Selektive Sedimentation von Feinstschwebstoffen in Wechselwirkung mit wandnahen turbulenten Strömungsbedingungen

Abstract

Zusammenfassung

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem korngrößenabhängigen Transport von Feinpartikeln in turbulenten Gerinneströmungen. Diese Untersuchung basiert auf den Daten von Experimenten, welche in einem Laborkanal durchgeführt wurden. Der Schwerpunkt liegt auf dem sich einstellenden Transportgleichgewicht bei nicht beliebig hoher Verfügbarkeit von Sohlmaterial. Der Einfluss des Laborsystems auf die erzielten Gleichgewichtszustände wird berücksichtigt. Zur Beschreibung der sohlnahen Austauschprozessen werden schwellwertbezogene Ansätze und solche,die auf den zeitlich und räumlichen Skalen turbulenter Burstprozesse beruhen, betrachtet. Beide Ansätze werden mittels nummerischer Modellrechnungen verglichen und anhand der Versuchsergebnisse bewertet.

Die Messungen wurden mit Feinsedimenten ( bis 100μm), welche überwiegend klein gegen die Kolmogoroffsche Mikroskala sind, durchgeführt. Der Versuchsstand besteht aus einem Laborgerinne mit zirkulierender Strömung. Neben Messung von Korngröße und Konzentration suspendierter Partikel ist die Sedimentbewegung an der Sohle durch einen selbst entwickelten Partikelsensor erfasst worden. Den Versuchsbedingungen entsprechend findet eine sohlnahe Partkelbewegung in Form von sich zu Linienstrukturen akkumulierenden Partikeln oder unter Bildung von Riffeln statt. Der durch turbulente Burstprozesse hervorgerufene sohlnahe Sedimentaustausch, wurde während der Versuche mit dem Partikelsensor messtechnisch erfasst.

Im Falle einer dicht mit einer einfachen Lage von Sandkörnern beklebten Sohle, welche einen Durchmesser von ca. 1mm haben, ergeben sich, im Vergleich zur glatten Sohle, qualitative Veränderungen im Transportverhalten der Sedimente im Gerinne. Die Adaption an einen Gleichgewichtszustand nimmt erheblich mehr Zeit in Anspruch als bei glatten Sohlverhältnissen, wobei die in die Rauheitselemente eingelagerten Partikel nicht mehr der umlaufenden Strömung zur Verfügung stehen.

Die gemessenen Partialkonzentrationen suspendierter Partikel, sowie die Sieblinien der in den Sedimentfallen gefangenen, sohlnah bewegten Partikel, erlauben eine Abschätzung der bei glatter Sohle als erosions- bzw. sedimentationskritisch zu bewertenden Korngrößen. Aufgrund der Messdaten lässt sich im Shieldsdiagramm ein Bereich eingrenzen, für welchen ein Austausch zwischen Geschiebe und Suspension stattfindet.

Die Annahme von Schwellwerten für Sedimentation und Erosion führt bei hinreichend kleinen Konzentrationen zu einem ablagerungsfreien Transport suspendierter Partikel, sofern diese kleiner als der erosionskritische Durchmesser sind. Dieses Transportverhalten konnte durch die den Meßdaten jedoch nicht ausreichend bestätigt werden. Diese Unstimmigkeit führte zu einer genaueren Analyse der Auswirkungen der Laborbedingungen auf die Messergebnisse.

Zur Abschätzung der Abweichungen der am Gerinneende sich einstellenden Gleichgewichtskonzentration, von der in einem sehr langen Gerinne, wurde ein heuristischer Ansatz entwickelt, welcher auf den charakteristischen Zeitskalen der Transportprozesse in einem zirkulierenden Laborsystem beruht. Dabei ergibt sich qualitativ eine Erhöhung der gemessenen Konzentrationswerte am Gerinneende, verglichen mit der Gleichgewichtskonzentration, welche sich durch gegenseitiges Aufheben sedimentativer und erosiver Massenströme ergibt.

Ein instationäres, 2-dimensional-vertikales numerisches Modell wurde erstellt, um die Transportmechanismen in einem solchen Laborsystem besser untersuchen zu können und um zu quantitativen Aussagen zu gelangen. Die Geschiebebewegung, sowie die rücklaufende Strömung wird dabei berücksichtigt. Die Erosionsraten werden wahlweise durch den Schwellwertansatz oder eine, an die Mechanismen des turbulenten Burstprozess angelehnte Formulierung, beschrieben. Die burstbasierte Variante liefert hierbei Ergebnisse, welche qualitativ mit den experimentellen Befunden übereinstimmt. Die Einführung einer, mit den erosiv wirksamen Phasen des Burstprozesses einhergehenden Übergangswahrscheinlichkeit für Partikel im viskositätsdominierten wandnahem Bereich, in die turbulente Strömung, führt zur quantitativen Übereinstimmung mit den Messdaten. Diese Übergangswahrscheinlichkeit ist abhängig von der Sohlschubspannung, nicht hingegen von der Korngröße.

Mit dem so kalibrierten Modell wurde nun Berechnungen für sehr lange Gerinne durchgeführt. Dabei zeigt sich, dass durch die lokalen, zeitlich periodisch auftretenden Erosionsprozesse und den damit verbundenen erosionsfreien Phasen der Aufbau eines sohlnahen Sedimentspeichers ermöglicht wird, welcher mit der Partikelsuspension erst nach einem Zeitraum, der deutlich größer als die mittlere Aufenthaltsdauer im System ist, im Gleichgewicht steht.

Abstract

The present work is focussed on the grain size-dependent transport of fine particles in turbulent open channel flow. This investigation is based on the data of experimental investigations, which were conducted in a laboratory channel. The main focus is the transport equilibrium in case of a limited availability of bed material, regarding the influence of the laboratory system on the experimental results. For the description of the near-bed vertical mass fluxes, either a threshold based approach and a formulation, based on the spatial and temporal scales of the turbulent burst cycle was applied. Both approaches were compared by means of numerical calculations and are evaluated on the basis of the experimental results.

The experimental investigation with fine sand particles (max.100μm), which are smaller than Kolmogoroffs microscale, were conducted under hydraulically smooth and rough conditions. The experimental set up consists of a laboratory flume with recirculating flow. In addition to concentration and particle size measurements, the near-bed movement of sediment particles was observed with a self-developed particle sensor. Depending on the hydraulic parameters, the near-bed movement of particles is characterized by accumulation at low speed streaks or the development of ripples. Intermittend particle erosion du to turbulent burst processes was identified by evaluating the signals of the above mentioned particle sensor.

In case of a rough channel bed, realized by a single layer of closely packed sand particles with a diameter of about 1mm, the sediment transport in the flume behaves qualitatively different from the hydraulically smooth conditions. The transient process, which leads to equilibrium transport, takes substantially more time than in case of smooth bed conditions. As a consequence of the irreversible deposition of the coarser particles into the gaps between the roughness elements, these particles are not longer available in the circulating flow.

The measured partial concentrations of suspended particles, as well as the particle size distribution in the sediment traps, allows an estimation of the critical particle size for sedimentation and erosion. Based on the measured data, a range in Shields diagram was marked, for which an exchange between bed- and suspended load takes place.

The assumption of critical shear stresses for sedimentation and erosion leads for sufficiently small concentrations to a deposition-free transport of suspended particles, if the particle size is below the critical diameter for erosion. This transportation behavior could not be sufficiently validated by the measured data. This discrepancy led to a more exact analysis of the effects of the laboratory conditions, here realized by a circulating flow, on the experimental results.

To find a first estimation of the deviations of equilibrium concentrations in laboratory systems, compared with those in a very log channel, a heuristic approach was developed, which is based on the characteristic time scales of the transportation processes in a circulating laboratory channel. The result of this qualitative consideration is, that the measured concentration at the end of the laboratory channel is higher than the equilibrium concentration, which results from equality of sedimentative and erosive mass fluxes.

An unsteady, two-dimensional-vertical numeric model was developed, in order to enable a more detailed investigation of the transportation mechanisms in such laboratory systems which allows also quantitative statements. In this model the bed-load motion, as well as the circulating flow are considered. The erosion rates are described alternatively by a threshold value or by a formulation, based on the mechanisms of the turbulent burst process. Only the burst-based formulation leads to results, which agree qualitatively with the data, obtained from the experimets. A quantitative agreement between measured and simulated data can be obtained by introducing a probabiltity for the erosion of particles in the viscous sub layer during the erosive eject events of the turbulent burst cycle. The probability turned out to be a function of the bed shear stress, but seems to be independent from particle size.

Now, with the numerical model calibrated in the above mentioned way, calculations for a very long channel were performed. The results show, that the local, temporally and spatially distributed erosion processes and the settling of suspended particles between their occurence, enables the accumulation of a large amont of bed-load material. The transport equilibrium, characterized by a balanced net mass flux between bed- and suspended load, is reached after some time, which is considerably larger than the average retention period in the system.