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Hydraulik I

Hydraulik I. 1. Einführung und Eigenschaften des Wassers. W. Kinzelbach. Wasserdiziplinen. Grundlagenfächer Hydromechanik (Hydraulik) Hydrologie Anwendung Wasserwirtschaft Wasserbau Siedlungswasserwirtschaft. Wo wird Hydromechanik benötigt? (1). Wasserversorgung

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Presentation Transcript

  1. Hydraulik I 1. Einführung und Eigenschaften des Wassers W. Kinzelbach

  2. Wasserdiziplinen • Grundlagenfächer • Hydromechanik (Hydraulik) • Hydrologie • Anwendung • Wasserwirtschaft • Wasserbau • Siedlungswasserwirtschaft

  3. Wo wird Hydromechanik benötigt? (1) • Wasserversorgung • Grundwasserfassungen und Brunnen • Trinkwassertalsperren • Rohrleitungsnetze und Behälter • Siedlungswasserbau • Kanalisation • Kläranlagen • Binnenschiffahrt und Flussbau • Staustufen und Schleusen • Kanäle und Hafenanlagen • Sediment- und Geschiebetransport

  4. Wo wird Hydromechanik benötigt? (2) • Energiewirtschaft • Wasserkraftwerke • Kühlwasser für Wärmekraftwerke • Pumpspeicherung • Hochwasserschutz • Hochwasserrückhaltebecken, Retentionsräume • Dämme und Schutzmauern • Seebau und Küstenschutz • Neulandgewinnung und Uferschutz • Deiche, Sperrwerke und Häfen • Offshore-Technik

  5. Wo wird Hydromechanik benötigt? (3) • Konstruktiver Ingenieurbau • Belastung von Bauwerken durch Wind und Wasser • Bodenmechanik • Umweltschutz • Altlastensanierung • Gewässerrenaturierung • Schadstoffausbreitung • Landwirtschaftlicher Wasserbau • Bewässerung und Beregnung • Entwässerung und Dränage • Wasserfassungen

  6. Gliederung der Vorlesung • