Browsing by Author "Westrich, Bernhard (Prof. Dr.-Ing habil.)"

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Selektive Sedimentation von Feinstschwebstoffen in Wechselwirkung mit wandnahen turbulenten Strömungsbedingungen
(2005) Dreher, Thomas; Westrich, Bernhard (Prof. Dr.-Ing habil.)
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.