 13 3D Visualisierung von Str mungsbahnen im Poren volumen einer innerhalb der Kiesabdeckung instal lierten Messpore Die in den Versuchen gemessenen Geschwindigkeits profile der Porenwasserstr mung lassen ber die je weiligen Gesanittiefen der eingesetzten Kiesschichtdi cken von 4 10 und 20 cm eine Tendenz der Zunahme sowohl der Flie geschwindigkeiten als auch der Tur bulenzintensit ten im jeweils sohlnahen Bereich des Profils erkennen Hervorgerufen durch die Interakti on zwischen Au en und Porenwasserstr mung war der Geschwindigkeitsgradient im sohlnahen Bereic
278. n die Was serst nde alle 15 Sekunden gespeichert Bei den Aus wertungen station rer Versuche werden bei Versuchs dauern zwischen 2 und 4 Stunden die Wasserst nde der letzten halben Versuchsstunde zu einem resultie renden Wert gemittelt Durch diese Mittelwertbildung werden Schwankungen des Wasserspiegels zum Bei spiel infolge durchwandernder Transportk rper ausge glichen sodass diese mittleren Wasserspiegellagen zwischen Untersuchungsvarianten verglichen werden k nnen SER 3 mE rai ia Ultraschall Messger t B Verbindung zum Model mit Druckluftabsperrhahn Bild 14 Ultraschall WSP Messstelle mit Ternperatursensor Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 33 Hentschel Hydraulische Flussmodelle mit beweglicher Sohle Neben den Wasserst nden wird in zwei Messt pfen ebenso wie im Modelleinlauf die Temperatur des Was sers gemessen s Bild 15 und ebenfalls alle 15 Se kunden gespeichert Die Temperaturmessungen sind erforderlich um zum Einen eine langfristige Konstanz der Versuchsabl ufe ohne relevante Ver nderungen der f r den Geschiebetransport wesentlichen hydrau lischen Eigenschaften des Wassers nachzuweisen und zum anderen um Fehler bei der Bestimmung des Wasserstandes durch temperaturbedingte Dichteunter schiede zwischen dem Modellwasser und dem Wasser in den Messt pfen zu vermeiden 200 Kor enpunki 1 hiiri punki 2 LLLE ETEEETEE
279. n in diesem Fall aus Reflektionen an kleinen Oberfl chenwellen mit einer Wellenl nge von ca 5 mm bis zu 3 cm die sich auf Grund der nat r lichen Makroturbulenz in einem Fluss ausbilden Die se durch Reflektionen des einfallenden Sonnenlichts an Oberfl chenwellen generierte Textur an der Was seroberfl che spiegelt sich im Videosignal als Variati on der Helligkeitsintensit t wieder Diese Textur deren optisches Erscheinungsbild sich auf Grund der Wellen bewegung best ndig ver ndert bewegt sich jedoch im Mittel mit der an der Oberfl che herrschenden Str mungsgeschwindigkeit Diese hier sichtbare leicht ge riffelte Struktur der Wasseroberfl che ist eine sehr ty pische Textur in Flie gew ssern die jedoch nicht nur durch interne Turbulenz sondern auch durch Windein fl sse generiert werden k nnen Die Frage ob neben den internen Oberfl chenwellen auch durch Wind ge nerierte Wellen zur Vermessung der Oberfl chenge schwindigkeit herangezogen werden k nnen ist bisher noch nicht gekl rt Muste et al 2004 hnliche Mes sungen zur Bestimmung des Gesamtabflusses Fuji ta und Hino 2003 bei sehr unterschiedlichen u eren Bedingungen deuten jedoch darauf hin dass die Ober fl chenstruktur generell als geeigneter Tracer zur Be stimmung der Oberfl chengeschwindigkeit verwendet werden kann Die ermittelten Geschwindigkeitsdaten aus den oben erl uterten Bildsequenzen beruhen auf den Bildbear beitungsschritten wie
280. nd Verarbeitung der messtechnischen Daten erreicht Mit Standardpro grammen wie z B Microsoft Excel oder Delphi Pas cal k nnen sehr komplexe Modellablaufsteuerungen einschlie lich Messdatenvisualisierung und aufzeich nung realisiert werden In diesem Abschnitt wird die messtechnische Grund ausstattung f r die physikalische Modelluntersuchung von Wasserbauwerken in der BAW erl utert 2 1 Hard und Software S mtliche Mess und Steuersignale sowie alle reg lungstechnischen Aktivit ten werden zentral mit einem industriellen Automatisierungssystem SIMATIC S7 zyklisch eingelesen und bearbeitet Die Daten werden mit einem integrierten Kommunikationsprozessor im TCP IP Protokoll in das Netzwerk BAW Intranet ber tragen siehe Bild 1 Bild 1 Gesamt bersicht der Modellmesstechnik mit Model lierungssystem Der bidirektionale Zugriff auf die Daten im Netz ist mit einem speziellen Hardware bezogenen Softwaretool SOFTNET OPC Server Client der Firma Siemens mit den meisten Programmiersprachen von jedem netzwerkf higen Rechner aus m glich und ist Multi 1 OPC OLE for Process Control ist ein Industriestandard der auf Microsoft s OLE jetzt Active X COM Component Object Model und DCOM Distributed Component Object Modell Technologie basiert OPC besteht aus einem Stan dardsatz von Interface Eigenschaften und Methoden f r Prozesskontrolle und Automatisierungsaufgaben user f hig Das PC Softwar
281. ndichte p 2 464 g cm Bei Q L 2 8 i Messbereich O 58 85 A 1h lt SA 25 oS Abfluss A Q rn 2x0 x 12505 55 2x 2x0 50 2 05 Bild 3 Versuchsrinne im L ngsschnitt und Ortsangaben zu den Untersuchungspunkten im Messbereich Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 121 Wenka K hler Simultane Druck und 3D Geschwindigkeitsmessungen Querschnitt 3D PTV Tri u nn BU Mh aaye k nstliche I Kiesporen mit 3D PTV Piezoresistive Druckaufnehmer jm J Kies dori omm FARN E r T an optional da imm H20 H 40 Piezoresistive o P ra as M i Druckaufnehmer I e O f fe 7 H Sieta EEE i i mm it m Dam ha Pariskope 2D 7 2 S 0 ln ER EBEN aaa K nstliche 7 p zay i Gummimatte Kiesporen ORRRDR Es i optional mit 3D PTV 25 25 120 55 55 EEren Bild 4 Versuchsanordnung in Vertikalschnitten Der mittlere Korndurchmesser des homogenen Sandes istd 1 mMm Durch Variation von Durchfluss und Wassertiefe k n nen Flie zust nde eingestellt werden die bis an den Bewegungsbeginn nach Shields 1936 heranreichen Lange Wellen werden k nstlich durch einen Wellenge nerator erzeugt der ca 9 25 m unterstrom des Mess bereichs angebracht wurde Durch den Wellengene rator war es m glich das Messprogramm auf instati on re Effekte wie den Einfluss oszillierender Wasser st nde auszud
282. nen realisierbaren Mess areals bisher ber Sondermessungen hinaus nicht als Standardverfahren eingef hrt 6 2 1 Str mungssichtbarmachung Die M glichkeit die sohlennahe Str mung sichtbar zu machen und somit schnell einen guten berblick ber das Str mungsgeschehen zu gewinnen ist einer der Gr nde weshalb Luftmodelle zum Einsatz kommen Im Luftmodell k nnen auch r umliche Str mungsef fekte sichtbar gemacht werden Mit Hilfe verschiedener Verfahren der Str mungssicht barmachung MErzK rcH 1987 k nnen unterschied liche Informationen diskret gemittelt zur Str mung an verschiedenen Orten an der Oberfl che oder nah der Sohle erhalten werden Einige der Verfahren f r aero dynamische Flussmodelle sind in NEsTMmAann und BAcH MEIER 1987 und FAuLHABER 1998 erl utert Bei den Verfahren muss gew hrleistet sein dass eingebrachte Partikel die die Str mung sichtbar machen sollen leicht der Str mung folgen Im Folgenden werden die Verfahren vorgestellt die in den letzten 10 Jahren haupts chlich in der BAW zum Einsatz kamen Beim Erosionsverfahren wird ein Petroleum Talkum Gemisch auf die Modelloberfl che aufgebracht und sofort der Str mung ausgesetzt In Bereichen starker Str mung werden die wei en Talkumteilchen bewegt und bilden die Stromlinien an der Sohle ab Bild 17 Bild 22 Wei e Fl chen deuten auf langsam durch str mte Sedimentationsbereiche hin Bei diesem Ver fahren wird die sohlennahe f
283. ner Kiesfilterdeckschicht mit ei ner M chtigkeit von H d_ gt 4 kann der Einfluss von Druckfluktuationen der Hauptstr mung vernachl ssigt werden Langwellige Wasserstands nderungen mit Frequenzen lt 1 Hz werden jedoch kaum ged mpft In Bild 24 ist eine Sequenz des D mpfungsverhaltens einer Welle der H he H 88 mm und der Periode Ta 2 1 s ber die Tiefe bei einer mittleren Wasser tiefe von h d_ 38 4 und einer Kiesfilterm chtigkeit von H d 9 8 dargestellt Da bei dieser Versuchs reihe ein hydraulischer Kontakt zwischen Kies und Sand gegeben war wurde auch ein Drucksensor in nerhalb der Sandschicht bei y d 11 8 eingebaut Auf Grund der berlagerung von Wasserstand Ein bautiefe und Offset des Sensors sind die Druckmaxi ma hier gekappt k nnen aber durch Extrapolation er mittelt werden Die Druckschwankungen werden ber die Tiefe ge d mpft Ausgehend von einer Wasserstands nderung von H 88 mmWS entsprechend Ap 860 Pa be tr gt die Druckschwankung oberhalb der Sohle bei y d 1 0 nur noch Ap 580 Pa An der Kiessohle bei y d 0 0 vermindert sie sich auf einen Wert von Ap 500 Pa der auch bei einer berdeckung von vier Kornlagen bei y d_ 4 0 nahezu erhalten bleibt Bis zur Sandschicht bei y d 11 8 hat sich die Gr e der Druckschwankung halbiert auf Ap 430 Pa 3 4 Digitale Bewegungsdetektion Um den Beginn m glicher Sedimentbewegungen an der Grenze zwischen Kies
284. nge entsprechend des Betrages dargestellt Bild 23 zeigt die unterschiedliche Ausbildung der Str mungswalze bei umstr mten Buhnen in der Ebene 12 5 mm Natur 1 43 m ber der Sohle Bei der Stan dardbuhne links bildet sich eine gro e Walze mit ge ringen Geschwindigkeiten in Walzenmitte aus w h ren bei den geknickten Buhnen rechts die gro e Wal ze deformiert wird und zus tzlich eine kleine Sekun d rwalze entsteht Der Wasseraustausch zwischen Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 67 Faulhaber Neue Methoden der aerodynamischen Modellierung Farbzuordnung 20 00 mis 18 76 mis x 1750 mE 5 16 25 ma Don 15 006 k 1376 ms i 1250 mis 11 25 m IL 1125 mE 100m Standardbuhnen 10o mt 7E mis 3 74 ms r a en 3 oa Knickbuhnen G bmis 8 5 me re ohne Knick ae 27G mi 3 75 mia 230 mis 280 ma 12b mis 1 5 mis m s i mia Farbzuordnung 1 60 mis 1 50 ms 1 40 mis 1 30 ns i Fi lt 1 20 ms u aT lt 1 10 mis O lt 1 00 ms ce 0 90 ms 0 80 ms Ber ER 0 70 ms 0 60 mis _ gl 050 ms Fr 040 mis 0 30 ms 0 20 mis 010 mis 0 00 mis NN er i N Men Ki p N 3 i F Bild 24 Flie geschwindigkeitsdarstellung des Modells Oder Reitwein Kietz umstr mte Bauwerke Treibk rperdarstellung LDA 68 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Faulhabe
285. ngen darstellt 2 1 Elemente eines PIV Systems Wie in Bild 1 zu erkennen ist besteht ein PIV System aus den folgenden vier wesentlichen Komponenten zu detektierende Partikel Beleuchtungseinheit Aufnah meeinheit und Auswerteeinheit Raffel et al 1998 wo bei sich die einzelnen Komponenten je nach Anwen dung deutlich unterscheiden k nnen Hersteller die Komplettsysteme f r PIV im Wasserk rper bzw Ober fl chen PIV anbieten sind beispielsweise LaVision ILA Polytec TSI Oxford Lasers und Optical Flow Sys tems 2 1 1 Partikel Um die Str mung f r die Aufnahmeeinheit sichtbar zu machen m ssen der Str mung f r die meisten Anwen dungen Tracermaterialien meist in Form runder Parti kel zugesetzt werden Je nach Anwendung in Abh n gigkeit der Fluideigenschaften Dichte der Gr e des Beobachtungsfeldes der ben tigten r umliche Aufl sung Art der PIV Messung LSPIV oder PIV im Was serk per stellen sich andere Anforderungen an die Beschaffenheit der zu verwendenden Partikel Ausf hr lich werden das Reflektionsverhalten das Str mungs folgeverm gen die ben tigten Partikelgr en Parti keldichte und Partikelanzahl in Melling 1997 diskutiert Grunds tzlich kann gesagt werden dass ein einzelner Vektor aus einem gesamten Vektorfeld typischerweise f r ein Feld von 32 x 32 Pixeln des Kamerachips steht In diesem Feld das in der Literatur als Interrogation Area beschrieben ist sollten zur Bere
286. ngiger Formeln ist Ausdruck dessen dass bis jetzt kein zufriedenstellend allgemein g ltiger physikalisch begr ndeter Ansatz zur Beant wortung der Frage der Flussbettstabilit t existiert Da das Verst ndnis der Einzelprozesse sowie der Funk tionskette von Ursache und Wirkung nicht ausreichend vorhanden ist kann der Erfolg einer hydraulisch wirk samen Ma nahme oder eines hydraulisch wirksamen Bauwerks nicht allumfassend garantiert werden Ein Blick zur ck in die Historie der Forschung f hrt zur diesbez glich grundlegenden Arbeit von Shields 1936 der damals schon die Komplexit t des Pro blems erkannte Trotz der von ihm einger umten man gelnden Kenntnis des Naturvorgangs und der erzwun genen Abweichungen von der Modell hnlichkeit hat te das Hauptresultat seiner Untersuchungen quantita tiven Charakter Es besteht in der Funktion GI 1 0 2 ___ f Re Ps p gd Die Korn Reynoldszahl Re U d v wird dabei gebil det mit der Schubspannungsgeschwindigkeit U dem mittleren Korndurchmesser d d und der kinema tischen Viskosit t v F r Flussstr mungen bei denen die Werte von Re typischerweise ber 10 liegen wird ein konstanter oberer Wert von O 0 06 erreicht d h der in Bild 1 schraffiert dargestellte Wertebereich wird nach oben begrenzt F r gleichf rmiges Material hat Shields 1936 den kri tischen Wert der Sohlschubspannung mit Gl 2 Loc 0 06 Ps u p g dso auf Basis einer unsi
287. ngsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Weitbrecht et al CREUTIN J D Muste M ano Li Z 2002 Traceless Quantitative Imaging Alternatives for Measurements in Natural Streams Proceedings Hydraulic Measure ments amp Experimental Methods ASCE IAHR Joint Conference Estes Park CO CD ROM Fuy ta I anp Hino T 2003 Unseeded and seeded PIV measurements of river flows videotaped from a heli copter JOURNAL OF VISUALIZATION 6 3 245 252 Fusta l Muste M anp KRUGER A 1998 Large Scale Particle Image Velocimetry for Flow Analysis in Hy draulic Applications J Hydr Res 36 3 pp 397 414 GRANT l 1997 Particle Image Velocimetry a Re view Proc of the Institution of Mechanical Engineers 211 Part C pp 55 76 HERLINA AND JIiRKA G H 2004 Application of LIF to investigate gas transfer near the air water interface in a grid stirred tank Exp Fluids Issue online first link www doi org DOI number 10 1007 s00348 004 0822 2 J rkA G H AND UIWTTEwAAL W Ed s 2004 Shallow Flows A A Balkema Publishers Rotterdam KOMPENHANS J AND TROPEA C 1997 Special issue Particle image velocimetry MEASUREMENT SCl ENCE amp TECHNOLOGY 8 12 U3 U3 Lausen R AND WEITBRECHT V 1999 Einf hrung eines PIV Me systems Particle Image Velocimetry an der BAW Technischer Bericht BAW Karlsruhe Lin J C anp RockwerLL D 1997 Quantitative interpre tation of vortices from a cylinde
288. nstanten Drehzahl n gefahren wur den und dass Kurskorrekturen m glichst nur durch Ru derwinkel nderungen nicht durch Variation der Dreh zahl vorgenommen wurden Da die Propellerdrehzahl aber in der dritten Potenz von der eingesetzten Mo torleistung abh ngt letztere aber wieder in der drit ten Potenz von der Schiffsgeschwindigkeit abh ngt ist somit die Drehzahl in etwa proportional zur Schiffsge schwindigkeit Da nun der Ruderdruck im Quadrat von der Anstr mungsgeschwindigkeit des Ruders abh ngt Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 147 S hngen et al Modelluntersuchungen zur Ermittlung der erforderlichen horizontalen Sicherheitsabst nde 10 d a g ii 8 b 74 z e O ed 7 I gt G 5 4 3 d o 3 34 24 sts 26 i ets 1 8 0 BB d zu E i i 4 d 0 2 4 6 8 10 12 14 Vs Bild 10 Abh ngigkeit des Sicherheitsabstandes erf a Angabe in m von der Schiffsgeschwindigkeit durchs Wasser v in km h f r verschiedene Tiefg nge des Versuchsschiffes die wieder in erster N herung proportional zu v ist w chst somit der Ruderdruck proportional zur Drehzahl im Quadrat an Die Kraft mit der das Schiffsheck bei Ann herung an das Ufer angesaugt wird w chst nun gleichfalls in erster N herung mit vs da der Wasser spiegelabsunk mit Ausnahme der N he zur kritischen Schiffsgeschwindigkeit in etwa mit vs w chst bzw
289. ntersu chung der Interaktionen zwischen Poren und freier Au enstr mung Dabei werden neben den rein fluss morphologischen Aspekten auch geo kologische Fra gestellungen aufgegriffen Denn das Vorgehen erm g licht nicht nur die Betrachtung der hydrodynamischen Belastung der Kornmatrix sondern auch R ckschl sse auf die Auswirkungen jener Kr fte auf Kleinlebewesen im Interstitial den Stoffaustausch oder die Kolmation Gutknecht et al 1998 Die Entdeckung des Burst Ph nomenes in turbulenten Str mungen Kline et al 1967 vgl Bild 2 weckte das Interesse die Strukturen der Grenzschichtturbulenz mittels Sichtbarmachung und unter Anwendung mo derner und hoch aufl sender Messmethoden zu stu dieren Wie Grass 1971 sehr anschaulich beschrieb wird in derartigen koh renten Strukturen auf Grund des vertikalen Geschwindigkeitsgradienten eine rotie rende Walze erzeugt die sich allm hlich von der Sohle abhebt dabei gestreckt wird sich zu einem Hufeisen wirbel aufb umt und schlie lich in der Ejektions Pha se zerf llt Auf diese Ejektion folgt eine Sweep Pha se die beschleunigtes Fluid in Richtung Sohle trans portiert w hrend die Ejektionen Fluidballen niederen Impulses von der Sohle hinweg bewegen 120 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Wenka K hler Simultane Druck und 3D Geschwindigkeitsmessungen i t Uly N Longitudinal streifen niedriger
290. nulat 5 Wasser Granulatgemisch i 5 h Granulattransport f J zum Einlauf Bild 21 Auslaufbereich mit Geschiebesammler und entw s serung MW 88 bei 2 MW Der Rest der sich w hrend des Versuchslaufs in einem nachgeschalteten Sieb sammelt wird nicht sohlnah transportiert Sein Volu men wird nach Versuchsende insgesamt bestimmt und ber einen Korrekturfaktor dem gefangenen Geschie beaustrag hinzugerechnet 4 5 Messbr cke Eine automatisierte Messbr cke dient der Positionie rung der Messger te Die Messbr cke wird auf fest installierten Schienen ber das Messareal verfahren Bild 22 In der BAW sind zwei Systeme mit hnlichem Funktionsumfang im Einsatz die je etwa 3000 m La borfl che abdecken er Ea i Jara A j l i en 23m m RS m Du 200 37 7 m E Bild 22 bersichtOder ModellHohenwutzenmitMessbr cke im Hintergrund Ein zweiaxial bewegbarer Laser Pointer der durch die Messbr cke positioniert wird dient der schnellen ge nauen und reproduzierbaren Bestimmung von Lage koordinaten beim Modellaufbau und bei Umbauten W hrend das Einmessen eines gro fl chigen Modells mit vielen Geometriedetails in der Vergangenheit mit einem Tachymeter mehrere Tage in Anspruch nahm erfolgt es nun mit der Messbr cke innerhalb weniger Stunden Die reproduzierbare Positionsgenauigkeit des Systems liegt unter 2 mm In beide Fahrrichtungen sind Kameras f r 2D PTV Messungen Particle
291. o kalen Wasserspiegelneigung beeinflusst wird Bild 3 Selbst leichter Wellengang auf der Wasseroberfl che f hrt somit je nach Hebelarm zu einer betr chtlichen Verf lschung der Messung Bild 3 Einfluss von Wasserspiegelneigungen 76 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Eine m gliche L sung dieses Defizits ergibt sich durch die Aufnahme kurzer Bildsequenzen statt einzelner Bil der In einer Bildsequenz mit einer L nge von mindes tens einem Wellenzyklus wird sich die projizierte Linie im Bildraum je nach maximaler Wellenneigung ber ei nen bestimmten Bereich auf und ab bewegen Unter Annahme von Symmetrieeigenschaften eines prim r in Flie richtung ausgepr gten Wellenmusters kann die Mitte zwischen den oberen und unteren Extremwerten der Linienprojektion als Ma f r die Wasserspiegelh he angenommen werden Der Abstand zwischen den Extremwerten ist gleichzeitig ein Ma f r die maximale Wellenneigung in Flie richtung Eine sehr effiziente Methode der Ermittlung der f r die H henbestimmung relevanten mittleren Linienpositi on ergibt sich durch die Anwendung eines Maxstore Algorithmus Dieser speichert in Echtzeit w hrend der Aufnahme in einem Akkumulatorbild f r jedes Bildpixel den h chsten Intensit tswert ber die L nge der Bild sequenz Dadurch erweitert sich im Akkumulatorbild die projizierte Linie zu einem horizontalen Band Bild 4 aus dem bildspaltenweise durch Mittelung d
292. o zess f r die nat rlichen und die k nstlichen Sohlen materialien bestimmt werden konnte Anhand weiterer Messergebnisse und anhand von Literaturdaten u a mit experimentellen Ergebnissen aus dem Luftlabor wurde zudem die physikalische Bedeutung der korn bezogenen Widerstandszahl erl utert Es zeigte sich dass der Einfluss der Z higkeit auf den Kolkprozess mit D und x hinreichend erfasst und dargestellt wer den kann Die Froude Zahl Fr hingegen war nicht zur Beschrei bung des Prozesses geeignet Mit dem sedimentolo gischen Durchmesser D und der kornbezogenen Wi derstandszahl X_ liegen somit zwei Kennzahlen vor die bei der bertragung hydraulisch sedimentologischer Eigenschaften zwischen Natur und Modell zuversicht liche Ergebnisse lieferten Ettmer Physikalische Modellierung von Kolkprozessen 6 Literatur ALTInBILEK H D Basmac Y 1973 Localized scour at the downstream of outlet structures International Con gress on large dams Madrid 1973 105 122 ASCE 1962 Sediment transportation mechanics In troduction and properties of sediment Journal of the Hydraulics Division HY4 Juli 1962 BREUSERS H N C 1966 Conformity and time scale in two dimensional local scour Proc symposium on mod el and prototype conformity 1 8 Hydraulic Research Laboratory Poona DIETZ J W 1969 Kolkbildung in feinen oder leichten Sohlenmaterialien bei str mendem Abflu Versuchs anstalt f r Wasserbau und Kult
293. on 0 046 m zu einer Reynoldszahl von 7360 f hrt Die Gr e des Messfeldes betr gt ca 1 2 x 1 m sodass ein Pixel des Kamerachips ca 1 mm des Messfeldes entspricht Als Tracer wurden schwarze Polypropylen partikel der Firma Feddersen amp Co Hostacom PPR 1042 12 mit einem Durchmesser von etwa 2 5 mm ver wendet die mit Hilfe eines speziell konstruierten Parti keldispensers Weitbrecht et al 2002 auf die Wasser oberfl che aufgebracht wurden In Bild 4 ist ein Roh bild aus einer PIV Messung im Bereich eines Buhnen feldes abgebildet Darauf ist zu erkennen dass auch nach gr ndlicher Vorbereitung und Auswahl der Par tikel keine vollkommene Gileichverteilung der Partikel zu erzielen ist und sich in diesem Fall zus tzlich Parti Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 83 Weitbrecht et al kelkonglomerate bilden Es wurde jedoch beobachtet dass gerade im Bereich der Mischschicht diese Kon glomerate auf Grund der starken Scherung auch wie der auseinanderfallen a F F Tr _ I i I Mi S EN a en 2 ee Ras S Be j E u 0 16 mis F Rh i Ea 3 ed Fi k i n a ne ae Be Fu Ei T a A rn S S ai ur ar a u en r h m l Bild 4 Rohbild e einer PIV ee in einem Buhnenteld mit Polypropylenpartikeln an der Wasseroberfl che Die Auswertung eines einzelnen Bildpaares ergibt ein Vektorfeld wie es in Bild 5 zu sehen ist In diesem Fall wurde das Rohbild zun chst invertier
294. on Geschie betransportvorg ngen von gro er Bedeutung Da die hydraulischen Randbedingungen Wassertiefen Flie geschwindigkeiten Gef lle etc durch das Froude Ge setz vorgegeben sind ist die hnlichkeit des Geschie betransportbeginns durch die Wahl eines geeigneten Sohlmaterials zu erreichen F r den Bewegungsbeginn ist die hnlichkeit der Froude Zahlen des Geschiebe kornes Fr in Natur und Modell ma geblich Die Ma terialeigenschaften werden dabei durch die spezifische Kenngr e D gekennzeichnet s Bild 5 die schr g verlaufenden Linien zeigen die Materialkennlinien D f r einen Natursand und mehrere m gliche Modellse dimente hnlichkeit des Geschiebetransports Ein konstantes Verh ltnis der Geschiebefracht zwi schen der Natur und dem Modell ber das gesamte untersuchte Abflussspektrum ist f r den instation ren Betrieb eines hydraulischen Geschiebemodells anzu streben Die Geschiebefracht ist insbesondere abh n gig von einem hnlichen Verh ltnis der Fr und Re Zahlen zwischen Natur und Modell Die Re Werte ge Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 27 Hentschel Hydraulische Flussmodelle mit beweglicher Sohle 1 Naturdaten 2 65 g cm dm 0 9mm o Naturvarianz Polystyrol 1 06 g cm dm 2 1 mm Polystyrol 1 08 g cm dm 2 5mm Plexiglas 1 18 g cm dm 1 5 mm PVC 1 23 g cm dm 2 0 mm i Bewegnungsbeginn Schr der 1994
295. orderlichen H henma stabes Hr Ermittlung der erforderlichen Mo dellrauheit Ermittlung der Modellgeschwindig keiten und der L fterkapazit t berpr fung des Turbulenz kriteriums Parameter OK Aufbau des Luftmodell Bild 11 Flussdiagramm f r die Wahl der Ma st be bei aero dynamischer Modellierung Kapitel 2 2 Das Flussdiagramm setzt voraus dass die Wahl einer Modellierungsart f r die zus tzliche ber h hung bereits getroffen wurde Festlegung der geometrischen Ma st be Ermittlung des Natur Rauheitsbeiwertes n f r zu untersuchende Abflusszust nde Vorauswahl eines modelltechnisch g nstigen L n genma stabes entsprechend der Aufgabenstellung unter Ber cksichtigung der verf gbaren Platzkapa zit t Pr fen der M glichkeit eines geometrisch nicht ber h hten Modells Pr fen ob die Str mungstiefen bei nicht ber h htem Modell aus hydraulischen und messtech nischen Gr nden ausreichend sind Empfehlung mittlere modellierte Tiefe H gt 10 mm Berechnung der erforderlichen Modellrauheit n n L 15 f r geometrisch nicht berh hte Luftmodelle entsprechend Gleichung 7 oder mit Hilfe von Bild 8 Als Orientierung f r die Gr e der zus tzlichen ber h hung AH H H Kann f r die Modellplanung Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 59 Faulhaber Neue Methoden der aerodynamischen Modellierung
296. orderung 0 0525m s7 gt AM Ss Vm H Weitere f r die Versuchsplanung relevante Rand bedingungen e Str mungsg nstige Ausbildung des Modellein und auslaufs e Ausreichende Einlaufl nge zur Ausbildung des tur bulenten Geschwindigkeitsprofils Nach FAS 1985 k nnen folgende Kennzahlen bei der Modellpla nung heran gezogen werden Einlaufl nge L Ge samtstr mungstiefe H e ohne Einbauten zur Str mungsberuhigung Stolperschwelle und Turbulenzgitter L H 70 e mit Stolperschwelle und Turbulenzgitter L H 20 e Bei Geschiebetransportmodellen ist im Anschluss an die Einlaufl nge L eine zus tzliche Anlaufstre cke f r die Ausbildung der konstanten Geschiebe bewegung vorzusehen ca 1 bis 1 5 m Fazit Aus den genannten hnlichkeitskriterien und Randbe dingungen erkennt man folgende prinzipielle Zusam menh nge f r die Modellplanung e Bei vorgew hltem L ngenma stab und bekanntem Rauheitswert der Naturstr mung kann man nur die Gr e der Modellrauheit Material oder die Gr e der geometrischen berh hung frei w hlen e Relativ glatte Modelle Plastilin erm glichen die hn liche Wiedergabe der Naturstr mung bei h ufigen Werten der Naturrauheit n 0 030 bis 0 035 s m nur bei gro en Fl ssen da ein L ngenma stab von L gt 800 gew hlt werden muss e Kleine Naturrauheiten erm glichen die Untersu chung in gro en Modellen geringer Rauheit e Geometrische Modell berh hungen
297. otwendigen Beschr nkungen und Annahmen e die fehlende allgemeing ltige Quantifizierung der Begriffe sicher und leicht e der Einfluss des Schiffsf hrers auf die Sicherheits abst nde human factor e die Beschr nkung auf einen Schiffstyp und e m gliche Ma stabseffekte auf die Sicherheitsab st nde Die Modelle werden entsprechend der Dominanz der Schwere und Tr gheitseffekte nach Froude mo delliert Weiterhin wird strikte geometrische hnlich keit gefordert Damit wird erreicht dass die Relation der beiden vorgenannten Kr fte in Modell und Natur gleich ist wodurch die von diesen Kr ften dominierten Str mungen und Wellen hnlich sind Bei einem Mo dellma stab von 1 25 bedeutet dies aber auch dass Geschwindigkeiten und Zeiten im Ma stab 1 5 klei ner sind als in der Natur Der Modellschiffsf hrer muss also f nf Mal schneller handeln als in der Gro ausf h rung und wird deshalb eher Fahrfehler machen Da f r hat er eine bessere Sicht auf sein Modellschiff und die anderen beteiligten Fahrzeuge Wegen des Modell fluids Wasser ist aber eine weitere Kraftkomponente die aus Z higkeitskr ften resultiert in Modell und Na tur nicht identisch und schr nkt damit die Modell hn lichkeit ein Das zugeh rige Verh ltnis von Z higkeits zu Tr gheitskr ften das sich in der Reynoldszahl aus dr ckt ist also in Modell und Natur ungleich Bei hohen Reynoldszahlen in Modell und Natur ist dies n
298. piel f r spezielle Anfor derungen im Zusammenhang mit der Modellierung von Str mungsvorg ngen durchgef hrt Im wasser baulichen Versuchswesen ist es h ufig erforderlich f r Variantenvergleiche die ge nderte Str mungscha rakteristik z B urspr nglich strukturierter in der Va riante kompakter Querschnitt zu untersuchen In der Bundesanstalt f r Wasserbau BAW wurde dazu das Programm FlieGe Flie Geschwindigkeiten entwi ckelt Hentschel 1992 das solche Str mungsanalysen von nicht kompakten Querschnitten erlaubt Im Auftrag der BAW wurde das Programm um eine Datenbankan bindung und eine grafische Oberfl che erweitert BAW Schumacher 2005 Zur Auswertung der Geschwindigkeitsmessungen in kompakten Querschnitten wird auch f r mittlerwei le standardm ig durchgef hrte ADCP Messungen der urspr nglich f r Vielpunkt Messungen entwickelte eindimensionale Spline Algoritnmus nach Casperlein 1967 genutzt Dieses Verfahren ist in der Pegelvor schrift LAWA BMV 1998 festgelegt Hinweise zu den speziellen Anforderungen an das Messsystem finden sich in Orlovius A Henning M 2005 2 Auswerteverfahren f r Geschwin digkeitsmessungen F r die Analyse von Geschwindigkeitsdaten im Durch fluss Quer profil stehen im wesentlichen die in Tabel le 1 dargestellten M glichkeiten zur Verf gung Daneben werden in der Literatur noch weitere Aus wertemethoden beschrieben wie z B die Metho de von K lling 1994
299. r Die Ergebnisse des Experiments k nnen bei der Entwicklung der mathematischen Methoden der Verifikation und Validierung dienen Anf nglich haben mathematische Verfahren die Hydraulik und die Feststoffdyna mik nur in Form von Beiwerten parametrisiert Durch die inzwischen verf gbare Rechenleistung und neue numerische Ans tze k nnen die mathematischen Verfahren fortentwickelt mit Hilfe der phy sikalischen Modelle inzwischen auch zum vertieften Prozessverst ndnis beitragen Physikalische Modelle werden auch in Zukunft einen erheblichen methodischen Anteil an der Unter suchung komplexer Fragestellungen haben Ihre Anwendung wird sich weiter spezialisieren auf Be reiche mit stochastischen Eigenschaften wie dies im Bereich der Morphologie der Fall ist und auf Bereiche mit gro er Komplexit t f r deren hydronumerischen Zugang die Rechenkapazit ten noch auf absehbare Zeit nicht gegeben sein werden Zudem wird mit Systemmodellen die effiziente Be antwortung grundlegender Fragestellungen m glich sein Die Anschaulichkeit der gegenst ndlichen Modelle sichert ihnen weiterhin den Einsatz in der Lehre Das vorliegende Mitteilungsblatt informiert ber den Entwicklungsstand der physikalischen Untersu chungsmethoden f r wasserbauliche Fragestellungen in der Bundesanstalt f r Wasserbau sowie in einigen mit ihr kooperierenden Uhniversit tsinstituten Hiermit verbunden ist die Hoffnung dass diese Schrift die gezielte Weiterentwicklung und die
300. r Neue Methoden der aerodynamischen Modellierung Werglkeich umsir mte Bauwerke AbHodell geitene resultierende Gescheindigke en entlang der Achse des ht en b 20 m 20 m Versatz 15 m NEHME i mittlere Ge el EA t ann hernd sen al ech za Profi im P Fius 167 0 6 Bereich der zerst rten Buhnen Nullzustand aerodynamisches Modell 1D HN FTM Nulkzustand Parallelwerk V2c aerodynamisches Modell po 54 3 604 4 604 5 5045 Godr Gi 5a 505 0 Br 5052 6053 50 605 5 BO 605 7 605 5 6050 Od km Bild 25 Mittlere resultierende Flie geschwindigkeiten an der Wasseroberfl che f r umstr mte Bauwerke LDA f r Luftmodell Oder bei Reitwein Kietz Hauptstrom und Buhnenfeld ist bei geknickten Buhnen auf Grund des kleineren Einstr mwinkels und kleinerer Geschwindigkeiten geringer Im Modell wurden bis her 30 Buhnenvarianten mit unterschiedlichen Knick winkeln L nge der Buhnenabschnitte Buhnenfeldtiefe und verschieden angeordneten Buhnenkerben unter sucht und mit Hilfe der LDA und HDA Geschwindig keitsmessungen analysiert Beispiel Odermodell Reitwein Kietz Hier wurde LDA ebenfalls eingesetzt wobei eine Ras termessweite von 3 cm im Modell Natur 10 5 m ge w hlt wurde Die Geschwindigkeitsmessungen er folgten in der Ebene die in der Natur dem Wasserspie gel entspricht Die Messergebnisse wurden mit gt FIKS lt ausgewertet und dargestellt Farbfl chen der resultie r
301. r Ver nderung des Abflusses aufl sen zu k nnen Die Str mung muss also in den gew hlten Zeitschritten als quasi station r behandelt werden Ob die Vorausset zungen hierf r erf llt werden Av lt lt v AH lt lt XAH muss im Einzelfall gepr ft werden Ein Problem bei der zeitlichen Diskretisierung kann auf treten wenn die Teilchendichte nicht ausreichend ist Bei einer Aufnahme und Mittelungsdauer von einigen Minuten k nnen durch die kontinuierliche Zugabe von Tracern ausreichende Teilchendichten erreicht wer den Soll ein sehr kurzer Zeitabstand betrachtet wer den m ssen die Tracer gleichm ig fl chendeckend und in ausreichender Anzahl zugegeben werden Soll nur die Ver nderung des Wasserspiegels beo bachtet werden k nnen die Tracer z B durch Dr hte bzw ein Drahtraster in ihrer Lage fixiert werden 3 2 Abgrenzung zu anderen Messsystemen 3 2 1 2D PTV Grunds tzlich unterscheiden sich die Systeme 2D und 3D PTV in der Aufl sung der H henkomponente Zur Bestimmung der Flie geschwindigkeiten arbeiten bei de Verfahren nach dem gleichen Prinzip und k nnen beide angewandt werden solange die Geschwindig keitskomponente in Richtung des Erdmittelpunkts ver nachl ssigbar ist und die Wasserspiegellagen nicht in teressieren Einem wesentlich vereinfachten Aufbau der 2D PTV und der damit verbundenen gr eren Mobilit t stehen Abstriche in der Messgenauigkeit gegen ber Eine wei tere Einschr nkung de
