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Air bubble screens as a tool for water quality control
(1976) Kobus, Helmut
The flow field induced by the release of compressed air in a water body has been studied analytically and experimentally. The quantitative knowledge of the flow pattern in standing water and in a cross flow serves as a basis for the design of air bubble installations, which can be used advantageously for a number of purposes in water quality control, such as pneumatic oil barriers, barriers against density currents due to differences in salinity, silt or sediment concentration or temperature, installations for combating the formation of ice, artificial destratification devices or installations for oxygenation purposes.
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Air-tunnel model study of Fort Martin Cooling Tower
(1965) Kobus, Helmut
The study described in this report was conducted at the Iowa Institute of Hydraulic Research for the Marley Company, Kansas City, Missouri. A 1:300 scale model of the tower and an inside fan for simulating the natural draft were provided by the company. The tests were performed in an air tunnel with a 5-foot octagonal test section. The model was mounted on a turn table, and a false floor was provided on the upstream side. All experiments were performed for the specified total-head loss across the grid section of about 22 velocity heads.
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Analysis of the flow induced by air-bubble systems
(1968) Kobus, Helmut
The pattern of vertical velocities induced by an orifice discharging air into water can be represented by Gaussian distribution curves with a linear spread in the vertical except for the regions near the orifice and close to the free surface. An analytical treatment considering the momentum-flux increase due to the buoyancy of the air together with experimental information about the spread of the velocity profiles and the mean rising speed of the air bubble stream, which has been obtained from velocity and density measurements over a wide range of conditions, leads to a complete description of the flow field. The ratio of the water volume flux to the air discharge rate, which has been proposed as an efficiency criterion, is now at hand as a function of depth and air supply for both single orifices and rows. The experimental evidence supports the analysis well and suggests that extrapolation to larger water depths and air supplies should be permissible, which would allow approximate predictions of the volume flux for any air-bubble system.
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Analytical and experimental study of Eggers' relationship between transverse wave profiles and wave resistance of a modified ogive in a channel
(1965) Kobus, Helmut
The purpose of this study is to examine Eggers' analysis, the assumptions upon which it is based, and its restrictions, both analytically and experimentally under nearly-ideal conditions. A slender, two-dimensional ogival strut, which has a narrow viscous wake and no bilge vortices, is investigated. Eggers' method is applied, using the transverse surface profiles behind the body, obtained both from linearized potential theory and from experiments.
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Analytische Behandlung von Auftriebsstrahlen unter Berücksichtigung der Besonderheiten von Luftblasenschleiern
(1973) Honekamp, Hermann; Kobus, Helmut
Untersuchungen an Luftschleiern in seitlich unbegrenztem Medium blieben bisher auf ruhendes Wasser beschränkt. Es hat sich jedoch gezeigt, dass dem Einfluss einer überlagerten Querströmung sehr grosse Bedeutung zukommt, da eine Horizontalströmung die Strömungsverhältnisse sehr viel stärker verändert, als eine direkte Superposition vermuten liesse. Zur Klärung dieser Zusammenhänge wurde im Rahmen des Projekts A (Ausbreitungsvorgänge) des Sonderforschungsbereichs 80 an der Un iversität Karlsruhe ein Teilprojekt A 3 mit dem Titel "Luftschleier in einer Ouerströmung" in Angriff genommen und in den Jahren 1970 bis 1973 bearbeitet. Ziel dieser teils experimentellen, teils analytischen Arbeit ist es, den Einfluss einer Querströmung auf das Strömungsfeld eines Luftschleiers quantitativ zu erfassen. Als Ausgangsbasis für die analytische Behandlung dient ein vom Projektleiter erarbeitetes analytisches Modell für Luftschleier in stehenden Gewässern, mit dem zum ersten Mal Modellversuche auf Verhältnisse in der Natur übertragen werden konnten. Dieses Modell soll auf Luftschleier in einer Querströmung erweitert und durch Experimente verifiziert werden. Die Untersuchungen haben zum Ziel, die Möglichkeiten und Grenzen des Einsatzes von Luftschleiern in Flüssen zur Steuerung von Ausbreitungs- und Transportvorgängen zu erkunden. Darüber hinaus können die hier gewonnenen Erkenntnisse als Entscheidungshilfen dienen, die es ermöglichen, Luftschleieranlagen betriebssicher und wirtschaftlich zu entwerfen und auszulegen.
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Anwendung der Dimensionsanalyse in der experimentellen Forschung des Bauingenieurwesens
(1974) Kobus, Helmut
Im folgenden soll der Grundgedanke der Dimensionsanalyse dargestellt und an Hand einiger einfacher Beispiele demonstriert werden, wie dieses Verfahren in der experimentellen Forschung nutzbringend angewendet werden kann. Selbstverständlich stellt die Dimensionsanalyse keinen Ersatz dar für die analytische oder experimentelle Behandlung eines Problems. Sie bietet jedoch die Möglichkeit, experimentelle Untersuchungsprogramme optimal zu gestalten, so daß mit einem Minimum an Versuchsaufwand ein Maximum an Information gewonnen werden kann. Hierbei ist zu betonen, daß die Dimensionsanalyse zwar in der Strömungsmechanik und Hydraulik ihre größten Erfolge aufzuweisen hat und gerade auf diesem Gebiet zu einem unerläßlichen Hilfsmittel geworden ist, daß aber die Methode als solche in keiner Weise an ein bestimmtes Fachgebiet gebunden ist und deshalb ohne Einschränkung auf alle physikalischen oder technischen Aufgabenstellungen angewendet werden kann.
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Aus der wasserbaulichen Forschung am Institut für Hydromechanik, Stauanlagen und Wasserversorgung
(1975) Kobus, Helmut; Richter, Andreas; Westrich, Bernhard
ln dem vorliegenden Aufsatz wird anhand einiger Beispiele aus dem Wasserbau dargestellt, an welchen Aufgaben und Problemen im Institut für Hydromechanik, Stauanlagen und Wasserversorgung derzeit gearbeitet wird. Das Spektrum des Forschungsprogramms ist erheblich breiter. Eine Reihe von Arbeitsgebieten wurde hier nicht oder kaum angesprochen. Die Ergebnisse der strömungsmechanischen Grundlagenforschung finden nicht nur im Wasserbau Anwendung, sondern auch im konstruktiven Ingenieurbau, in der Verfahrenstechnik und im Maschinenbau.
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Ausbreitung und Durchmischung bei Warmwassereinleitungen in Gewässer
(1977) Kobus, Helmut
Die Vorhersage der Temperaturverhältnisse in Gewässern ist im allgemeinen eine schwierige Aufgabe, die bisher noch nicht zufriedenstellend gelöst ist. Andererseits ist die Kenntnis der Temperaturen in natürlichen Gewässern eine unabdingbare Voraussetzung dafür, die Auswirkungen von Warmwassereinleitungen auf die Gewässerqualität beurteilen zu können. Im vorliegenden Beitrag soll daher ein Überblick über die Einflußgrößen gegeben werden, welche die Temperaturverhältnisse in einem natürlichen Gewässer bestimmen, um aus dieser Gesamtsicht heraus die Einsatzmöglichkeiten und Grenzen physikalischer und mathematischer Vorhersagemodelle zu beurteilen. Die verschiedenen Vorhersagemethoden sollen hier nicht im einzelnen diskutiert werden, sondern es sollen lediglich die Gesichtspunkte aufgezeigt werden, nach denen die Entscheidung für die eine oder andere Art von Modell gefällt werden muß. Gleichzeitig soll auch gezeigt werden, inwiefern durch bauliche oder strömungstechnische Maßnahmen Ausbreitungs- und Temperaturverhältnisse aktiv beeinflußt werden können.
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Ausbreitung von abgekühltem Wasser in Grundwasserleitern
(1980) Kobus, Helmut
Wärmepumpen können einen wesentlichen Beitrag zur Energieeinsparung leisten. Die erforderliche Technologie ist verfügbar, und angesichts der steigenden Primärenergiekosten ist auch die Wirtschaftlichkeit des Einsatzes von Wärmepumpen allenfalls eine Frage der Zeit. Hingegen ist derzeit nur unzureichend bekannt, welche Auswirkungen der durch solche Anlagen verursachte Wärmeentzug auf die Umwelt hat und ob in diesem Zusammenhang beim verstärkten Einsatz von Wärmepumpen nachteilige ökologische Auswirkungen zu befürchten sind. Wärmepumpen können entweder mit Wasser als Wärmelieferant betrieben werden. Hierfür bietet sich neben der Nutzung von Oberflächengewässern oder Abwasser vor allem die Möglichkeit an, die erforderliche Wärme dem Untergrund zu entziehen. Dies kann entweder über ein geschlossenes Wasserkreislaufsystem geschehen, bei dem die Wärme über die Wandungen eines im Boden verlegten Rohrsystems aufgenommen wird, oder aber - weniger aufwendig- durch die direkte Entnahme von Grundwasser, das nach der Passage des Wärmetauschers in abgekühltem Zustand wieder in den Grundwasserleiter eingespeist wird. Dieser letztgenannten Betriebsform ist der vorliegende Beitrag gewidmet.
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Ausbreitung von zweiphasigen Auftriebsstrahlen - Entwicklung eines Konzentrationsmessverfahrens
(1977) Kobus, Helmut
Die Möglichkeiten zur exakten Vorhersage des Ausbreitungsverhaltens fremdstoffbeladener (d.h. zweiphasiger) Einleitungen in Gewässer oder die Atmosphäre sind bislang noch sehr begrenzt. Die Überprüfung und Verbesserung mathematischer Modelle, wie sie für zweiphasige Auftriebsstrahlen erarbeitet wurden, wird außerordentlich erschwert durch das Fehlen zuverlässiger experimenteller Daten für wichtige strömungsmechanische Parameter, wie z.B. für: - den Einmischkoeffizienten der induzierten Fluidströmung - das Verhältnis der turbulenten Ausbreitungsraten von eingeleiteter Fremdstoffkonzentration und Impuls - die Schlupfgeschwindigkeit zwischen Trägerfluid und eingeleitetem Fremdstoff Wichtigster Grund für die bisher fehlende oder mangelhafte Kenntnis dieser Größen ist das Fehlen brauchbarer, genauer und zuverlässiger Meßmethoden. Da wegen der steigenden Verschmutzung von Atmosphäre und Gewässern Vorhersagen der Massenausbreitung und des Massenaustauschs immer größere Bedeutung erlangen, ist es das Ziel des Teilproiekts A21, geeignete Meßmethoden zu entwickeln, um obige Parameter in einem plansymmetrischen Auftriebsstrahl zu bestimmen und mit diesen Daten bisher angewandte analytische Modelle zu überprüfen und eventuell zu verbessern.
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Ausbreitungsvorgänge in Gewässern : ein Reisebericht über Forschungsarbeiten in den USA im Jahr 1973/74
(1974) Kobus, Helmut
Der vorliegende Reisebericht soll einen Überblick über derzeitige Forschungsarbeiten in den U. S.A. geben, die einen direkten Bezug zum Forschungsprogramm des SFB 80 haben. Sinn des Berichts ist es, Wissenschaftlern, die sich mit Ausbreitungsvorgängen in Gewässern befassen - und hier in erster Linie den SFB-Mitarbeitern - einen schnellen Überblick zu geben und einen direkten Zugang zu den neuesten Arbeiten in den U. S.A. zu verschaffen. Es soll der Frage nachgegangen werden, wie sich eingeleitete Fremdstoffe in natürlichen Gewässern ausbreiten und von welchen Faktoren die Ausbreitungsvorgänge abhängen. Diese Zusammenhänge sind deshalb von entscheidender Bedeutung, weil im allgemeinen nur Information über Einleitungen vorliegt (und sich nur Einleitungen direkt beeinflussen lassen}, während Kriterien zur Gewässergüte überall im Gewässerkörper erfüllt sein sollen. Wenn also allgemeine Gewässergütekriterien jemals in definitive Einleitungskriterien umgemünzt werden sollen, dann ist ein quantitatives Verständnis der Ausbreitungsvorgänge unter dem Einfluß von Einleitungsbedingungen und natürlichen Gegebenheiten unerlässlich.
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Die Auswirkungen einer Staustufe auf den Grundwasserhaushalt : Untersuchungen an einem numerischen Modell
(1977) Mehlhorn, Hans; Kobus, Helmut; Lühr, Hans-Peter
Es wird in zwei Teilen über die Auswirkungen einer Staustufe auf den Grundwasserhaushalt am Beispiel der geplanten Staustufe Neuburgweier berichtet. Teil I "Hydrologische und hydrogeologische Untersuchungen" (J. Armbruster, O. Huppmann und G. Strayle) ist in gwf-wasser/abwasser 118 (1977), H. 11, erschienen. Der vorliegende Beitrag ist der dazugehörige Teil II.