302. r berfall oder der Buhnen ber str mung auftreten eingesetzt 3 1 1 Buhnenmodell Sch nberg In einem Buhnenmodell M 1 30 der Elbe bei Sch n berg El km 440 Henning 2000 Karg 2005 wer den im Rahmen eines Forschungs und Entwicklungs projektes Systemuntersuchungen zur Auswirkung von neuen Buhnenformen auf die Wasserspiegellagen im Flussschlauch und auf das Str mungsgeschehen im Buhnenfeld als Begleitung einer gro angelegten Na turdatenkampagne durchgef hrt Kleinw chter et al 2005 Anlauf amp Hentschel 2002 Hentschel amp An lauf 2001 s Bild 6 Der Energieeintrag ins Buhnen feld und die Energieumwandlung sind Teil der Untersu chungen Bild 6 Buhne mit Kerbe im Modell Sch nberg trockenes Modell 94 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Henning et al 3D PTV Ein System zur optischen Vermessung von Wasserspiegellagen Die vorgestellten Auswertungen beziehen sich auf Ver suche an Buhnen mit einer Kerbe im R cken Kerb buhne die eine ffnung in der uferseitigen H lfte des Buhnenr ckens aufweisen und somit eine Durchstr mung bei entsprechenden Abfl ssen zulassen Zur Quantifizierung des Abflusses in den ffnungen ist ne ben der Kenntnis der Flie geschwindigkeiten die der Lage des Wasserspiegels erforderlich Neben der 3D PTV kommt am Modell die 2D PTV ATV DVWK 2003 zur Aufnahme gro er Fl chen und die 2D Laser Doppler Anemometrie LDA zu
303. r 2D PTV besteht in der Tatsa che dass f r die Entzerrung des Bildes schwimmende in ihrer Lage fixierte Punktmarken verwendet werden deren Lage in der Ebene des Wasserspiegels voraus gesetzt ist Der Wasserspiegel wird ideal als Ebene an genommen Ergebnisse bei unebenem Wasserspiegel k nnen nicht gewonnen werden oder beinhalten Mess fehler Bei Kenntnis der inneren Orientierung der Ka mera Objektiv Kombination kann die Lage der Tracer im Bild f r ebene Problemstellungen berechnet wer den Die Ungenauigkeiten entstehen vor allem durch die zumeist nicht ideal ebenen Wasserspiegel was einen Einfluss sowohl auf die Position der Tracer als auch auf die H he der Punktmarken hat Der erforderliche zueinander starre Messaufbau der Kameras bei der 3D PTV ist nicht in jedem Fall zu ge w hrleisten und wegen der hohen Anforderungen der weiterverarbeitenden Programme an die Messgenau igkeit kann unter Umst nden berhaupt keine Aus wertung erfolgen In einem solchen Fall z B in gro en Modellen in denen st ndiges Umsetzten des Sys tems vorgenommen werden muss oder bei Naturmes sungen kann sich der Einsatz der 2D PTV als zielf h rend weil einzig m glich erweisen Ein weiterer Vorteil der 2D PTV besteht in dem gr e ren Aufnahmefeld bedingt durch den Einsatz lediglich einer Kamera wohingegen beim Einsatz der 3D PTV die Bilder dreier notwendigerweise geneigter Kameras zur berdeckung gebracht werden m ssen woraus
304. r Lage bei entsprechender Einstellung auch diese Effekte abzufangen Wird ein rundes Objekt auf einem Bildsensor digital ab gebildet so wird es in Pixel zerlegt und in einer Ma trix aus Pixelelementen wiedergegeben Der Mittel punkt des Tracers wird ber eine Ellipsen und Schwer punktmessung subpixel genau berechnet Dazu ist es jedoch erforderlich dass das zu bestimmende Objekt ber eine ausreichende Anzahl an Pixeln abgebildet ist Eine kreisf rmige Zielmarke sollte daher abgebildet einen Durchmesser von 5 8 Pixel aufweisen um Pro bleme bei der Punktmessung zu vermeiden Daraus ergibt sich in Abh ngigkeit von der gew hlten Kamera und dem Aufnahmeareal eine Mindestgr e f r die Tra certeilchen z B 1024 Pixel Aufl sung 3 m Kantenl n ge des Aufnahmeareals 1 Pixel entspricht 3 mm Tra cerdurchmesser mindestens 15 bis 25 mm Bei der Suche nach geeigneten Materialien f r die Tra certeilchen erwies sich Polypropylen als geeignet da es die folgenden Kriterien erf llt siehe dazu auch Oer tel 1989 e Gute Schwimmeigenschaften an der Wasserober fl che Dichte 0 9 1 0 g cm e Gutes Folgeverhalten in der Str mung e Ideale Anpassung an Wasseroberfl che durch geringe H he e Hoher Kontrast einheitliche Farbe wichtig f r gute Bilderkennung e Sehr widerstandsf hig formstabil langlebig e Geringe elektrostatische Aufladung um Aneinan derkleben der Teilchen zu verhindern e Best
305. r Rauheit im nu merischen Modell von der Standardabweichung im hy draulischen Modell basiert hier auf der Art der Kalibrie rung des numerischen Modells bei der diese Abh n gigkeit vorausgesetzt wurde s oben Hier liegt in je dem Fall noch weiterer Untersuchungsbedarf und an dieser Stelle soll nur aufgezeigt werden welche prin zipiellen M glichkeiten der Kopplung der unterschied lichen Verfahren bestehen 7 Ausblick Bei der L sung flussbaulicher Fragestellungen neh men hydraulische Modellversuche mit beweglicher Sohle eine zentrale Rolle ein Insbesondere durch er hebliche Fortschritte im Bereich der Mess und Auto matisierungstechnik konnte der Anwendungsbereich und die Aussagetiefe der Modellversuche erheblich gesteigert werden Dabei seien hier insbesondere die Prognostizierbarkeit von nautisch nutzbaren Fahrrin nenverl ufen in geschiebef hrenden Fl ssen bei un terschiedlichen Unterhaltungs oder Ausbauvarianten erw hnt Die bei den Modellen zur Anwendung kommenden Theorien der hnlichkeitsgesetze und des Geschiebe transportes beruhen zu einem gro en Teil auf relativ sp rlichen oder stark vereinfachten empirischen Na tur und Modelluntersuchungen aus dem letzten Jahr hundert Insbesondere die in den aktuellen Modellen gewonnenen Daten zur Instationarit t des Geschie betransportes in so bisher nicht verf gbarer Qualit t und Quantit t verlangen eine vertiefte wissenschaft liche Aufbereitung und Verallgeme
306. r der Aufnah me ber ein Passpunktfeld ermittelt Retroreflektieren de Barcode Zielmarken Bild 3 werden dabei durch Ringlichter beleuchtet und dienen in den Aufnahmen als Festpunkte bei der Transformation Die berechne ten Parameter f r innere relative und u ere Orientie rung sind durch leichte Ver nderungen der Positionen oder Winkel der Kameras untereinander Temperatur schwankungen und wechselnde Lichtverh ltnisse sehr instabil und stehen in direktem Zusammenhang mit der G te der Punktmessungen Projektor Bild Kamerakopf 3D Kombisystem zur PTV und Sohlen vermessung Passpunkt Barcodemarke Durch die so gewonnenen 3D Koordinaten aller sicht baren Tracer und die Zeitspanne zwischen den Bildtri peln je nach Messung z B 1 10 s bis 1 60 s wird ihre Geschwindigkeit und Positions nderung unter Einbe ziehung der Gleichf rmigkeit der Bewegung vorherbe stimmt und im Folgebild die entsprechenden Teilchen wiedererkannt So kann die Bewegung jedes Tracers ber den Aufnahmezeitraum dreidimensional erfasst werden Gr stm gliche Aufnahmefrequenzen von bis zu 3 x 60 Einzelbildern pro Sekunde und lange Film sequenzen erfordern jedoch lange Bearbeitungszeiten f r Tracking und Auswertung Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 93 Henning et al 3D PTV Ein System zur optischen Vermessung von Wasserspiegellagen Bild 5 Bahnlinien einer Messung am Buhnenmodell 2 3 Messergebnis
307. r oscillating in quiescent fluid EXPERIMENTS IN FLUIDS 23 2 99 104 ME L ng A 1997 Tracer particles and seeding for par ticle image velocimetry MEASUREMENT SCIENCE amp TECHNOLOGY 8 12 1406 1416 MESELHE E Peeva T anD Muste M 2004 Large Scale Particle Image Velocimetry for Low Velocity and Shallow Depth Flows J Hydr Engrg 130 9 pp 937 940 MusrTe M XionG Z SCH NE J AND Li Z 2004 Flow Diagnostic in Hydraulic Modeling Using Image Veloci metry J Hydr Engrg 130 3 pp 175 185 N BEL K anb WEITBRECHT V 2002 Visualization of Lo calization in Grain Skeletons with Particle Image Ve locimetry ASTM Journal of Testing and Evaluation 30 4 322 328 Geschwindigkeitsmessungen mit Particle Image Velocitry Prasan A K 2000 Particle image velocimetry CUR RENT SCIENCE 79 1 51 60 RArFFEL M WiLLERT C AND KOMPENHANS J 1998 Par ticle Image Velocimetrie Springer Verlag Berlin RummeL A C SoKoLoFfskY S A CARMER C F v JIRKA G H Enhanced diffusion from a continuous point sour ce in shallow free surface flow with grid turbulence submitted to Physics of Fluids 2005 SCARANO F AND RIETHMULLER M L 1999 Iterative mul tigrid approach in PIV image processing with discrete window offset Experiments in Fluids Vol 26 513 523 WEITBRECHT V 2004 Influence of Dead Water Zones on the Dispersive Mass Transport in Rivers docto ral thesis Institute for Hydromec
308. r tiefen aufgel sten Aufzeichnung der Flie geschwindigkeiten in den Buhnenkerben zum Einsatz Der Einsatzbereich der 3D PTV besteht vor allem in der Detailbetrachtung der Flie geschwindigkeiten und Wasserspiegel in den ffnungen der Buhnenr cken und in den Buhnenfeldern Der betrachtete Bildaus schnitt ergibt sich bei einem Kameraabstand von ca 2 m und einer Aufl sung von 800 x 600 Pixel zu ca 1 6 x 1 6 m Da das Str mungsgeschehen in Buhnen feldern einer Pulsation unterliegt und im Falle von ge kerbten Buhnen von der Bildung und dem Zerfall von Wirbeln und Walzen gepr gt ist herrscht stark un gleichf rmiger Abfluss in den Buhnenfeldern vor so dass zur Quantifizierung von Wasserein bzw austrag die Betrachtung von Mittelwerten zielf hrend ist Bild 5 zeigt hier die unterschiedlichen Verl ufe der Bahnlinien der Tracerteilchen ber die Zeit Im rechten Bildteil un terstrom der Buhne erkennt man die hohe Varianz der Bahnlinien ber die Zeit Die Wasserspiegeldifferenzen zwischen den Buh nenfeldern liegen in der Natur bei einem Buhnenab stand von ca 100 m und einem Wasserspiegelgef lle im Flussschlauch von 0 1 0 2 im Mittel zwischen 0 01 und 0 02 m Um Schwankungen des Wasserspie gels oder den Wasserspiegel in der ffnung betrach ten zu k nnen muss die Aufl sung des Systems in diesem Bereich liegen Aus dem Modellma stab von 1 30 ergeben sich Genauigkeitsanforderungen an die Aufl sung der Wasserspiege
309. r unterstr mten Wehren unter spezieller Ber cksichtigung der Gestaltung eines beweglichen Sturzbettes Mitteilungen aus dem Leichtwei Institut f r Wasserbau und Grundbau der Technischen Hoch schule Braunschweig Heft 60 1 1960 RAJARATNAM N 1981 Erosion by plane turbulent jets Journal of Hydraulic Research 19 No 4 1981 339 358 RAJARATNAM N MacpoucaLL R K 1983 Erosion by plane wall jets with minimum tailwater Journal of Hy draulic Engineering Vol 109 No 7 1983 1061 1064 SCHLICHTING H 1965 Grenzschicht Theorie 5 Aufla ge Verlag G Braun Karlsruhe SH eLos A 1936 Anwendung der hnlichkeitsmecha nik und der Turbulenzforschung auf die Geschiebe bewegung Mitteilungen der Preu ischen Versuchs anstalt f r Wasserbau und Schiffbau Berlin Heft 26 Eigenverlag der Preu ischen Versuchsanstalt f r Was serbau und Schiffbau Berlin NW87 1936 SHALASH M S E 1959 Die Kolkbildung beim Ausflu unter Sch tzen Einflu einer Befestigungsstrecke und einer Sohlenstufe unterstrom des Auslasses Disser tation Fakult t f r Bauwesen der Technischen Hoch schule M nchen STRAUBE C 1963 Die Kolkbildung hinter unter str mten Wehren Mitteilungen der Forschungsanstalt f r Schiffahrt Wasser und Grundbau Berlin Schriften reihe Wasser und Grundbau Heft 9 Berlin 1963 VAN Riun L C 1984 Sediment Transport Part I Bed Load Transport Journal of Hydraulic Engineering Vol 110 No 1
310. rahlen gang ablenken Dadurch ist der r umliche Messbe reich eingeschr nkt und die Messgenauigkeit verrin gert sich Vergleichsmessungen im trockenen und im nassen Zustand zeigten dass mit dieser Methode die Mess genauigkeit unter Wasser auf Grund der oben genann ten Einschr nkungen etwa um den Faktor 10 geringer ist als bei Messungen ohne Wasser d h wenn der mittlere H henfehler im trockenen Zustand bei etwa 0 25 mm liegt liegt er unter Wasser bei etwa 2 5 mm hier etwa 10 cm in der Natur Diese Methode erm glicht in enger zeitlicher Folge Auf nahmen der Sohle w hrend des Versuchsbetriebes Bisher wurden im Modell der Oder bei Hohenwutzen die in Tabelle 2 dargestellten Messungen durchge Messinterwall f hrt Aufnahmen Wless Natur A 2x2m 200x200 m 14 Sokunden 15 Stunden A T B ox2m 900x200m 3 Mmuten TWoche 10 Tabelle 2 Im Modell der Oder bei Hohenwutzen durchge f hrte Messungen Messfeld Die Messungen A wurden bei station ren Untersu chungen an einer einzelnen Messposition durchgef hrt 450 Einzelmessungen ber etwa zwei Stunden im Mo dell ohne das Messsystem zu bewegen Sie erm gli chen eine pr zise r umliche Vermessung von Trans portk rperbewegungen Die Messungen B und C wur den bei instation ren Versuchen durchgef hrt Simu lation einer Zeitreihe von zwei Jahren 150 Einzelmes sungen und erm glichen die Analyse abflussabh n giger Ver nderungen der Sohlparameter Mes
311. rch u a kei ne kleinen Sohlformen Riffel nachgebildet werden k nnen Modelle mit einem Schichtenaufbau des Untergrundes Derartige Modelle sind erforderlich wenn zum Beispiel Abpflasterungserscheinungen oder Grobkornanreiche rungen untersucht werden sollen Modelle mit ber die Tiefe oder Breite unterschied lichem Sohlmaterial k nnen zwar prinzipiell auch be trieben werden setzen jedoch bei der Versuchsvorbe reitung einen erheblichen Aufwand voraus da der Sohl aufbau vor jeder Versuchsserie erneut hergestellt wer den muss In der Bundesanstalt f r Wasserbau wurden Schichtenmodelle f r Untersuchungen gr erer Fluss abschnitte bisher nicht eingesetzt sich dar ber hinaus erh hte Anforderungen an die Er gebnisse aus den Modellen Aufl sung Genauigkeit Zeitplan sowohl von Seiten der Auftraggeber als auch von Seiten der Entwickler numerischer Verfahren F r diese stellen die in den Modellen erfassten Daten phy sikalischer Ph nomene des Feststofftransportes wich tige Grundlagen zur Entwicklung von Algorithmen f r numerische Verfahren dar 4 2 Modellieren der Sohle F llen und Entleeren des Modells Vor jeder Versuchsserie muss das Modell in einen de finierten und reproduzierbaren Zustand gebracht wer den Dazu ist die Modellsohle auf ein dem gew hlten Naturzustand entsprechendes Niveau zu modellieren Die hohe Dynamik der hier beschriebenen Modelle von Elbe und Oder erm glicht hier ein vereinfachtes V
312. rde zur Analyse von Na tur und Modelldaten ein erweitertes numerisches Ver fahren entwickelt Dieses beruht auf einem iterativen fi niten Differenzen Ansatz unter Verwendung einer fl chigen Ausgleichsfunktion modifizierte Minimum Cur vature Methode nach Briggs 1974 Mit Hilfe dieses Verfahrens ist es z B m glich Stark strukturierte Querprofile unter Einbeziehung von z B Vorlandabfl ssen und Stromspaltungen zu analysieren R ckstr mzonen zu erfassen und zu quantifizie ren Horizontale und vertikale Geschwindigkeitsprofile an beliebigen Stellen des FD Rasters unabh ngig von den tats chlichen Messstellen darzustellen Fl chen Durchfl sse und Geschwindigkeiten in frei w hlbaren Teilbereichen des Gesamtprofils zu er mitteln Isotachen zu generieren Statische Fl chen und dynamische Geschwindig keitsschwerpunkte zu berechnen Durchflussprofile unabh ngig von den Messlotrech ten durch die tats chlichen Geometriekoordinaten abzubilden Geschwindigkeitsmessungen bei unterschiedlichen Wasserst nden oder Geometriezust nden direkt zu vergleichen Getrennte Auswertung der einzelnen Geschwindig keitskomponenten resultierende Geschwindigkeit vr sowie von vx vy und vz im Gesamtprofil oder in definierten Teilbereichen vorzunehmen Komplexe Rohrstr mungen z B bei Luftmodellen mit den gleichen Algorithmen wie bei Freispiegel str mungen auszuwerten 3 2 Algorithmen des
313. ren zur Str mungsanalyse DiPL InG BERND HENTSCHEL BUNDESANSTALT F R WASSERBAU KARLSRUHE 1 Einleitung Eine Grundsatzaufgabe der Hydrologie besteht in der Ableitung von Wasserstands Abfluss Beziehungen an ausgew hlten Pegeln In der Vergangenheit konzen trierte man sich bei der Auswertung der dazu durch gef hrten Durchflussmessungen auf die Ermittlung des Gesamtdurchflusses in kompakten Messquerschnit ten Gleichwohl wurden die Durchfl sse in den ersten Messverfahren Fl gelmessungen ber Vielpunkt Geschwindigkeitsmessungen in einem geeigneten Ras ter ermittelt In den 1990er Jahren wurden die zeitauf w ndigen Fl gelmessungen von Ultraschall Doppler Verfahren ADCP Acoustic Doppler Current Profiler Adler 2005 abgel st Mittlerweile werden haupts ch lich Messverfahren eingesetzt die entweder auf die Er fassung des Durchflusses und nicht der Geschwindig keit hin optimiert wurden Moving Boat Doppler Verfah ren oder ohne Umweg ber die Flie geschwindigkeit direkt den Durchfluss messen horizontale Ultraschall Doppler Verfahren Detaillierte Str mungsanalysen erfordern jedoch ne ben diesen reinen Durchflussermittlungen eine Aus wertung von Geschwindigkeitsmessungen auch in ge gliederten Querschnitten zum Beispiel mit lotrech ten Ultraschall Doppler Verfahren Die Auswertungen von Flie geschwindigkeiten in gegliederten Quer schnitten unter Umst nden auch mit R ckstr mungs bereichen werden zum Beis
314. rieb von Staustufenmodellen an ausgew hlten Beispielen dargestellt und erl utert 5 1 Modellaufbau F r die Planung der Modelluntersuchung einer Stau stufe sind umfangreiche geometrische hydraulische und hydrologische Unterlagen erforderlich wie Lage pl ne Bauwerkspl ne Querprofilaufnahmen Luft bilder Wasserspiegelfixierungen Schl sselkurven Ab fluss und Wasserstandsganglinien Die Wahl des Ver kleinerungsma stabs des unverzerrten Modells wird bestimmt durch die vorhandenen technischen Rand bedingungen Laborfl che Pumpenkapazit t und die hydraulischen hnlichkeitsbedingungen Turbulenzkri terium hydraulisch raue Str mung Die in der BAW bisher verwendeten Ma stabszahlen f r unverzerrte Staustufenmodelle liegen im Bereich von L h 30 bis 100 Tabelle 2 Ein Schwerpunkt beim Modellaufbau ist die Herstel lung der Absperrbauwerke welche in der Regel hy draulisch und mechanisch voll funktionsf hig sein m s 1 40 1 30 sen um natur hnliche Str mungsverh ltnisse zu er m glichen Insbesondere die Wehre sind so zu gestal ten und messtechnisch auszur sten wie in Kapitel 4 Wehre erl utert Die Anfertigung der Massivbauteile und der beweg lichen Verschl sse erfolgt auf der Basis von CAD Kon struktionspl nen s Bild 22 Von geometrisch komple xen Bauteilen werden digitale SD Modelle erzeugt um mit diesen k nftig ber eine 3 Achsen CNC Fr sma schine die Teile physisch herstel
315. rmen Riffel und D nenh hen lt 1 dm in der Natur sind aber f r die Untersuchungen der BAW f r die Was 28 ser und Schifffahrtsverwaltung ohne Bedeutung Die hnlichkeit gr erer Formen ist demgegen ber gut er reichbar s Bild 3 Als wesentlicher Parameter f r die hnlichkeit der Sohlformen ist neben den im Shields Diagramm s Bild 5 aufgef hrten Werten Re Fr und D die Form der Kornverteilungskurve z B ber die Ungleichf rmigkeit U von fraktioniertem Material als d zu d zu nennen Der Bewegungsbeginn ist bei gegebener Dichte ab h ngig von der Korngr e sodass unterschiedliche Anteile des Sedimentes bei unterschiedlichen Schub spannungen in Bewegung geraten Da die Schub spannungsverteilung an der Sohle von Fl ssen ber Ort und Zeit extrem variabel ist wodurch es zur Ausbil dung vielf ltiger Sohlformen kommt wird bei den Un tersuchungen der BAW versucht die Kornverteilung des Modellgeschiebes hier ber den Ungleichf rmig keitsquotienten U60910 an die Kornverteilung des Na turgeschiebes anzupassen 3 1 3 Nachweise der hnlichkeiten Von den o g hnlichkeitsbedingungen lassen sich ei nige durch Ber cksichtigung der Modellgesetze direkt einhalten Andere sind nur im Rahmen ihres G ltig keitsbereiches und weitere nur durch den Nachweis in Labor oder Modellversuchen zu belegen Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Direkter Nachweis zur Einhaltung d
316. rschiedentlich dargestellt worden GiLJarovV 1973 LyATcHER Prupovsk 1971 und 1984 FAuLHABER 1986 Nestmann und BAcHMEIER 1987 Seither erm glichte der technische Fortschritt f r Luft modelle den Einsatz neuer Messverfahren nicht nur im wissenschaftlichen Laborbetrieb sondern auch bei Un tersuchungen praxisrelevanter Auftr ge des Verkehrs wasserbaus Einige Neuerungen sollen hier vorgestellt werden Die eigentliche Messtechnik wird dabei nicht n her erl utert da es sich bei den Messger ten um auf dem Markt verf gbare Messsysteme handelt Es wer den Beispiele f r die Automatisierung der Messvorg n ge und die Ergebnisauswertung im Rahmen von Auf tragen der Wasser und Schifffahrtsverwaltung vorge stellt Grunds tzlich werden in aerodynamischen Str mungs modellen in der BAW die in Tabelle 11 dargestellten Messmethoden eingesetzt Besonders f r Durchfluss und Druckmessungen m s sen die Klimabedingungen im Labor sorgf ltig do kumentiert werden um die wechselnden Fluidei genschaften z B Dichte ber cksichtigen zu k n nen Beim Betrieb von Luftmodellen wird als charak teristischer Durchfluss der Varianten bei einem statio n ren Naturdurchfluss der Betriebsvolumenstrom kon stant gehalten Da einige Durchflussmessger te den Normvolumenstrom angeben muss mit Hilfe der vom Klima abh ngigen Fluideigenschaften der Betriebsvo lumenstrom berechnet werden Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 9
317. rsuchungen zur Ermittlung der erforderlichen horizontalen Sicherheitsabst nde gungen in Standard Profilen nahezu identische Si cherheitsabst nde f r Begegnungen errechnen siehe hierzu Kapitel 7 Die Modellschiffsf hrer verhalten sich also bei Begegnungen wiie reale Schiffsf hrer d h na tur hnlich Dies kann auch f r Richtungsverkehr vorausgesetzt werden Deshalb ist anzunehmen dass auch die zu geh rigen Sicherheitsabst nde der Modellversuche f r Richtungsverkehr denen der Natur entsprechen wenn auch keine Vergleichsm glichkeit wie f r Be gegnungen besteht und deshalb die Quantifizierung des human factor nicht m glich ist Dies w re gera de f r Richtungsverkehr allerdings noch wichtiger als f r Begegnungen Letztere stellen auch in stark befah renen Wasserstra en eine Ausnahmesituation dar die mit hoher Konzentration gefahren wird Entsprechend gering k nnen die Sicherheitsabst nde dort angesetzt werden Diese hohe Konzentration kann f r lange Strecken mit Richtungsverkehr aber nicht gefordert werden W re dies n tig w rden die Schiffsf hrer zwangsl ufig Fahr fehler machen Das Kollisionsrisiko im Richtungsver kehr ist somit von der L nge der Strecke mit Rich tungsverkehr abh ngig die bei den Modellversuchen der Versuchsanstalt Obernach durch den Versuchsauf bau vorgegeben war Sie ist zudem zu kurz um da rauf aufbauend statistische Untersuchungen zum Kolli sionsrisiko f r eine lange
318. ruck und 3D Geschwindigkeitsmessungen wurden vgl Bild 17 betragen ca 2 x 1 2 x 1 2 cm Die Signalkonditionierung erfolgt nach einer 2 50 m langen flexiblen Leitung zentral und extern in einer Ver st rkerbox Der Nachteil durch die relativ langen Lei tungen zwischen Druckaufnehmer und Elektronik m g licherweise Einstreuungen zu bekommen die die Si gnalkonditionierung beeinflussen k nnten wurde zu Gunsten eines miniaturisierten Messkopfes in Kauf ge nommen Die Grenzfrequenz der verwendeten Druckaufneh mer liegt im KHz Bereich Entscheidend f r die Grenz frequenz des Transmitters sind aber die D mpfungs glieder in der Verst rkerschaltung die bei der gew hl ten Konfiguration eine Reaktionszeit von etwa 10 ms 100 Hz haben Der maximal zul ssige berdruck liegt bei den auf Messungen bis 6 kPa abgestimmten Bauteilen bei 40 kPa Durch die garantiert maximal messbaren Frequenzen von 100 Hz ist es m glich Druckfluktuationen zu erfassen die bis an die nach Nezu amp Nakagawa 1993 auf 50 Hz gesch tzte Kolmo gorovskalenfrequenz heranreichen Um Aliasingeffekte zu vermeiden werden die Messungen mit einer Abtast rate von 500 Hz durchgef hrt Detert et al 2004a Die gekapselten Sensoren wurden entsprechend der zu messenden Dr cke von 0 bis 6 kPa auf O bis 10 V kalibriert wobei bei Dr cken von 3 bis 6 kPa von einer Fehlertoleranz unter 1 0 auszugehen ist Die Genau igkeit der AD Karte ist zwar auf 0
319. rung auch hier immer mehr infolge wachsender Leistungsf hig keit der Computertechnik an Bedeutung gewinnt hat der hydraulische Modellversuch auf Grund der instatio n ren Interaktion von Schiffsbewegung und Str mung nach wie vor seinen festen Platz unter den Untersu chungsverfahren Als zweckm ige Verkleinerung der Gro ausf hrung hat sich bei der Untersuchung von Schleusen ein Ma stab von M 1 25 herausgestellt Da sich das Gesamt modell jeder neuen Schleusenuntersuchung in seine Teile oberer Vorhafen Schleusenbauwerk und un terer Vorhafen gliedern l sst wurde um einen Gro teil des Aufwandes f r den Modellaufbau einzusparen ein Schleusenversuchsstand in der BAW Karlsruhe eingerichtet Bild 7 und Bild 8 mM unteres Becken I II i Zi un A Ultraschall messpegel m Pr Fi Fi F Pi oberer Worhafen Schleusenversuchsstand in der BAW Karlsruhe mit dem Modell der Schiffsschleusenanlage der neuen Schleuse Bolzum Bild 7 Bild 8 Blick auf das Oberhaupt der neuen Schleuse Bol zum mit Drucksegmenttor zwei St rk rperreihen an der Sohle und abschlie ender Gitterwand Energieumwandlungsanlage Bauliche Details sind Ein oberes Becken mit Einrichtungen die den Zu fluss regeln bzw die Wasserspiegell nderungen aus Schwall und Sunk im Oberwasser beim F llen der Schleuse ber cksichtigen eine Kammer mit einem durchsichtigen vorderen Kammerabschnitt
320. s Geschiebe Sediment dichte pr Fluiddichte relative Dichte p PS FF PF Schubspannung t p 9g H I a m m s m s m m Im s kg m kg m IN m Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 183 Faulhaber Neue Methoden der aerodynamischen Modellierung 10 Glossar Benennung Einheit Erkl rung Definition Quelle ee Se Fl che normal zur Hauptstr mungsrichtung die von einer Fl s DIN 4044 flussquerschnitt sigkeit durchstr mt wird DIN 4047 5 pu ae y Gew ssersohle mit Lockersedimenten die auflanden und ein Bewegliche Sohle tiefen kann Volumen das sich je Zeiteinheit durch einen Querschitt bewegt Einheit bei Gasanlagen Der Betriebsvolumenstrom gibt in Luftmodellen den effektiven Volumenstrom der verdichteten Luft an bei bestimmten Betriebsverh ltnissen Klimaparameter sind beim Vergleich zu ber cksichtigen Der Normvolumenstrom gibt den Volumenstrom f r theoretische Vergleichswerte an 0 C 760 mm HG 1 294 kg m Volumenstrom Im h DIN 1945 Siehe Durchfluss Bwe O Quer zum Ufer liegendes Bauwerk zur seitlichen Begrenzung des Abflussquerschnitts und oder zum Schutz des Ufers Wasservolumen das einen bestimmten Querschnitt in der Zeit einheit durchflie t DIN 4044 DIN 4054 Durchfluss Q s m s Flussbett Gew sserbett Gel ndemodell Anmerkung unabh ngig von der Zuordnung zu einem Einzugsgebiet DIN 4049 3
321. s die Sch tz ffnung a in Gl 9 durch den Durch messer des Br ckenpfeilers D ersetzt werden Im nachfolgenden wurde entsprechend der anf nglichen Fragestellung zur maximalen Kolktiefe der Ansatz nach Gl 9 in experimentellen Untersuchungen berpr ft 3 Experimentelle Untersuchungen 3 1 Sohlenmaterialien Ziel der experimentellen Untersuchungen war es mit GI 9 den Einfluss von spezifisch leichten Sohlenma terialien und den Einfluss der Z higkeit auf den hydrau lisch sedimentologischen Prozess des Auskolkens zu erfassen Hierzu wurden die experimentellen Untersuchungen mit vier Versuchsmaterialien durchgef hrt Ausgew hlt wur de das Kunststoffgranulat Acetalharz d 2 60 mm p 1390 kg m D 38 sowie ein Grobsand mit einem mittleren Durchmesser d 1 58 mm und eben falls D 38 Weiterhin wurde das Kunststoffgranulat Polystyrol d 2 76mm p 1040 kg m D 19 und ein zweiter Grobsand mit einem mittleren Durchmesser d 0 82 mm D 19 verwendet vgl Tabelle 1 1 50 Tabelle 1 Kennwerte der Versuchsmaterialien Die K rnungslinien der Quarzsande sind in Bild 3 dar gestellt agi a4 1 10 Eomduchmesser d in jmi Bild 3 K rnungslinien der Versuchssande Der Quarzsand 1 bestand nahezu aus einem Einkorn Ungleichf rmigkeit o d d 1 15 die K r nungslinie des Quarzsandes 2 mit einer Ungleichf r migkeit o 1 31 besa eine etwas ausgepr gtere K r nungslinie
322. sbereich bei Od km 659 5 zum Beispiel mittlere Sohlh he und Standardabweichung der Sohlh he s Bild 28 i 85 WSP im Messquerschnitt asi E pad m 2 er a WSP m NN Standardabweichung m f fa pad Ba fe Standardabweichung l 1 5 1 1 Hij B t3 wi i iig Tib i a ji ti iddi Mid ri ar iii Zeit St abw km 559 5 Untersuchungsgeblet Bild 28 Instation rer Modellversuch Standardabweichung der Sohlh he und Wasserspiegel als Funktion der Zeit Bei den Messungen B und C musste f r die Aufnahme eines gr eren Areals das Messsystem bewegt wer den Bild 29 zeigt exemplarisch zwei Aufnahmen Zwi schen zwei Messungen ben tigt die Traversierung und Orientierung etwa 30 Sekunden F r den bei beiden Aufnahmen vermessenen berlappungsbereich liegen somit Daten im Abstand von 30 Sekunden f r den ex 38 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Hentschel Hydraulische Flussmodelle mit beweglicher Sohle 25 Feld 1 2 25 Feld 2 z i 1 75 Z Z 15 Ea i je 1 0 75 o Dh ca 20 cm Natur i 0 25 5 mm Modell i 50 100 150 200 250 300 Abstand vom Nullpunkt Bild 29 Zwei Sohlaufnahmen im Abstand von 30 Sekunden in den Bildmitten jeweils der berlappungsbereich von zwei Auf nahmefeldern akt gleichen Bereich vor Da die Sohle sich w hrend dieser Zeit ver ndert lassen sich f r diesen Bereich nur statistische K
323. schwindig keitsfluktuationen Bild 10 Versuchsaufbau einer fixieren Messpore f r Geschwindigkeitsmessungen innerhalb der Kies schicht 3D PTV Um die Flie geschwindigkeitsmessungen im Kies in nerhalb von drei gesondert installierten Messporen durchf hren zu k nnen wurde das gleiche Messprin zip eingesetzt das auch zur Bestimmung der Flie ge schwindigkeiten in der freien Oberfl chenstr mung be nutzt wurde Jeweils zwei flexible optische Glasfaser kabel mit einem Durchmesser von jeweils 2 4 mm wur den an den k nstlichen Messporen befestigt wie es Bild 10 11 und 12 zeigen Mittels eines zus tzlich in die Poren gef hrten Lichtlei terkabels vgl Bild 11 und 12 wurden die Messporen durch kaltes Halogenlicht ausgeleuchtet Um eindeu tige Bezugspunkte ber die Dauer der gesamten Mess phase zu gew hrleisten und Kornbewegungen inner halb der Messporen zu vermeiden wurden die Poren fixiert len A e MER Re er Se ALL 1 niii wao ji 0 11 12 5 Kiril viraka li K nstliche Pore fixiert MT N Ani i Wiii AA f i udii ii ee Fixierpunkte f r das r umliche Gitterskellett Bild 11 K nstliche Messpore Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 125 Wenka K hler Simultane Druck und 3D Geschwindigkeitsmessungen Tracerzugabe Zuleitung zum Druckaufnehmer Lichtleiter e Fliess gt o richtung Endoskope Messvol
324. schwindigkeitsmaximum in ho rizontaler Richtung zwischen der ersten und der zwei ten Messlotrechten bezogen auf diesen Rand liegt und dabei sehr hohe Werte annehmen kann berschwin gen der r umlichen Funktion Randbereiche Die Randbereiche werden lokal betrachtet um z B im Bereich der Sohle einen steilen Gradienten im Verlauf des Geschwindigkeitsprofiles zu erreichen Die Regel gleichung lautet daf r _xl x2 yl y2 F r die zweite Reihe unter dem Wasserspiegel wird fol gende Systemgleichung angewandt E x3 y3 x0 2 UR UL OR OL S x2 x i ty2 4 yl 19 sodass hier keine Elemente im Abstand y 2 ber ck sichtigt werden und die Wichtung der Elemente im Ab stand y 1 erh ht wird Wasserspiegel Am Wasserspiegel wird die Geschwindigkeit unter Ab wandlung der Zuordnung f r das oben angrenzende Element y1 fiktives Element oberhalb des Wasser spiegels zur Berechnung der Neigung der Geschwin digkeitsfl che mit folgender Gleichung berechnet N Das Gef lle zum Wasserspiegel wird bezogen auf das Gef lle zwischen den n chsten beiden Elementen un ten reduziert Mit diesen angepassten Werten f r y1 wird die Geschwindigkeit in H he des Wasserspiegels berechnet Durch Variation zweier Wichtungsfaktoren y und kann die Neigung des Geschwindigkeitsprofils zum Wasserspiegel variiert werden sinnvoll sind Wer te f r y zwischen 1 und 2 und f r zwischen 0 und 1 Die Werte y 1 und
325. se und erreichbare Genauigkeit Am Ende der Auswertung steht die Darstellung aller berechneten Bahnlinien ber den Aufnahmezeitraum Bild 4 Bild 5 Dabei wird dem Anwender f r jedes ver folgte Partikel eine nummerierte Bahnlinie mit farbco diertem Zeitschema dargestellt zu der weitere Informa tionen wie z B Koordinaten zu unterschiedlichen Zeit punkten und Genauigkeiten in Form von Standardab weichungen abrufbar sind Die zu erreichenden Ge nauigkeiten h ngen von der jeweiligen Anwendung und der Stabilit t der Aufnahmeeinheit innere und relative Orientierung ab Bei guter Aufl sung der Messpunkte stabiler und gut verteilter Anordnung der Kameras k n nen Genauigkeiten von unter 0 1 mm erreicht werden Bei Standardanwendungen Aufnahmebereich ca 3x 3 m werden Genauigkeit bis etwa 0 3 mm in der Lage und 0 6 mm in der H he erreicht Bei kleineren Aufnahmebereichen lassen sich deut lich h here Genauigkeiten von 0 05 mm in der Lage und 0 1 mm in der H he erreichen Die Anordnung der Kameras kann dann ohne Einschr nkungen durch Baugr e oder Beleuchtung vorgenommen werden 3 Anwendung 3 1 Einsatz im wasserbaulichen Versuchswesen Bisher wurde die 3D PTV f r Problemstellungen mit station ren Abfl ssen bei lokal schwankenden Ge schwindigkeiten und Wasserspiegeln z B beim Pul sieren der Buhnenfeldstr mungen und bei Problem stellungen mit gekr mmten Wasserspiegelverl ufen wie sie z B beim Weh
326. ser D ergibt sich eine berlagerung der Ergebnisse f r alle drei Versuche Demnach ist f r D gt 150 die relative Kolktiefe max t a unabh ngig von D Weiterhin zeigt sich dass die Messergebnisse aus der Versuchsserie mit Tuffstein Altinbilek Basmaci 1973 D 38 mit den Messergebnissen der Versuchsserie 1 ebenfalls D 38 vergleichbar sind Dieser Sachver halt best tigt nochmals dass in D die relative Dichte hinreichend ber cksichtigt wird und dass jedem sedi mentologischen Durchmesser f r eine relative Kolktie fe ein fester Wert einer kornbezogenen Widerstands zahl X zugeordnet werden kann Abschlie end sollen noch die Luft Sand und die Luft Polystyrol Versuche von Rajaratnam erw hnt werden Seine Versuchsergebnisse sortierten sich ebenfalls entsprechend der aufsteigenden Reihenfolge der se dimentologischen Durchmesser in Bild 14 ein obwohl eine erhebliche Variation der kinematischen Viskosit t erfolgte D h auch eine Variation der Z higkeit wird ber die Auftragung max t a f D X erfasst Anhand dieser Ergebnisse zeigt sich dass der Einfluss der Z higkeit auf die experimentellen Untersuchungen mit den Kennzahlen D und x hinreichend erfasst und zudem dargestellt werden kann 116 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 5 Zusammenfassung und Ausblick Die bertragung von hydraulisch sedimentologischen Prozessen zwischen Natur und Modell beinhaltet nach wie vor erhe
327. ser Gr enordnung 5 2 Sohlformen bei instation rem Abfluss Untersuchungen mit einer instation ren Zuflusssteu erung mit Simulationszeitr umen von mehreren Jah ren erm glichen die Analyse von langfristigen Sohlent wicklungen und der Wechselwirkung von Abfluss nde rungen und der Sohlform Bild 33 zeigt exemplarisch die Wasserstands und Sohlentwicklungen in einem Modellversuch ber einen Zeitraum von etwa sieben Stunden im Modell hydro logisch ca 8 Monate morphologisch ca 21 Monate in der Natur bei dem eine gr ere Bauma nahme Er h hung und Vorstreckung von Buhnen zu einer Eintie fung der mittleren Sohlh he f hrt Der hier betrachtete Untersuchungsabschnitt liegt oberhalb einer Engstel 1 4 85 Ei un WSP m NN de Mittlere Sohlh he m NN h HI l Mittlere Sohlh he WSP im Messquerschnitt BUG aa ago zm m m Mm HMA E IE IHM HA MN HA GE 5 KB Zeit mit H km 659 5 Untersuchungsgeblet Pa i Bild 33 Entwicklung der mittleren Sohlh he ber die Zeit Hentschel Hydraulische Flussmodelle mit beweglicher Sohle le wo es infolge des R ckstaus bei h heren Abfl ssen zu Sedimentationen kommt Im Mittel tieft sich hier die Sohle um etwa 60 cm ein w hrend des steigenden As tes der Abflusskurve kommt es jedoch zu einer Aufh hung der Sohle Bild 28 zeigt die Auswertung der Stan dardabweichung aus dem gleichen Versuchslauf Das Bild zeigt wie sich d
328. sion der Synchronisa tion bzw des zeitlichen Ablaufs abh ngig Die in Wes terweel 2000 beschriebene Technik zur Bestimmung der Genauigkeit eines PIV Systems unter Verwendung k nstlicher Partikelbilder wurde in Weitbrecht et al 2002 auf ein Oberfl chen PIV System der Firma La Vision angewendet Prinzipiell konnte hier gezeigt wer den dass der systematische Fehler bei der Berech nung der Verschiebungen im Bereich kleiner als 0 2 Pi xel des Kamerachips liegt Unter Einhaltung der im Ab schnitt 2 1 1 beschriebenen Kriterien kann eine sehr gro e Genauigkeit bei der Bestimmung von mittle ren Geschwindigkeiten erzielt werden Das von Grant 1997 vorgestellte Qualit tskriterium hinsichtlich der Komplexit t der Str mung welches besagt dass der Geschwindigkeitsgradient in einer Interrogation Area im Vergleich zur mittleren Geschwindigkeit nicht gr er als 0 2 sein sollte wurde von Weitbrecht et al 2002 f r das genannte System best tigt Bei Messungen von Turbulenzgr en wie beispielsweise den mittleren Geschwindigkeitsmessungen mit Particle Image Velocitry Fluktuationen muss weiterhin bedacht werden dass der Bereich der dominierenden Wirbelgr en voll st ndig durch das PIV System entsprechende Wahl des Bildausschnittes der Kameraaufl sung der Par tikelgr e und der Bildfolgefrequenz aufgel st wird Ist dies nicht der Fall werden kleinskalige Schwan kungen durch das PIV System herausgefiltert sodass
329. situation zu verwenden Anders als herk mmliche Instrumente die Geschwin digkeitsmessungen an einem Punkt oder entlang einer Linie Profiler aufnehmen k nnen liefert ein PIV Sys tem instantane fl chenhafte Vektorfelder die einen Be reich von wenigen mm bis zu mehreren km abdecken k nnen Die hohe r umliche Aufl sung der Vektorfelder erlaubt neben der Erfassung der Geschwindigkeiten auch die direkte Visualisierung und Interpretation ei ner Str mung hinsichtlich der Str mungsmuster z B Wirbelgr en die normalerweise durch eine Analyse der punktuell gemessenen Zeitreihe zur ckgerechnet werden m ssen Damit wird PIV auch zu einer idealen Erg nzung bzw Validierung zwei bzw dreidimensio naler numerischer Simulationen Der Einsatz stereos kopischer Systeme unter Verwendung mehrerer Ka meras erlaubt f r manche Anwendungen auch die Aus wertung der Geschwindigkeitskomponenten in der drit ten Raumrichtung sodass ein quasi dreidimensionales Messverfahren zur Verf gung steht Lin und Rockwell 1997 Im Weiteren wird in diesem Artikel ausschlie lich auf zweidimensionales PIV eingegangen Anwendung findet die PIV Technik in einer Vielzahl von Fragestellungen der Str mungsmechanik Adrian 1991 Grant 2000 wobei sich die Ausdehnung der untersuchten Messfelder sowie die untersuchten Ge schwindigkeiten um mehrere Gr enordnungen unter scheiden k nnen Der Einsatz von PIV ist jedoch nicht auf Fluidbewegungen besc
330. sseinrichtungen werden ausf hr licher in den folgenden Abschnitten beschrieben Auf Basis einer Kategorisierung und Quantifizierung der hydromechanischen Prozesse welche die Soh le und den por sen Untergrund belasten und Materi altransport ausl sen wurde die Untersuchungsmatrix von Tabelle 1 ausgearbeitet Detert 2003 _Sohibelastung zo 0 1 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 A Kies H dso Mit Gummmatie 20 Ws Fs IRRE FM eo 10 Ws we Was m m m 4 E e 3 Ui BU De a E E E CT TO TO 20 u E u 10 Was Was Kies Ohne Gummimatte Glaskugeln H ds Mit Gummmate 4 Aa Fos Hs EE EA Erl uterung Has Was 5 a we re a EN jE Messung bei Flie tiefe H 20cm He 40cm Messung bei Wellengang H he der Kiesschicht dso der Kiesschicht Tabelle 1 Untersuchungsprogramm 122 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Wenka K hler Simultane Druck und 3D Geschwindigkeitsmessungen 3 Messungen und Ergebnisse Das gesamte Untersuchungsprogramm sah Variationen der Wasserspiegelh he der Kiesm chtigkeit sowie der Sohlbelastung vor In weiteren Versuchsreihen wurde das Verhalten unter k nstlich erzeugten Wellen sowie bei einem Sohlmaterial aus Glaskugeln untersucht Auf Grund der speziellen Anforderungen der stereosko pischen Aufnahme sowie der Endoskopie war ein an gepasster Auswertealgorithmus zu entwickeln um sta tistisch relevante Aussagen
331. sungen im Wasserk rper werden und ein Partikel wird nur auf einem Pixel ab gebildet kommt es zum sogenannten Peak Locking Effekt Raffel et al 1998 der dazu f hrt dass die be rechnete Verschiebung eines Pixels zwischen zwei Bil dern nur im Bereich von ganzzahligen Verschiebungs gr en bestimmt werden kann Die M glichkeit eine Genauigkeit der Verschiebungsgr e im Bereich von zehntel Pixeln zu erzielen geht damit verloren Ande rerseits muss die Gr e der Partikel so gew hlt wer den dass sie letztendlich wesentlich kleiner sind als die minimale aufzul sende Str mungsstruktur F r konventionelle PIV Anwendungen unter Einsatz von Laserlichtschnitt werden typischerweise luftgef llte Glaskugeln verwendet die ein sehr gutes Reflektions verhalten besitzen und mit verschiedener Dichte und Gr e hergestellt werden k nnen Typische Gr en liegen im Bereich von 20 200 um Problematisch sind hierbei oftmals Auftriebseffekte durch kleine Dichte unterschiede die im Fall geringer Turbulenz dazu f h ren dass sich im Verlauf eines Versuchs Partikel an der Wasseroberfl che bzw an der Sohle absetzen Ein Abscheiden besonders leichter bzw schwerer Partikel im Vorfeld eines Versuchs kann zu einer Verbesserung der Situation f hren F r LSPIV an der Wasseroberfl che sind je nach Gr e des Messieldes viele verschiedenartige Partikel denk bar Wichtig dabei ist zun chst dass diese schwim menden Partikel
332. t hnlichkeit der Turbulenz Das Verh ltnis zwischen Tr gheits und Z higkeits Kr ften wird durch die Reynolds Zahl Re ausge dr ckt Dieses hnlichkeitskriterium f r Turbulenzen ist ma geblich f r eine hnliche Ausbildung von Wir beln R ckstr mzonen Abl sungen etc zwischen Na tur und Modell Die vollst ndige hnlichkeit sowohl von Froude Zahlen als auch von Reynolds Zahlen zwi schen Natur und ma st blich verkleinerten Modellen ist nicht m glich Daher wird beim Froudeschen Mo dellgesetz von der hnlichkeit der Turbulenzcharakte ristik ausgegangen d h dass die Str mung im Modell bei einer vollturbulenten Str mung in der Natur eben falls vollturbulent sein muss Das ist gegeben wenn die Re Zahlen je nach Literatur gr er sind als 3000 bis 5000 Analog zur Turbulenzgrenze bei Rohrstr mungen bei Re 2320 Kobus 1984 Dorer 1984 DVWK 2003 Das ist im Flussschlauch der hydrau lischen Modelle gegeben in den Randbereichen z B in Buhnenfeldern erreicht man jedoch insbesondere bei kleinen und mittleren Abfl ssen Bereiche mit relativ kleinen Reynoldszahlen sodass hier beurteilt werden muss inwieweit diese Abweichung der Str mungscha rakteristik f r die jeweilige Fragestellung von Relevanz ist s dazu auch den Beitrag von Faulhaber 2007 in diesem Heft 3 1 2 hnlichkeit des Geschiebetransportbeginns hnlichkeit des Geschiebetransports Diese hnlichkeit ist f r die Modellierung v
333. t Aussagen ber Eigen schaften wie Turbulenzgrad je nach Skala muss hier die Gr e der Tracer und deren Folgeverm gen be achtet werden Gleichf rmigkeit und Instationarit t ZU Die Aufl sung der Wasserspiegellagen funktioniert un ter perfekten Randbedingungen bis in den Zehntelmil limeterbereich Im Versuchsbetrieb wurde eine Genau igkeit von bis zu 0 3 mm erreicht Die Lagegenauigkeit ist ca um den Faktor 3 besser Bei der Aufl sung von kleinen zeitlichen Intervallen zur Momentaufnahme der Str mung muss auf die Vertei lung der Tracer im Bild geachtet werden da eine zu geringe Tracerdichte nicht ausreichende Informationen liefert und eine zu hohe Tracerdichte bzw direkt ne beneinander schwimmende Teile die Auswertung er schweren Abschlie end sei auf die zeitintensive Auswertung hin gewiesen die in Abh ngigkeit der Traceranzahl und der Aufnahmefrequenz inklusive der Messung der Punkte in den Bildtripeln der Zuordnung der Bahnli nien der Transformation und der Plausibilisierung das F nfzigfache der Aufnahmedauer erreichen kann Vorteile e Ber hrungslose Messung von Oberfl chenge schwindigkeiten und Wasserspiegel e Zwei wesentliche hydraulische Parameter werden gleichzeitig gemessen e Sehr gute erreichbare Genauigkeiten e Gro fl chige gro r umige Ergebnisse mehrere Quadratmeter im Labor e Zeitgleiche Erfassung ganzer Str mungstfelder Einschr nkungen e Hohe Anforderungen an Mess
334. t f r Wasser bau Nr 90 Henning 2000 Untersuchung zur Auswirkung des Buhnenwinkels auf die Str mungsvorg nge in Buh nenfeldern Diplomarbeit Technische Universit t Karls ruhe HENTSCHEL B AnLAur A 2001 kologische Optimie rung von Buhnen in der Elbe In Weitbrecht V van Mazijk A Eds Bericht zum Workshop UFZ Leipzig Halle Magdeburg 22 23 Oktober 2001 pp 121 133 Kars 2005 Untersuchungen zur Hydraulik durchris sener Buhnen Diplomarbeit angefertigt an der Bun desanstalt f r Wasserbau und der FH Karlsruhe KLEINW CHTER EGGERS HENNING ANLAUF HENTSCHEL LaR nk 2005 Distribution Patterns of Terrestrial and Aquatic Invertebrates Influenced by Different Groyne Types at the River Elbe Germany Archiv f r Hy drobiologie Large River Supplement Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 99 Henning et al 3D PTV Ein System zur optischen Vermessung von Wasserspiegellagen Lausen R WEITBRECHT V 1999 Einf hrung eines PIV Messsystems an der BAW Karlsruhe LAausen PavLowski SENGSTOCK 2001 Anwendung von Ganzfeldmessverfahren an der BAW Karlsruhe Luhmann T 2003 Nahbereichsphotogrammetrie Grundlagen Methoden und Anwendungen Verlag Wichmann OERTEL SEN H OERTEL JR H 1989 Optische Str mungsmesstechnik 1 Verlag G Braun Karlsruhe 100 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Ein Finite Differenzen Verfah
335. t hinrei chender Genauigkeit vermessen werden k nnen Bild 26 zeigt bei einer kleinen D ne ca 25 m L nge die Mess bzw Interpolationsfehler die durch die Ras terung der Geometrie auftreten k nnen Die L nge wird hier um ca 1 m falsch gemessen der Fehler in der Be stimmung der absoluten H he ist vernachl ssigbar Der gr te Fehler entsteht bei der Bestimmung der vorde ren Front der Sohlform Deren Bestimmung ist jedoch f r die f r die Wasser und Schifffahrtsverwaltung zu bearbeitenden Fragestellungen irrelevant F r wissen schaftliche Fragestellungen f r die die genaue Form der Sohle von Interesse ist wurde das Verfahren da hingehend erweitert dass das Raster ber der Sohle in max h dh max V ermessene Geometrie t Qypsunsnssnunnaunsnnssunnunse D nenl nge 25 cm Modell gt 25 m Natur Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 37 Hentschel Hydraulische Flussmodelle mit beweglicher Sohle f imd TN Projektor 4 IB Video Kamera a s mE Fa Wasserspiegel BY Hi BT pr Bild 27 Sohlvermessung unter Wasser Schwimmk rper L mm Pa Messraster Schritten von etwa 3 mm Natur etwa 30 cm in x und y Richtung verschoben wird wodurch die Datendichte etwa um den Faktor 64 ansteigt Zwischen zwei Mess punkten des L ngsschnittes in der Bild 26 werden so mit etwa sieben Zwischenpunkte vermessen wodurc
336. t und lokal ein mittleres Hintergrundrauschen substrahiert Dieser Vorgang erm glicht sp ter ein speicherplatzsparendes Archivieren der Daten Auf diese vorbereiteten Bil der wurde der PIV Algoritnhmus unter Verwendung der Kreuzkorrelationstechnik mit einer Standard Fast Fou rier Transformation im Modus des Adaptiv Multipass angewendet Ausgehend von einer Interrogation Area mit einer Gr e von 64 x 64 Pixeln und einer endg l tigen Gr e von 32 x 32 Pixeln wurde bei einer ber lappung der Interrogation Areas mit 50 ein Vektor feld von 64 x 78 Vektoren erzeugt Jeder Vektor steht dabei f r eine Fl che von ca 3x 3 cm nn nn no nn nun use om oem mem oo P Bild 5 Darstellung eines instantanen Gesch windigkeits felds an der Wasseroberfl che im Bereich der Grenz schicht zwischen Hauptstrom und Buhnenfeld Eine Messreihe besteht insgesamt aus 200 Einzelbil dern und wurde f r jede Anordnung dreifach wieder holt Die zeitliche Mittelung aller drei Messreihen zeigt dann in Bild 6 die typische Doppelwalzenformation die sich in einem Buhnenfeld auspr gt wenn die L nge des Buhnenfeldes in Fliessrichtung gesehen gr er als Geschwindigkeitsmessungen mit Particle Image Velocitry das 1 5 fache der Breite betr gt Im vorliegenden Fall ist dieses Verh ltnis 2 5 Str mungsrichtung Bild 6 Darstellung der zeitlich gemittelten Str mungs prozesse in einem Buhnenfeld mit Hilf
337. te zudem durch Messungen mit einem Stechpegel Fahrbarer Mes el Sch tztafel speg H Abstandsraster Lbertragere Kolkgeometrien Sedimentbett Bild 7 Messeinrichtungen zur Aufnahme der Kolkgeome trien 4 Ergebnisse 4 1 Ahnlichkeitstheoretische Betrach tungen Hervorzuheben sind zun chst zwei Versuche an denen exemplarisch die hnlichkeitstheoretischen Fragen er l utert werden k nnen Zum einen ein Kolkversuch mit Grobsand d 1 58 mm D 38 nachfolgend Ver such 1 und ein Kolkversuch mit dem Kunststoffgranu lat Acetalharz d 2 6 mm ebenfalls D 38 nach folgend Versuch 2 Die Eingangsdaten sind in Tabel le 2 zusammengestellt Beide Versuche besa en identische Bauwerksabmes sungen und den gleichen Unterwasserstand Die Bau werksabmessungen Sch tz ffnung a Schwellenh he s und die Vorbodenl nge l sowie die Unterwasserst n de h von Versuch 1 und Versuch 2 standen damit in einem Verh ltnis 1 1 zueinander Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 111 Ettmer Physikalische Modellierung von Kolkprozessen Versuch 1 Versuch 2 Toren aan Bauwerksgeometrie Sch tz ffnung a m chwellenh he s m Vorbodenl nge m Hydraulik Abfluss Q l s Flie geschw v m s nterwassertiefe hu m ediment 0 02 0 10 0 10 3 0 0 49 0 20 1390 z Flie geschwindigkeit in der Sch tz ffnung Tabelle 2 Versuchsdaten 38