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Beeinflussung der Grundwassertemperatur durch Wärmeentzug und Wärmeeintrag : theoretische Grundlagen
(1983) Kobus, Helmut
Wärmepumpen sind eine Möglichkeit, die im Untergrund gespeicherte Umgebungswärme zu nutzen und so einen Beitrag zur Einsparung von Primärenergie zu leisten. Überlegungen zur thermischen Nutzung des Grundwassers müssen sich an den vorrangigen Belangen der Trinkwasserversorgung orientieren. Einer energiewirtschaftlich sicher wünschenswerten Ausweitung des Einsatzes von Wärmepumpen steht auch entgegen, daß die zu erwartenden Veränderungen der Temperaturen im Grundwasserleiter durch den Betrieb der Anlage noch nicht mit genügender Sicherheit beurteilt werden können. Dieser Frage ist der vorliegende Beitrag gewidmet. Es werden die theoretischen Grundlagen der Wärmeausbreitung im Untergrund angesprochen und der derzeitige Wissensstand über die Entwicklung der Temperaturanomalie im Bereich einer Warm- oder Kaltwassereinleitung dargelegt.
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Beeinflussung von Grundwassertemperaturen durch Wärmepumpen
(1980) Kobus, Helmut; Mehlhorn, Hans
Grundwasserbetriebene Wärmepumpen sind energiewirtschaftlich zwar wünschenswert, doch steht ihrem verstärkten Einsatz derzeit noch entgegen, daß über die Auswirkungen solcher Anlagen auf das Grundwasser bisher nur sehr wenig bekannt ist. Im vorliegenden Beitrag werden zunächst die Grundlagen der Wärme- und Schadstoffausbreitung in Grundwasserleitern behandelt und die Transportmechanismen Konvektion, Dispersion und Wärmeleitung erläutert. Für einfache Strömungsfälle werden quasi-stationäre Lösungen zur Abschätzung der langfristig zu erwartenden Temperaturanomalie vorgestellt. Die Bedeutung von dispersiven Vermischungseffekten sowie von Schichtungseffekten zufolge temperaturbedingter Dichteunterschiede wird ebenfalls diskutiert. Damit liefert der Aufsatz einen ersten Beitrag zur Quantifizierung der Umweltauswirkungen von Wärmepumpen.
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Ein Beitrag zur Bemessung der engeren Schutzzone in Porengrundwasserleitern
(1980) Spitz, Karlheinz; Mehlhorn, Hans; Kobus, Helmut
Eine wichtige wasserwirtschaftliche Aufgabe zur Sicherung der Grundwasservorkommen als Trinkwasserreserven besteht in der Ausweisung von Wasserschutzgebieten. Die Begrenzung der engeren Schutzzone wird hierbei durch eine vorgegebene Mindestverweilzeit (in der Regel 50 Tage) festgelegt. Es wird ein einfaches analytisches Berechnungsverfahren vorgestellt, das die Ermittlung der 50-Tage-Linie für den Einzelbrunnen in einem Grundwasserstrom exakt und ohne mathematische Vereinfachungen ermöglicht. Zudem wird erstmals der Einfluß von Vermischungseffekten quantitativ berücksichtigt. Die vorgestellte Methodik läßt sich auf beliebige Strömungskonfigurationen wie Brunnengruppen oder Uferfiltrationsbrunnen erweitern.
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Bemessungsgrundlagen und Anwendungen für Luftschleier im Wasserbau
(1973) Kobus, Helmut
Eine semi-empirische Analyse des durch einen Luftschleier erzeugten Strömungsfeldes in einem seitlich unbegrenzten Wasserkörper wurde sowohl für Einzeldüsen als auch für Düsenreihen auf der Grundlage des heutigen Wissensstandes über das Verhalten von Gasblasen in Flüssigkeiten und über Auftriebstrahlströmungen durchgeführt. Die empirischen Beiwerte wurden aus umfangreichen Versuchen für den gesamten in der Praxis interessanten Parameterbereich ermittelt. Es ergibt sich eine für Bemessungszwecke geeignete, geschlossene Ingenieurlösung in guter Übereinstimmung mit Meßdaten. Die Beschreibung des Strömungsfeldes dient als Grundlage für die Bemessung von Luftschleieranlagen zur Anwendung im Wasserbau und im Gewässerschutz als pneumatische Ölsperren, als Anlagen zur Eisfreihaltung, zur Beeinflussung von Dichteströmungen aufgrund von Temperatur-, Salzgehalt- oder Feststoffgehalt-Unterschieden, zur Beeinflussung von Dichteschichtungen in stehenden Gewässern, zur künstlichen Gewässerbelüftung, oder als pneumatische Wellenbrecher. Für jede dieser Anwendungen wird die Wirkungsweise und der Effekt einer Luftschleieranlage beschrieben und deren Bemessung anhand eines Zahlenbeispiels dargestellt. Die Arbeit liefert damit eine Grundlage zur Beurteilung der Einsatzmöglichkeiten für Luftschleier nach technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten.
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Berechnungsgrundlagen für Wärmeausbreitung und -transport im Grundwasser
(1983) Kobus, Helmut
Es wird ein Überblick über die Berechnungsgrundlagen zur Erfassung von Wärmeausbreitungsvorgängen im Untergrund gegeben. Für anthropogene Wärmeeinleitungen werden die wesentlichen Einflußgrößen identifiziert. Die für die Ausbildung einer Temperaturanomalie maßgeblichen Transportmechanismen werden beschrieben. Anhand der Beschreibungsgleichungen für die Grundwasserströmung und den Wärmetransport wird deutlich, daß es sich hierbei um gekoppelte Prozesse handelt, deren simultane Lösung von komplexer Natur ist. Mit der Zielsetzung, praktikable Ingenieurlösungen zu erarbeiten, wird deshalb eine konzeptionelle Gliederung in einen Nahbereich, in dem Auftriebseffekte dominieren, einen Zwischenbereich mit Temperaturschichtungen und einen Fernbereich vorgenommen. Es werden Forschungsergebnisse von Untersuchungen im Nahfeld vorgestellt, die eine Eingrenzung der Auftriebseffekte ermöglichen. Für die Behandlung der großräumigen Temperaturausbreitung wird das Verweilzeitenkonzept herangezogen, mit dessen Hilfe die Temperaturanomalie näherungsweise berechnet werden kann, sofern die vertikalen Wärmeaustauschvorgänge mit der Atmosphäre hinreichend genau erfaßt werden können. Für einzelne Einleitungen lassen sich Näherungslösungen für Planungszwecke angeben. Erstrebenswertes Ziel ist es, regionale Wärmebilanzmodelle für Grundwasserleiter zu erstellen, die als Planungshilfe bei der Bewirtschaftung der Grundwasservorräte unter Berücksichtigung der vorrangigen Belange der Trinkwasserversorgung eingesetzt werden können.
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Berechnungsmethode für Luftschleier-Strömungen zur Auslegung von Preßluft-Ölsperren
(1972) Kobus, Helmut
Eine Berechnungsmethode für die durch einen Luftschleier induzierte Wasserströmung wird hergeleitet und als Grundlage zur Bemessung von Preßluft-Ölsperren benutzt. Die Abhängigkeit der maximalen Oberflächengeschwindigkeit von dem Luftstrom und von der Wassertiefe wird diskutiert; das Ergebnis wird mit empirischen Formeln und den verfügbaren Natur- und Labormessungen verglichen. Widersprüchlichkeiten der herkömmlichen Formeln finden eine Erklärung, die Übereinstimmung zwischen Messungen und Berechnung ist zufriedenstellend.
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Berechnungsmethode für Luftschleier-Strömungen zur Auslegung von Preßluft-Ölsperren [Erwiderung auf den Diskussionsbeitrag von E. Stehr]
(1973) Kobus, Helmut
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Beschreibung von Einleitungsvorgängen in Gewässern
(1976) Kobus, Helmut
Für die Planung im Gewässerschutz ist es wesentlich, die Schadstoffkonzentrationen im Gewässer zu kennen. Man braucht Vorhersagemethoden, mit deren Hilfe die Schadstoffkonzentrationen an jedem Ort des Gewässers und zu jedem Zeitpunkt als Folge der jeweils vorgegebenen Einleitungsverhältnisse bestimmt werden können. Hierzu sind Dispersionsmodelle erforderlich, welche die komplexen Ausbreitungs- und Transportvorgänge in natürlichen Gewässern beschreiben. Die Kenntnis der grundlegenden Gesetzmäßigkeiten solcher Strömungsvorgänge ist als Basis jeglicher planerischer Gewässerschutzmaßnahme unerläßlich. Deshalb soll hier der Frage nachgegangen werden, weshalb Einleitungsvorgänge überhaupt im Einzelnen untersucht werden müssen, und welche Methoden zur Beschreibung von Ausbreitungs- und Transportvorgängen zur Verfügung stehen. Die Anwendungsmöglichkeiten und Grenzen dieser Methoden sollen anhand von zwei Beispielen erläutert werden. Im ersten Beispiel wird gezeigt, welche Rolle der Beschreibung der Einleitvorgänge bei der Planung einer Abwassereinleitung ins Meer zukommt, und als zweites Beispiel wird die Einleitung erwärmten Kühlwassers in einen Fluß diskutiert. Anhand dieser beiden sehr unterschiedlichen Einleitungsarten in sehr unterschiedliche Gewässerkörper soll der derzeitige Wissensstand über Einleitungsvorgänge in Gewässer und deren Modellbeschreibung illustriert werden.