338. tels einer Kreuzkorrelation der Bildinformationen in den einzelnen Interrogation Areas der Form R Ax Ay L x yDl x Ax y Ay dxdy 1 wobei f r die Bildintensit t im ersten bzw zweiten Bild einer Interrogation Area steht und R die Korrelations st rke f r alle Verschiebungen Ax Ay beschreibt Als PIV Bild ca 1000 x 1000 Pixel Interrogation Area Pi typischerweise 32 x 32 Pixel Bild 2 Schematische Darstellung eines PIV Bildes und der Aufteilung in die jeweiligen Interrogation Areas Zur Verdeutlichung sind in dieser Abbildung die Partikel bilder in den Interrogation Areas aus zwei aufeinan der folgenden Bildern dargestellt Ergebnis ergibt sich somit eine Verteilung der Korrelati onsst rke in der Korrelationsebene wobei der h chste Wert die wahrscheinlichste Verschiebung der Partikel in einer Interrogation Area repr sentiert Da eine di rekte Auswertung dieser Kreuzkorrelation einen zu gro en Rechenaufwand mit sich bringen w rde wird hierf r zun chst eine zweidimensionale Fast Fourier Transformation der Intensit tsverteilungen durchge f hrt s Raffel et al 1998 Lausen und Weitbrecht 1999 Das Ergebnis eines solchen PIV Durchlaufs ist dann ein Feld von wahrscheinlichen Verschiebungen die mittels des bekannten zeitlichen Abstands der Einzel bilder in einen Geschwindigkeitsvektor f r jede Inter rogation Area umgerechnet werden Im Fall von kom pl
339. teraktionen erfasst Mit der kornbezogenen Widerstandzahl X und dem sedimentologischen Durchmesser D liegen somit zwei Kennzahlen vor mit denen der Kolkprozess im hydrau lischen bergangsbereich beschrieben werden kann Wird Versuch 1 als Naturversuch Index N und der geo metrisch identische Versuch 2 als Modellversuch In dex M bezeichnet so ergeben sich zwei Bedingungen f r die hnlichkeit hydraulisch sedimentologischer Ex perimente im hydraulischen bergangsbereich und zwar De 10 X 1 11 p E a a a od p d 1 f o a Pu Om V 12 Ta Aus Bedingung 1 ergibt sich dass die sedimentolo gischen Durchmesser des Naturmaterials und des Mo dellmaterials gleich sein m ssen Bedingung 1 f hrt zur Gleichung p d was bedeu tet dass die Relation der Dichten des Sohlenmaterials zum Verh ltnis der Korndurchmesser d stehen An ders ausgedr ckt bedeutet dies dass das Verh ltnis der Korndurchmesser durch p d bestimmt ist Bedingung 2 fordert die Gleichheit der kornbezogenen Widerstandszahl X zwischen Natur und Modell Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 113 Ettmer Physikalische Modellierung von Kolkprozessen gur Xam 6 PAM am 2 Vam 13 mit p d gt ddf v 1 gt d v Aus dieser Bedingung ergibt sich unter Einbeziehung der GI 13 die Beziehung d v was bedeutet dass der Geschwindigkeitsma stab v aus der Relati on der Korn
340. terialien nahezu deckunggsgleich sind Dies zeigt nochmals dass mit dem sedimentologischen Durch messer D die Materialeigenschaften insbesondere die erheblich voneinander abweichende relative Dichte p erfasst werden kann 100 A Acetalharz D 38 Grobsand D 38 max t Ka 1 O 1 1 10 1000 X 1 100 Bild 11 Versuchsserie D 38 Der Verlauf der Kurve zeigt eine fallende Tendenz mit gr er werdendem X Dies bedeutet dass mit zuneh mender Widerstandszahl X die relativen Kolktiefen max t a abnehmen bzw mit geringer werdender Wi derstandszahl X_ die relativen Kolktiefen max t a zu nehmen Eine physikalische Begr ndung f r diesen Verlauf kann aus der Definition von X abgeleitet wer den Ettmer Physikalische Modellierung von Kolkprozessen Va Aeh Re Pgo o vgl Gl 7 i Fr v VaV vg pP gd Mit gr er werdender relativer Dichte p bzw mit gr Rer werdendem Korndurchmesser d sowie v const und v const wird X gr er D h das Sohlenmaterial setzt dem Str mungsangriff gr eren Widerstand ent gegen die Kolktiefen werden kleiner Bei gr er wer dender Flie geschwindigkeit v bzw bei gr er wer dender Z higkeit v sowie p const und d const wird X kleiner D h das Sohlenmaterial widersteht dem Str mungsangriff schlechter die Kolktiefen wer den gr er Der f r beide Sohlenmaterialien ann hernd deckungs gleiche Verlauf
341. teverfahren f r Geschwindigkeitsmessungen im Querprofil Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 101 Hentschel Ein Finite Differenzen Verfahren zur Str mungsanalyse sehr geringen Messaufwand aus und ber cksichtigt Sekund rstr mungen und R ckstr mzonen Sie ist jedoch nur f r wiederkehrende Messungen in geo metrisch nicht ver nderten Gerinnen geeignet F r den Einsatz bei aerodynamischen und hydrau lischen Modellen hat sich die in der BAW entwickelte Methode des FD Netzes aus Vielpunkt Messungen be w hrt Bei diesem Algorithmus handelt es sich um ein all gemeines Rechenverfahren zur Ermittlung eines gegl t teten drei dimensionalen Rasters auf der Grundlage ei niger weniger bekannter Punkte Prim re Anwendungen bei der Entwicklung des Verfahrens von Briggs waren die Erstellung von r umlichen Gel ndemodellen und die Darstellung von Gravitations oder elektromagnetischen Feldern F r die speziellen Anwendungen bei der Inter pretation von Geschwindigkeiten in Gew sserprofilen waren nderungen bzw Erg nzungen insbesonde re in den Randbereichen Sohle Ufer Wasserspiegel an dem Algorithmus erforderlich um die Str mungsver h ltnisse physikalisch korrekt abzubilden Auf die mathe matische Herleitung der Grundgleichungen wird hier mit dem Hinweis auf die Originalquelle Briggs 1974 ver zichtet 3 Das Finite Differenzen Verfahren FlieGe 3 1 Funktionsumfang Mit dem Programm FlieGe wu
342. titut f r Str mungsforschung Vol 56 G ttingen Grass A J 1970 Initial instability of fine bed sand In Journal of the Hydraulics Division Vol 96 S 619 632 Grass A J 1971 Structural features of turbulent flow over smooth and rough boundaries In Journal of Fluid Mechanics S 233 255 GUTKNECHT D BLASCHKE A P SENGSCHMITT D STEI NER K H 1998 Kolmationsvorg nge in Flussstauhal tungen Konzeptionen und Beobachtungen In ster reichische Ingenieur und Architekten Zeitschrift 143 Jg Heft 1 HAUSSECKER H amp J nne B 1993 Ein Mehragitterver fahren zur Bewegungssegmentierung in Bildfolgen In Proceedings 15 DAGM 1993 24 31 Springer Berlin J HNE B Haussecker H SCHARR H Spes H SCHMUNDT D amp SCHURR U 1998 Study of Dynamical Processes with Tensor Based Spatiotemporal Image Processing Techniques In Proceedings ECCV 1998 322 336 Springer Heidelberg KLAR M JEHLE M J nne B DETERT M JIRKA G H K HLER H J WEnKA T 2004 Simultaneous 3D PTV and Micro Pressure Sensor Equipment for Flow Ana lysis in a Sub surface Gravel Layer In Proceedings of River Flow 2004 Napoli Balkema Publishers KLAR M JEHLE M J nne B DETERT M JIRKA G H K HLER H J Wen a T 2004a Analysis of Subsurface Gravel Layer Flow caused by Turbulent Open Channel Flow using 3D PTV and Pressure Sensor Techniques In Tagungsband BAW Workshop 17 Sept 200
343. tlich der hnlichkeitskriterien und f r den praktischen Versuchs betrieb aus systematischen Untersuchungen vor FAS 1985 und 1987 Aerodynamische Geschiebetransport Modelle k nnen als Tracermodelle mit eingeschr nkter hnlichkeit be trieben werden wenn die zu untersuchenden Frage stellungen die Abstraktion entsprechend der oben ge nannten Besonderheiten des aerodynamischen Ge schiebetransports zulassen Bei praxisrelevanten Untersuchungen wurden folgende hnlichkeitsbedingungen f r den abzubildenden Geschiebetransport neben den hnlichkeitsbedin gungen f r die Fluidstr mung Kapitel 3 1 ber cksich tigt hnlichkeit des Geschiebebewegungsbeginns Grunds tzlich ist die hnlichkeit des Geschiebebewe gungsbeginns gew hrleistet wenn das Verh ltnis von Str mungsgeschwindigkeit v und der Geschwindigkeit bei der sich das Sohlmaterial zu bewegen beginnt v in Natur und Modell gleich sind 11 V const Ve Zur Wahl eines geeigneten Sohlmaterials kann die Be dingung const D 2y 12 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 57 Faulhaber Neue Methoden der aerodynamischen Modellierung herangezogen werden Bei gleichem sedimentolo gischen Korndurchmesser D f r die Geschiebemateri alien in Wasser oder Luftstr mung gleiche Gerade D const siehe Bild 10 entsprechen die Zuordnungen der Materialien zu den Grenzkurven f r den Geschie bebewegungsbeginn
344. tlichen Begrenzung des Abflussquerschnittes DIN 4054 umgangssprachlich immer noch Leitwerk PIV Particle Image Velocimetry 74 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Verfahren der optischen Triangulation zur r umlich zeitlich aufgel sten Bestimmung von Wasserspiegelh hen in hydraulischen Modellen ProF DR HaBiL Hans GERD Maas DiPpL InG CHRISTIAN MuLsow DiPL ING TORSTEN PUTZE INSTITUT F R PHOTOGRAMMETRIE UND FERNERKUNDUNG TU DRESDEN Kurzfassung Verfahren der optischen Triangulation auf der Basis ei ner Kamera und einer Laserlichtschichtprojektion stel len ein vielseitiges Messverfahren zur Bestimmung von Oberfl chenmodellen dar Sie bieten bei einer relativ einfachen Hard und Softwarekonfiguration ein gutes Genauigkeitspotenzial bei der Bestimmung von Ober fl chenprofilen und sind au erdem besonders f r die Messung an bewegten Objekten geeignet Auf Grund der spiegelnden Reflektion sind Triangulati onsverfahren zun chst nicht f r die Messung auf Was seroberfl chen geeignet Daher wird das Verfahren so erweitert dass die spiegelnde Reflektion einer Laser lichtschicht von der Wasseroberfl che auf eine Verti kalebene projiziert und dort von einer orthogonal dazu angeordneten Kamera aufgenommen wird Die Positi on der Linie auf der Projektionsebene wird dabei durch die Wasserspiegelh he sowie durch wellenbeding te Neigungen bestimmt Zur Trennung der beiden Ef fe
345. tsprechend davon auszugehen ist dass sie dem Be messungsansatz 4 im Kapitel 3 entsprechen also f r unregelm ige Ufer bei Str mung gelten kann ber tragen auf Kanalverh ltnisse die doppelte Zusatzbrei te in Abzug gebracht werden wobei sich 49 6 m erge ben ein immer noch sehr gro er Wert Die Untersuchungen der VBD geben somit wertvolle Hinweise auf die grunds tzlichen Abh ngigkeiten der Sicherheitsabst nde von relevanten Parametern z B darauf dass die Str mungsgeschwindigkeit in gera den Flussabschnitten nur einen geringen Einfluss hat Sie k nnen wegen der gro en Standardabweichungen aber die Anbindung des Erfahrungswissens von Fl s sen an Kan le nicht herstellen Der zweite oben erw hnte Bericht der VBD gibt er g nzende Hinweise auf die Fahrspurbreite in geraden Flussabschnitten f r ein und zweispurige bzw ein und zweigliedrige Schiffe und Verb nde in Berg und Talfahrt F r gro e Kurvenradien ist danach der Ein fluss von Fahrtrichtung und Str mungsgeschwindigkeit auf die Fahrspurbreiten gering und damit eingedenk der Streuung der Messdaten vernachl ssigbar Wei terhin wird deutlich dass die Fahrspurbreite in Gera den proportional zur Fahrzeugbreite B ist Diese fun damentalen Zusammenh nge werden im Kapitel 9 ge nutzt um Sicherheitsabst nde ausgehend von den Modellversuchen auf davon abweichende Verh lt nisse zu bertragen Der PIANC Berechnungsansatz ber cksichtigt als Ergebnis
346. uch der Einfluss des Neubaus einer zweiten Schleuse auf die Hochwasser abfuhr ermittelt Aus Bild 24 wird deutlich dass im n 1 Fall wenn ein Wehrfeld blockiert ist beim 100 j hr lichen Hochwasser der OW Spiegel um 1 m ansteigt Der zweite gro e Untersuchungskomplex f r Stau stufenmodelle sind die Schifffahrtsverh ltnisse in den Ein und Ausfahrten der Schleusenvorh fen Im ber gangsbereich vom durchstr mten Gew sser zum nicht durchstr mten Vorhafen erfolgt eine Str mungsumlen kung mit Quergeschwindigkeiten welche die Sicher heit und Leichtigkeit des Schiffsverkehrs beeintr chti gen k nnen Deshalb sind die Str mungsverh ltnisse mit einem Staustufenmodell zu berpr fen und ggf Ab hilfsma nahmen zu entwickeln Diese k nnen Uferab grabungen Sohlvertiefungen nderungen der Lini enf hrungen den Bau von Str mungsabweisern oder ffnungen in der Trennmole umfassen Die Erfassung der Str mungssituation meist bei Q HSW geschieht zum einen mit Hilfe von Aufnah men oder Messungen der Oberfl chenstr mung zur grunds tzlichen fl chigen Str mungsbetrachtung und zum anderen durch punktuelle Geschwindigkeitsmes sungen in L ngs und Querprofilen F r diese Punkt messungen stehen magnetisch induktive Messson den mit halbautomatischem Traversierungssystem zur Verf gung welche die horizontalen Flie geschwindig keiten in verschiedenen Tiefen in L ngs und Querrich tung aufnehmen Deutschland
347. uch liefert als Ergebnis die maximale Kolktiefe die dann im geometrischen Ma stab 1 20 auf die Natur bertragen werden kann Die weiteren Kennzahlen f r das Beispiel 2 betragen 95 0 52 gt 0 67 Fr v gh Fr am alle h Fren WEITEN 289 Fr u VW P 9 dm 26 0 Re n Vaan 3938 CH v dan v 3961 W hrend die hydraulischen Froude Zahlen Unter schiede aufweisen sind auch hier die Relationen der kornbezogenen Froude Zahlen Fr wie auch der korn bezogenen Reynolds Zahlen Re ann hernd 1 Mit der kornbezogenen Widerstandszahl X_ k nnen somit die wesentlichen Kr fteverh ltnisse im hydrau lischen bergangsbereich erfasst werden G ltigkeitsbetrachtung Wird in der vorigen Berechnung als Sohlenmaterial f r das Modell anstelle des Kunststoffgranulates ein nat r liches Sohlenmaterial mit p 2650 kg m ausgew hlt so zeigt bereits die Bedingung 1 dass die experimen tellen Untersuchungen nur g ltig sind wenn in Natur und Modell der gleiche Korndurchmesser vorliegt PN An _ E 12 Pr dam 165 dym gt d d 12mm Pr In 1 gt 1 Mit Bedingung 2 ergeben sich im Modell und Natur glei che Flie geschwindigkeiten was bedeutet dass eine vollg ltige L sung der Gleichungen nur im Modellma stab 1 1 erzielt werden kann gt gt Wy Vu M v d ch r Dieses wiederum bedeutet dass innerhalb des hy draulischen bergangsbereiches oder vom hydrau lisch rauen in d
348. uf die Gro ausf hrung max 15 kN und f r das Gro e Rheinschiff max 23 kN betragen Es wird zugelassen dass die Querkr fte am Bug bzw Heck bis zu 50 der jeweiligen max L ngskraft w hrend des Schleusungs prozesses ansteigen Bild 9 und Bild 10 Bild 10 F llung der neuen Schleuse Bolzum im Modell Rest f llung der Kammer aus dem Oberwasser Druck segmenttor mit F llmuschel zu Beginn der F llquer schnittsfreigabe Die gesamte Ablaufsteuerung und Kontrolle des Schleusenmodells im Schleusenversuchsstand erfolgt von einem Messstand aus ferngesteuert bzw ber ei nen PC der dar ber hinaus alle Messdaten erfasst und speichert Das betrifft das ffnen und Regeln der Schieber die Messung des Zuflusses die Einstellung berpr fung und Erfassung der zeitlichen Wasser spiegellagen mittels Ultraschallmesspegel und induk tiver Wasserspiegelsonden wie auch die Steuerung der F llsch tze mit der M glichkeit unterschiedliche ff nungs bzw Schlie geschwindigkeiten vorzugeben Auch die Schiffskr fte und die Positionen von Bug und Heck werden zeitabh ngig erfasst Die Messergebnisse k nnen nach einem Messzyklus in beliebiger Auswahl f r eine Sofortanalyse ausgedruckt werden bzw stehen ohne zus tzlichen zeitlichen Auf wand strukturiert f r die Erstellung des Gutachtens zur Verf gung Bild 11 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 15 Grimm et al Entwicklungsstand d
349. uf dem Gebiet der Grundlagenforschung durchsetzen um auf die sem Weg ein synoptisches Bild verschiedenster Str mungsph nomene zu erstellen Zur Analyse von Flach wasserstr mungen sind au er der reinen Erfassung der Oberfl chengeschwindigkeit mittels Oberfl chen bzw LSPIV weitreichende M glichkeiten denkbar Zur schnellen Absch tzung des Gesamtdurchflusses an Flussabschnitten ohne Pegelmessstelle oder im Fall gro er Hochwasserereignisse ist vorstellbar mobile LSPIV Einheiten bereitzustellen Eine solche Einheit m sste zus tzlich zur visuellen Erfassung der Str mung eine Pr zisionsentfernungsmessung durchf h ren k nnen Auch wenn die Geometrie der Sohle da bei nicht eindeutig bekannt ist k nnte ber eine An nahme typischer vertikaler Geschwindigkeitsprofile auf diese Weise Abflussdaten ermittelt werden Denkbar w re ber diese Technik auch ein online Flussgebiets management unter Verwendung mehrerer fest instal lierter Kameras zu unterst tzen die an den wesent lichen Punkten eines Flussgebietes auf einfache Wei se Abflussmessungen durchf hren Eine weitere M glichkeit der LSPIV Messungen liegt in Auswertung der Oberfl chengeschwindigkeit unter Zuhilfenahme der Flachwassergleichungen Chen und Jirka 1998 hinsichtlich gro er Strukturen an der Ge rinnesohle z B D nen Muste et al 2004 zeigten dass diese Art der Auswertung f r zweidimensionale K rper unter Laborbedingungen zu sehr guter bere
350. ugleichen wird eine zus tzliche berh hung des Luftmodells vorge nommen Bild 2d die Deckplatte wird h her gelegt als es der geometrischen bertragung des Wasserspiegels mit dem gew hlten H henma stab entspr che Die gr te Vereinfachung durch eine konstante zus tz liche berh hung H herlegen der Modelldeckplat te um einen festen Wert f r das gesamte Modell fin det bei Flussabschnitten mit wenig differenzierter Geo metrie oder bei bersichtsmodellen h ufig Anwendung Bild 4 links Die Methode hat dort ihre Grenzen wo die Geome trie in der Natur sehr stark wechselnde Wassertiefen hervorruft Durch die konstante zus tzliche berh hung werden in einem Querschnitt die Gesamt Str mungstiefen H lt der flachen Bereiche vergleichsweise st rker vergr ert als die der tiefen Bereiche da der nicht modellierte Bereich in flachen und tiefen Abschnit ten gleich gro ist AH const siehe Bild 4 links Sol len die Durchflussanteile verschiedener Querschnitts bereiche f r eine Variantenbewertung verglichen wer den z B Verh ltnis der Durchflussanteile von Vorland und Flussbett f hrt die konstante zus tzliche ber h hung zu Fehlschl ssen auch wenn nur der model lierte Querschnittsbereich Bild 2 unter dem angenom menen Wasserspiegel zur Auswertung herangezogen wird Das ist darauf zur ckzuf hren dass an Engstel len z B Erhebungen der Sohle als Querriegel die den Zufluss in Seiten
351. umen Stereovolumen Tracer Partikel Bild 12 Messpore im Kies mit verschiedenen Zuleitungen Schemaskizze nicht ma st blich Mittels einer Tracerfl ssigkeit die stromauf im n heren Umgebunggsfeld der im Kies eingebetteten Messporen w hrend der jeweiligen Messphasen gesondert zuge leitet wurde konnten die Partikelbahnen dieser Tra cerfl ssigkeit w hrend der Durchstr mung innerhalb der ausgeleuchteten Messporen durch simultan auf gezeichnete Bildsequenzen endoskopisch festgehal ten werden Die Gr e eines solchen dreidimensio nalen Beobachtungsvolumens Bild 12 betrug inner halb dieser Messporen rund 5 mm in allen Richtungen des Messvolumens Bei der Beschreibung der Ergebnisse dieser Mes sungen wurde das nachfolgende rechtsh ndige Koor dinatensystem x y z mit den jeweils zugeh rigen Ge schwindigkeitskomponenten u v w benutzt x u Koordinate in Stromrichtung in Flie richtung an wachsend Vertikale Koordinate mit dem Ursprung 0 Wert an der Grenze Kies Wasser definiert bei 25 von d unterhalb der obersten Kante der Kiesabdeckung Horizontale Querschnittskoordinate mit dem Ur sprung O Wert in der Mittelachse der Abfluss rinne y V Um die Partikelbahnen ber eine derart kurze Mess strecke sicher erfassen zu k nnen mussten Kameras mit einer h heren Bilderfassungsrate eingesetzt wer den als sie f r die freie Str mung Verwendung fanden Zur Erfassung der Str
352. und Kom pressibilit t nicht m glich weshalb sich die Anwen dung dieses hnlichkeitskriteriums auf die Beachtung der Turbulenzgrenze beschr nkt Turbulenzkriterium Da die zu untersuchenden Str mungsvorg nge in der Natur im rau turbulenten Bereich erfolgen soll dies auch im Modell der Fall sein Es gilt f r das Modell die Bedingung Rem 2 Rent 1 mit Rex 2 bis 3 Regrenz Mit Re enz 2300 f r den ma gebenden bergang von laminarer in turbulente Str mung folgt als Richt wert Re gt 5000 bis 7000 Wird dieser Richtwert einge halten ist zwar gew hrleistet dass das Luftmodell im turbulenten Bereich bergangsbereich oder rau tur bulenter Bereich betrieben wird die RevnoLos Zahlen von Modell und Natur unterscheiden sich jedoch deut lich Beispiel siehe Tabelle 3 f r das hydraulische Mo dell wurde der theoretische Wert eingetragen ein sol ches Modell wurde nicht gebaut F r Natur und Luftmodelle l sst sich die ReynoLos Zahl Z higkeit y Re mit dhy 4 Fhy aus der Flie geschwindigkeit v dem hydraulischem Radius r und der kinematischen Viskosit t v Annah me Luft v 15 x 10 m s Wasser v 1 17 x 10 m s ermitteln In der Natur und in Modellen kann bei gro en Fl ssen die Wassertiefe f r den hydraulischen Radius eingesetzt werden AU t F r Fragestellungen bei denen die hnliche Darstel lung der vertikalen Geschwindigkeitsverteilung ge w hrleistet sein soll m ssen
353. und die ver wendete Antriebstechnik 3 Schleusen Schleusen dienen zur berwindung von Fallstufen an nat rlichen und k nstlichen Wasserstra en Sie finden bereits fr hzeitig Erw hnung und im Jahr 1492 skiz ziert Leonardo da Vinci am Mail nder Hof Schleusen f r ein Kanalsystem zur Entwicklung und Verbesse rung der Schifffahrtsverh ltnisse Wie andere Verkehrsbauten haben Schleusen eine re lativ lange Nutzungsdauer von 80 bis 100 Jahren Ihr technisches Erscheinungsbild ist deshalb sehr vielf l tig was in der Bauform im Baumaterial in der Maschi nentechnik im Stahlwasserbau und schlie lich in der hydraulischen Funktionalit t der Schleusen zum Aus druck kommt Beim Entwurf einer neuen Schleuse r ckt die Wahl des hydraulischen F ll und Entleersystems F E Systems in den Mittelpunkt wobei man sich zwischen End Sei tenf ll bzw Grundlaufsystemen zu entscheiden hat In der Reihenfolge ihrer Aufz hlung steigen Leistungsf higkeit und G te der Schleusung aber auch die Bau kosten Wenn verschiedene technische L sungen m glich sind kommt es darauf an einen m glichst g nstigen Kosten Nutzen Faktor zu erzielen Insofern entschei det das f r eine Wasserstra e geplante Verkehrsauf kommen erforderliche Schleusungszeiten und die Fallh he ber das zweckm ige F E System Dar ber hinaus ist bei gro en Fallh hen und k nstlichen Was serstra en zu pr fen ob Sparbecken zur Wasserein 12 Mitteilun
354. und unterlagerndem Sand verfolgen zu k nnen wurden endoskopische Beobach tungen mit den als Periskop vergl Bild 25 und 26 be zeichneten und hierf r speziell hergestellten Messvor richtungen durchgef hrt Das Ziel dieser Messungen bestand darin zweidimen sionale Bildsequenzen zu analysieren die mittels der eingesetzten drei Periskope an der Grenze zwischen Sand und Kies w hrend der einzelnen Belastungs phasen aus der berstr mung und der berlage rung durch Oberfl chenwellen zu beobachten waren Um diese Messungen mit Hilfe der von der Universi t t Heidelberg speziell entwickelten Bildauswertetech niken zum optischen Flu durchf hren zu k nnen wa ren die nachfolgenden Forderungen an das Messsys tem zu erf llen rA eie Bild 26 Am Rinnenboden montierte Endoskopreihe f r die Bewegungsdetektion an der Grenzschicht Sand Kies e Die Beobachtung der m glichen Sedimentbewe gungen sollten so weit wie m glich ber hrungsfrei ohne direkten Kontakt zu den Endoskopen mit den sich bewegenden Sandk rnern erfolgen e Ein entsprechend gro ausgew hlter Beobach tungsbereich musste bereitgestellt werden um aus reichend gro e Bildfl chen zu erhalten e Hierbei musste eine f r die Bewegungsauswertung unbedingt erforderliche Bildaufnahmeentfernung eingehalten werden e Eine ausreichend helle und homogene Ausleuch tung der Beobachtungsfl chen musste gew hrleis tet bleiben e Das eingesetzte M
355. ungen um Pfeiler und ihre Fangd mme Vyzkumny stav vodohospod sk Prag MERZKIRCH W 1987 Visualization 2nd edition Aca demic Press New York NESTMANN F BACHMEIER G 1987 Anwendung von Luftmodellen im str mungsmechanischen Versuchs wesen des Flussbaus In Mitteilungsblatt der Bundes anstalt f r Wasserbau Nr 61 Karlsruhe S 65 98 RAFFEL M WiLLERT C KoMPENHANS J 2001 Parti cle Image Velocimetry A Practical Guide Experimental Fluid Mechanics Springer Verlag Berlin Heidelberg New York SCHR DER R C M 1994 Technische Hydraulik Kom pendium f r Wasserbau Springer Verlag Berlin Hei delberg New York SUMBAL J 1966 Problematika podobnosti pri aero dynamickom modelovani riecnych procesov hnlich keitsprobleme bei der aerodynamischen Modellierung von Flussbettprozessen Vyskumny Ustav Vodohos podarsky Forschungsanstalt f r Wasserwirtschaft Prace a studie 38 Bratislava WEITBRECHT ET AL 2007 Geschwindigkeitsmessungen mit Particle Image Velocimetry Labor und Feldmes sungen Im vorliegenden Mitteilungsheft der Bundes anstalt f r Wasserbau Karlsruhe ZANKE U 1982 Grundlagen der Sedimentbewegung Springer Verlag Berlin Heiderlberg New York 9 Symbolverzeichnis Bedeutung der Indizes X Naturwert X Modellwert X Ma stabsverh ltnis x x_ X Wert bei Beginn der Geschiebebewegung en Grenzwert X Mittelwert 72 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f
356. ungen in der N he des Geschie bebewegungsbeginns durchgef hrt werden sodass keine D nenbildung durch Steigerung der Geschwin digkeit erzwungen werden kann Es kann aber eine hnlichkeit der Art des Transportes mit oder ohne Transportk rper und der Transportk rperh he erreicht werden Deshalb sollte fraktioniertes Modell und Na turgeschiebematerial mit hnlichen Parametern zur Kennzeichnung der Mischung z B Ungleichf rmigkeit U eingesetzt werden Die Geschiebefrachten wurden bisher nur in syste matischen Rinnenuntersuchungen f r Wasser und Luftstr mung verglichen FAS 1987 F r praxisrele vante Untersuchungen lassen sich jedoch keine be lastbaren Umrechnungen der Geschiebefrachten aus dem Luftmodell f r die Wasserstr mung in der Natur vornehmen Da die Luftmodell Untersuchungen bisher f r statio n re Verh ltnisse im Bereich des Geschiebebewe gungsbeginns durchgef hrt wurden erfolgte die Be wertung der Transportverh ltnisse ber Vergleiche von Varianten durch die gemessene Sohlgeometrie Zeitma st be k nnen f r Luftmodelle nicht abgeleitet werden 4 Modellplanung 4 1 Einsatzgebiete von Luftmodellen und Wahl der Modellierungsweise Der Einsatz von Luftmodellen f r flussbauliche Unter suchungen sollte immer dann erwogen werden wenn e r umliche Str mungsph nomene eine solche Rol le spielen dass die Vereinfachung auf eine ein oder zweidimensionale Str mung nicht zur Unter suchung a
357. ungen k nnen einen gute Bildqualit t nicht ersetzen Von wesentlicher Bedeutung vor allem bei verzerrt aufgenommenen Bilddaten ist die geometrische Kali brierung des Bildmaterials da hier ein Fehler sich di rekt auf die berechnete Geschwindigkeit auswirkt Im vorgestellten Beispiel der Buhnenfeldstr mung konnte gezeigt werden dass unter geeigneter Wahl der Parameter nicht nur mittlere Geschwindigkeiten sondern auch Informationen hinsichtlich der Turbulen zeigenschaften aus Oberfl chen Messungen gewon nen werden k nnen Vergleiche mit LDA Messungen zeigen in Str mungsabschnitten die durch gro r u mige Wirbelstrukturen dominiert sind eine sehr gute bereinstimmung mit den ermittelten PIV Daten In Bereichen die durch kleine Wirbelstrukturen dominiert sind wird auf Grund der mangelnden r umlichen Aufl sung des PIV Systems die Turbulenz untersch tzt Die Ergebnisse hinsichtlich der Oberfl chenmessungen im Feld zeigen vielversprechende Ans tze zur Bestim mung der Flie geschwindigkeiten unter Verwendung einfachster Videotechnik Wichtig hierbei w re eine verbesserte Vermessung der Passpunkte zur geome trischen Kalibrierung des Bildmaterials Auf Grund der verbesserten Anwenderfreundlichkeit vorhandener PIV Systeme und der steigenden Anfor derungen an den Informationsgehalt von Str mungs messungen werden PIV Techniken sich als Routi nemessung in den Wasserbaulabors etablieren 3D PIV Systeme werden sich besonders a
358. ungen von Schiffen in alluvialen Gew ssern kommen zu Anwen dung Und nicht zuletzt stellen die umfangreichen und qualitativ hochwertigen Daten aus den Modellen hoch wertige Validierungsdaten f r numerische Verfahren dar Bild 1 Wandernde Sandbank i in der en Elbe bei Hitzacker El km 519 Der Artikel zeigt an Beispielen aus der Praxis die von der BAW bei der Verwendung hydraulischer Geschie betransportmodelle angewandten Methoden Zun chst wird die Frage beantwortet warum trotz Verf gbarkeit von immer mehr Rechenleistung und immer besserer Rechenverfahren weiterhin die Notwendigkeit der ge genst ndlichen Modellierung von Feststofftransport ph nomenen besteht Bei der Beschreibung der verwendeten Untersu chungsmethoden wird insbesondere auf die fl chige photogrammetrische Erfassung und Analyse der Sohl geometrie eingegangen Diese Methode erm glicht die hochaufl sende Vermessung der Modellsohle auch w hrend des Versuchsbetriebes Bild 2 Hydraulisches Modell der Oder bei Hohenwutzen MdL 1 100 L 78 m Dieser Beitrag beruht im Wesentlichen auf Untersu chungen der BAW die an zwei hydraulischen Modellen von Elbe und Oder durchgef hrt wurden s Bild 2 und Tabelle 1 In beiden F llen handelt es sich um Flach landfl sse mit einem ausgepr gten Geschiebetrans port von Sand und Feinkies in Form von D nen Es wurden Untersuchungen zu Unterhaltungs und Rege lungsvarianten durchgef hrt BA
359. urtechnik Theodor Rehbock Flu baulaboratorium Universit t Karlsruhe Mitteilungen Heft 155 Herausgeber Professor Dr Ing E Mosonyi Karlsruhe 1969 DIETZ J W 1973 Sicherung der Flu sohle unterhalb von Wehren und Sperrwerken Wasserwirtschaft Heft 63 1973 76 83 DiETZ J W 1976 Zur Frage der Nachbildung von Kolkvorg ngen im Modell Zusammenfassung Mittei lungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 40 1976 73 84 DIETZ J W 1994 Eidersperrwerk Natur und Modell versuche HANSA Schiffahrt Schiffbau Hafen 131 Jahrgang 1994 Nr 4 DORER H 1984 hnlichkeit bei flussbaulichen Modell len Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 54 1984 ETTMER B 2004 Untersuchungen zu Kolkprozessen hinter dem unterstr mten Sch tz Dissertation Tech nische Universit t Braunschweig Papierflieger Verlag GmbH Claustahl Zellerfeld ISBN 3 89720 738 9 FRoubE W 1872 Transactions of the Institute of Na val Architects XI 1870 Report of the British Associa tion 1872 G nzeL W 1964 Modelle geschiebef hrender Fl s se mit hydraulisch rauher Sohle Darlegung der Mo delltechnik am Beispiel des Flusse Neumagen 150 Arbeit aus dem Theodor Rehbock Flussbaulaboratori um Technische Hochschule Karlsruhe Februar 1964 Hassan N M K N NARAYANAN R 1985 Local scour downstream of an apron Journal of Hydraulic Engi neering Vol 111 No 11 November 1985 1371 1385 Mitteilungs
360. urz H he y ber der Rinnensohle m 10 00 3 00 8 00 7 00 5 00 5 00 4 00 Entfernung x vom Rinnenanfang m Bild 18 Gemessener Wasserspiegelverlauf Entwicklungsstand der physikalischen Modelluntersuchung 4 3 Teilmodelle in der 3 m Rinne Mit Teilmodellen sind hier Versuchsanordnungen ge meint bei denen lediglich ein Teilobjekt vorrangig eine Wehranlage oder ein Wehrfeld einer Staustufe abgebil det wird Hierf r ist die 2 95 m breite Betonrinne geeig net welche die gleiche station re Infrastruktur wie die 0 80 m Rinne aufweist Der Modellma stab liegt hier blicherweise zwischen 1 10 und 1 50 4 3 1 Beispiel Schlauchwehrmodell Als Ersatzneubauten f r zwei abg ngige Wehranlagen der WSV wurden Schlauchwehre gew hlt Im Vorfeld von Planung und Realisierung waren zu s tzlich zu den vorstehend erl uterten Untersuchungen am Ausschnittsmodell Versuche an einem Teilmodell welches ein vollst ndiges Wehrfeld umfasste durch gef hrt worden um grundlegende Erkenntnisse ber die hydraulischen Eigenschaften und Einsatzm glich keiten zu gewinnen Es wurden verschiedene Varian ten hinsichtlich des F llmediums Luft oder Wasser und der Art der Schlauchbefestigung 1 oder 2 Schie nen als Schlauchwehrmodell im Ma stab 1 12 5 nachgebaut Die Modelle wurden in Zusammenarbeit mit einem Schlauchwehrhersteller geplant und als aus wechselbare Module gefertigt um einschl gige Er fahrung nutzen
361. usschwenkens ist dabei um so gr er je weiter der taktische Drehpunkt zum Bug verschoben ist Der Raumbedarf R der in Bild 2 defi niert ist ergibt sich dabei f r kleine Driftwinkel a Win kel im Bogenma in Abh ngigkeit der Fahrspurbreite b und der Schiffsbreite b aus R 2 b 2 a C L Die Zusatzbreite aus der Schl ngelfahrt Ab also das Ma um das der Raumbedarf gr er als die Fahrspur breite ist ergibt sich mit De D ta L zu Ab R bes 20 1 bes Bo Die Sicherheitsabst nde gem Definition der VAO erf a Wao die in Bild 2 aus der Differenz des maxima len Uferabstandes max a und der Fahrspurbreite b errechnet werden und f r eine sichere Fahrt im Rich tungsverkehr stehen sind danach um Ab 4 1 m f r das Gro motorschiff GMS bei c 1 0 und 3 3 m f r den SV mit c 0 9 zu reduzieren um Mindestwerte des Sicherheitsabstandes f r Ausnahmesituationen wie f r Begegnungen zu erhalten Die Definition von erf a ao entspricht dabei dem Mehr an erforderlicher Breite zum Ufer gegen ber der Fahr spurbreite Alternativ h tte min a verwendet werden k nnen das aber nur bei einem geraden Uferverlauf Sinn macht denn zur Ermittlung der Sicherheitsab st nde zu Buhnen f r die die Untersuchungen eben Die vom Heck zum Bug gemessene und auf die Schiffsl n ge bezogene Lage des taktischen Drehpunktes wird c ge nannt Nach Untersuchungen von Dettmann 2001 betr gt c im
362. vV2a 2 Abstand vom Profil Nullpunkt m 230 98 230 98 z Wassertiefe m 2 36 2 36 Mittlere Geschwindigkeit vm m s 0 88 0 64 Geschw am Wasserspiegel vwsp m s 0 93 0 71 Maximale Geschwindigkeit Vmax m s 0 94 0 71 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 Abstand vom Profinullpunkt m Bild 20 Vertikale Geschwindigkeitsverteilung in einer Mess lotrechten HDA f r zwei Varianten Od km 604 9 Paraletwerksvarante v2 amp 2 E r Bild 20 und Bild 21 wurden die Messungen entspre chend der Pegelvorschrift LAWA BMV 1993 ausge wertet In Bild 20 sind die Geschwindigkeiten ber der Wassertiefe jeweils in der gleichen Messlotrechten f r zwei Varianten dargestellt Im Luftmodell werden zur Ermittlung des Gesamtdurchflusses auch im nicht mo dellierten Bereich oberhalb des angenommenen Was serspiegels Geschwindigkeiten gemessen Zur Varian Him NHN eo s 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 Durchfuseantel e tenbewertung wird nur der modellierte Durchflussbe a PE pil GA TEN SA reich unter dem angenommenen Wasserspiegel bei Tiefe 0 ausgewertet Werte v Vwsp UNd Vaa IN Bild Bild 19 Isotachendarstellung der Geschwindigkeit senkrecht WSP zum Profil HDA 20 In Bild 21 sind f r eine Regelungsvariante mit Buhnen V2a und mit Parallelwerk V2b die mittleren Ge schwindigkeiten in den Messlotrechten unter dem Was serspiegel aufgetragen 66 Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r W
363. verdeutlicht die geometrische bereinstimmung zwischen den beiden Versuchen vgl Bild 10 Sowohl die Kolkform wie auch die erzielte maximale Kolktiefe sind bis auf geringe Ab weichungen nahezu identisch was darauf hindeutet dass die hydraulisch sedimentologischen Prozesse der beiden Auskolkungsvorg nge grunds tzlich ber einstimmen Demzufolge m ssen auch die ma geb lichen Kennzahlen beider Versuche in gleichen Relati onen zueinander stehen 20 15 10 50 z 5 Acetalharz t 2h20min 10 o Quarzsand 15 t 4h 05min 20 0 20 40 60 80 x cm Bild 10 berlagerung der maximalen Kolkgeometrien aus Versuch 1 und 2 Eine Zusammenstellung der Kennzahlen f r beide Ver suche in Tabelle 3 zeigt dass die hydraulischen Kenn zahlen erhebliche Unterschiede aufweisen Das grund legende Kriterium f r die hnlichkeit der Hydraulik in physikalischen Modellen die Gleichheit der hydrau lischen Froude Zahlen steht in einer Relation von Fr 1 57 zueinander In gleicher Weise unterscheiden sich auch die Abfl sse Flie geschwindigkeiten und Reynolds Zahlen Mitteilungsblatt der Bundesanstalt f r Wasserbau Nr 90 2007 Kennzahl Hydraulische Kennzahlen mp s EEE Sedimentologische Kennzahlen dn im 0 607 gt 2 0 37 1 0 mis 167 1 38 1 57 1 57 1 57 1 57 1 57 1 57 mi 06 Bm arm Dos mexi I mi 0078 0076 090 a m o o 10 Fr kritische Feststoff Froude Zahl berechn
364. versuche wurde eine gerade Flussstre cke mit einer L nge von 1300 m und einer Breite von 157 m im Ma stab 1 25 aufgebaut siehe Bild 3 Die Fahrrinne ist einseitig auf der in Flie richtung gese hen linken Seite durch senkrecht zur Flussachse an geordnete Buhnen mit einer L nge von 67 m einge engt Die Buhnenl nge ergibt sich aus dem Verh ltnis von Buhnenl nge zu Buhnenabstand von 2 3 f r einen mittleren Buhnenabstand von 100 m Die Buhnenh he ist mit 3 0 m so gew hlt dass die Buhnen bei dem im Modell eingestellten Mittelwasserbedingungen mit Flie tiefen von 3 4 m berstr mt und bei Niedrigwas ser mit Flie tiefen von 2 6 m nicht berstr mt werden Die Neigung der Buhnenb schung betr gt einheitlich 1 29 Als Uferbegrenzung wurde bis auf die Versuche zur Bestimmung des B schungseinflusses auf den Sicher heitsabstand eine 1 3 geneigte B schung gew hlt Zur Ermittlung des Einflusses der B schungsneigung wur de zus tzlich noch eine senkrechte Uferbegrenzung erstellt 7 2 Messtechnik Bei der vorliegenden Messaufgabe handelt es sich all gemein ausgedr ckt um eine Positionsbestimmung von bewegten Zielen Die Messungen erfolgen in einer vorgegebenen Wiederholfrequenz um die Punktbe wegung dokumentieren zu k nnen F r kinematische Messvorg nge ergeben sich hohe Anforderungen wie schnelles Messen bei hoher Genauigkeit und hohe Da ten bertragungsraten Als ideale L sung zeigte sich den Schiffspfad m
365. weglicher Sohle Um die Messgenauigkeit des Systems nachzuweisen befinden sich im Randbereich gekennzeichnete Fl chen aus Beton die bei jeder Sohlaufnahme mit ver messen werden s Bild 24 Bild 25 zeigt die Streu ung der H hen in diesen Referenzfl chen ber 11 zeit lich unabh ngige Vermessungen Die Systemgenau igkeit ist bei 94 der Messungen besser als 2 cm in der Natur entsprechend 0 5 mm im Modell Der mittle re Fehler der H henmessung liegt bei 1 cm in der Na tur entsprechend 0 25 mm im Modell und damit deut lich unter der Korngr e des verwendeten Granulates mit einem d von 2 1 mm Dieser Nachweis belegt die hohe Reproduktionsgenauigkeit des optischen ber h rungslosen Messsystems Bei dieser Art der Sohlvermessung ist zu beachten dass mit einem Messraster von ca 2 5 cm im Modell entsprechend 2 5 m in der Natur gearbeitet wird Struk turen die in der L nge kleiner als 5 m sind k nnen so mit nur unzureichend abgebildet werden da dann f r die Bild einer Struktur weniger als drei Messpunkte in L ngsrichtung verf gbar sind Strukturen mit L ngen unter 2 m Riffel sind in einem derartigen Modell phy sikalisch nicht hnlich abbildbar Strukturh he in der Gr enordnung des Modellkorndurchmessers Die in dem hydraulischen Modell der Oder untersuchten und f r die Schifffahrt relevanten Strukturen bestehen im Wesentlichen aus Transportk rpern mit einer L n ge zwischen 30 m und 800 m sodass diese mi
366. weiteren Schritt vergr ert werden und mit den Wiederholungs fahrten von vorne begonnen werden Ein Nachteil die ser Methode ist dass dem Steuermann mit der Leine eine F hrung vorgegeben wird an der er sich w hrend der Fahrt orientieren kann und die Fahrt sich somit ver einfacht F r konstante Versuchsbedingungen sind auch die Startbedingungen der Fahrten mitverantwort lich Um dies zu gew hrleisten wurde das Schiff bis zum Start an einem Steg festgehalten und auf Kom mando des Steuermannes losgelassen Somit waren immer gleiche Startbedingungen garantiert Neben der gespannten Leine besitzt die Versuchs systematik noch weitere Besonderheiten die bei der Interpretation der Ergebnisse ber cksichtigt werden m ssen Durch die st ndigen Wiederholungen und das Herantasten an die Gefahr ergibt sich ein Lern und Trainingseffekt der dem Schiffsf hrer eine zu s tzliche Sicherheit verleiht F r die Untersuchungen standen drei Schiffsf hrer zur Verf gung deren F hig keiten beim Man vrieren des Modellschiffs die Unter suchungsergebnisse beeinflussen was einen nicht un erheblichen subjektiven Einflussfaktor darstellt Wei ter tragen auch die Sichtbedingungen erheblich zur Si cherheit bei z B ist zu beachten dass in Natur durch Dunkelheit oder Nebel die Fahrten schwieriger werden und damit die Sicherheit abnimmt 8 Auswertung im Hinblick auf die Sicherheitsabst nde zu Ufer b schungen Wie eingangs anhand
367. wendigkeit Die Wasserspiegelmessstellen sind ent sprechend einer Schlauchwasserwaage nach dem Prinzip der kommunizierenden R hren aufgebaut Ein Schlauchende ist in der Modellsohle eingebaut w h rend die andere Schlauchseite ber ein Absperrventil in einem Messzylinder endet siehe Bild 3 pi Bild 3 Messzylinder f r Wasserstand An dieser Stelle wird mit einem Ultraschallwasserspie gelmessger t die Wasseroberfl che angetastet Die Messger te sind Eigenentwicklungen der BAW und besitzen einen normierten Spannungsausgang von 0 5 Volt f r 0 500 mm Messhub Die Messgenau igkeit betr gt 0 1 mm des Messwertes der nutzbare Messbereich liegt bei ca 350 mm Bei einer Anzahl ab 20 Wasserspiegelmessstellen werden elektrisch pneumatische Absperrventile eingesetzt die vom Messprogramm gesteuert werden Das Schlie en die ser Absperrventile ist notwendig sobald der Modellzu fluss abgestellt wird um das Leerlaufen der Messzylin der zu verhindern Die Messmethode beruht auf der Laufzeitmessung von Ultraschallimpulsen mit 220 kHz vom Sender bis zur Messfl che Wasserspiegel und zur ck zum Empf n ger daraus l sst sich die Wegstrecke ermitteln Die Ultraschallgeschwindigkeit ist abh ngig von physika lschen Umgebungsbedingungen wie z B der Luft temperatur weshalb f r jeden Ultraschallimpuls mit einem mechanisch konstanten Referenzabstand eine Kompensation durchgef hrt wird F r die Korre
368. werden PIV Messungen gezeigt bei denen die Oberfl chen geschwindigkeit an einem Fluss durch einfache Video aufzeichnung erfasst wurde ohne die Verwendung zu s tzlichen Tracermaterials an der Wasseroberfl che 1 Einleitung Die rasante Entwicklung auf den Gebieten der Optik Videotechnik Lasertechnik Elektronik und Computer technik f hrte in den letzten drei Jahrzehnten zu einer neuen Generation videobasierter Messtechnik die un ter der Bezeichnung Particle Image Velocimetry PIV zur ber hrungslosen Bestimmung von Geschwindig keitsfeldern eingesetzt wird Adrian 1991 Prasad 2000 Als logische Konsequenz dieser Entwicklung in Verbin dung mit der Vielzahl an str mungsmechanischen Fra gestellungen wurden in den letzten Jahren diverse Va rianten von PIV Systemen als Komplettsystem f r spe zielle Fragestellungen auf den Markt gebracht Im Gegensatz zur Particle Tracking Velocimetry bei der einzelne Partikel verfolgt und ausgewertet werden liegt die Grundidee der PIV Technik in der Auswertung optisch erfasster Partikelgruppen bzw Intensit tsmus ter die durch eine Str mung bewegt werden Der zu r ckgelegte Weg dieser Partikelgruppen bzw Intensi t tsmuster innerhalb einer bekannten Zeit wird dann hinsichtlich der Geschwindigkeit ausgewertet Die PIV Technik bietet damit die M glichkeit herk mmliche Me thoden zur qualitativen Str mungssichtbarmachung ef fektiv zur quantitativen Beschreibung einer Str mungs
369. wie bei Ein und Ausfahrt in und aus Schleuse und Vorhafen im Vordergrund Um die Kosten f r Bau und Unterhaltung zu minimie ren und um die erforderliche Sicherheit zu gew hrleis ten ist es eminent wichtig dass diese Anlagen nach hydraulischen Gesichtspunkten gestaltet und weitge hend optimiert werden Da Wasserbauwerke wegen unterschiedlicher lokaler Randbedingungen und Anfor derungen in ihren Gestaltungsformen eine gro e Viel falt aufweisen und insofern meist individuell konstruiert wurden stehen selten allgemeing ltige Vorlagen f r die hydraulisch g nstige Dimensionierung eines Bau werkes zur Verf gung Auf Grund dessen ist die was serbauliche Untersuchung und Begutachtung der Aus f hrungsentw rfe von Neubau und wesentlichen In standsetzungsma snahmen von Schleusen Wehren und sonstigen Wasserbauwerken an den Bundeswas serstra en ein Aufgabenschwerpunkt der Bundesan stalt f r Wasserbau BAW Bisher waren die Basis der Begutachtung entweder Ergebnisse fr herer Modelluntersuchungen hnlicher Bauwerke die mit Hilfe der BAW Bauwerksdatenbank bzw der WSV Wasserstra en Datenbank WADABA identifiziert wurden oder die Durchf hrung von phy sikalischen Modellversuchen Im Hinblick auf wasser bauliche Modelluntersuchungen von Bauwerken kann die BAW auf eine mehr als 50 Jahre alte Tradition zu r ckblicken Seit ihrer Gr ndung im Jahre 1948 wurden in der BAW Erfahrungen gesammelt und dokumentiert welche heute
370. wurde ausgehend von einer ebenen Sohle bis zur Auspr gung von Transport k rpern aufgenommen Zum besseren Vergleich der Sohlentwicklung bei verschiedenen Varianten lassen sich die Videoaufnahmen im Zeitraffer betrachten Versuche mit dem Einsatz einer Hochgeschwindigkeits kamera HENTSCHEL KAUTHER 2000 f r die Betrachtung von Str mungsmustern der Luftstr mung waren bisher nicht zufrieden stellend da Teilchen die leicht der Str mung folgen zu klein sind um mit der Hochgeschwin digkeitskamera gut sichtbar gemacht werden zu k n nen Der Einsatz einer aufw ndigen Technik mit Laser lichtschnitt und Hochgeschwindigkeitskamera brach Rohrstutzeninjektion Altdeich geschlitzt Nebelfluidvertei lung in er F A Le A i 7 i pet n i Pa m fr Fe ar a 1 i sg PE k s y Bild 18 Elbe bei Lenzen Nebelfluidinjektion zur Str mungs sichtbarmachung im Flussvorland te f r die verkehrswasserbaulichen Standarduntersu chungen bisher keinen angemessenen Erkenntnisge winn 6 2 2 Geschwindigkeitsmessung mit Hitz draht Anemometrie Die Hitzdraht Anemometrie HDA beruht auf der Be stimmung des W rmeverlustes eines elektrisch be heizten Drahts der in die Luftstr mung gef hrt wird Je h her die Str mungsgeschwindigkeit desto h her ist der W rmeverlust des Drahts Bei der Konstante Tem peratur Anemometrie CTA wird der Widerstand des Drahtes und damit die Temperatur durch Regeln der el
371. zeichnet man im wasser baulichen Versuchswesen als aerodynamisches oder Luftmodell Die Luft wird mittels leistungsf higer Venti latoren durch das Modell gesaugt Die Geometrie des Untersuchungsgebietes wird bei aerodynamischen Modellen grunds tzlich wie bei hy draulischen Modellen ma st blich verkleinert Tabelle 1 Die Kalibrierung der Modelle erfolgt ebenfalls durch Anpassung der Sohlrauheit so dass das Druckgef lle f r einen bekannten Naturzustand hnlich dem Was serspiegelgef lle abgebildet wird siehe Kapitel 3 Luftmodell aerodynamisches Modell Wasserm odell hydraulisches Modell Wasser Freispiegelstr mung Str mungsmedium Luft Str mung Drucksir mung Wesentliche hnlichkeitskri terien L ngenma stab Flie geschwindigkeit Fr Re 1 15 bis 1 200 bis Im s 0 05 bis 0 5 m s Eu EULER Re 1 150 bis 1 2000 bis 50 mis 10 bis 40 mis Tabelle 1 Charakteristika von und hydraulischen Modellen aerodynamischen Folgende Besonderheiten und Randbedingungen sind beim Einsatz von Luftmodellen zu ber cksichtigen e Der Einsatz von Luftmodellen erlaubt kleinere Ma st be gr ere Maf sstabszahl als bei hydraulischen Modellen zu nutzen siehe Tabelle 1 wodurch ge ringe Materialkosten entstehen und der Umbau f r Varianten schneller zu realisieren ist Wegen der kleineren Ma st be k nnen Luftmodelle auf Ti schen aufgebaut werden Bild 1 wodurch sich gute Arbeitsbedingungen gew
372. zu den Str mungs bzw Turbulenzeigenschaften zu treffen Aus dem Verh lt nis von vorhandener Schubspannung r Zur kritischen Schubspannung t 8 8 Pa wird ein Instabilit tskrite rium definiert als t t Der kritische Shields Parame ter Fr 7 Apg d wird dazu mit Fr 0 06 ange setzt Bei t t 0 59 konnte der Transport von ersten K rnern beobachtet werden Dieser Wert wird durch analytische Betrachtungen von Dittrich und Tr bing 1999 bzw durch Naturuntersuchungen von Wilcock et al 1996 f r den Bewegungsbeginn bei lockerer La gerung best tigt Um die eingebaute Messtechnik nicht zu gef hrden wurde die Sohlbelastung nicht ber t To 0 59 angehoben 3 1 Oberfl chenstr mung Die Darstellung der Str mungsgeschwindigkeiten be schr nkt sich bez glich der freien Str mung ber der Sohle auf die ADCP Messungen Die Auswertung r umlicher PTV Messungen sind in Vorbereitung ADCP Hier werden Ergebnisse einer Versuchsreihe mit Was sertiefen von h 0 20 m und einer Kiesm chtigkeit von H 0 10 m vorgestellt die bis zur einsetzenden De stabilisierung durchgef hrt wurde Tabelle 2 gibt die wesentlichen Parameter dieser Versuchsreihe wieder BIENEN Mr M I RN DEE 2 BER DR 2 BR BT A01 009 580 0201 ost 22 0 200 091 Fi Messung TolToe Tabelle 2 Versuchsreihe H 0 10 m Detert et al 2005 Bild 6 zeigt die aus den Versuchen A01 bis A10 er mittelten normiert
373. zu horizonta len Str mungen mit zum Teil sehr hohen Geschwindig keiten kommen welche die Sohlstrukturen verf lschen w rden Bild 13 zeigt die Drainageleitungen die an mehreren Stellen aus dem Modell herausgef hrt wer den und verschlossen werden k nnen Daneben sind in dem Bild die Messstellen f r die Modellwasserspie gel zu sehen und man erkennt dass der gesamte Un tergrund des Modells mit dem beweglichen Sohlmate rial aufgef llt wird Hydraulische Flussmodelle mit beweglicher Sohle ffnung und Rohrleitung f r Wasserspiegelmes sungen mit Rohrleitung zum WSP Messtopf Bild 13 Drainagesystem im Flussschlauch zur Entw sse rung Wasserspiegel Messstellen 4 3 Wasserstands und Abflusssteuerung Temperaturmessungen F r die Beurteilung unterschiedlicher Untersuchungs varianten spielt die genaue Kenntnis der Wasserst n de ebenso eine Rolle wie sie f r die hydraulische Ka liprierung eine zwingende Voraussetzung ist Die Was serst nde werden in den Modellen mit konventionellen Ultraschallpegeln au erhalb des Modells nach dem Prinzip der kommunizierenden R hren mit einer Ge nauigkeit von ca 0 1 mm gemessen s Bild 14 Eine Besonderheit ergibt sich bei Geschiebetransportmo dellen daraus dass die Wasserst nde auch bei statio n ren Abflusszust nden nicht konstant sind sondern in Abh ngigkeit von Sohlh hen nderungen oder Sohlbe wegungen deutlich variieren Daher werde

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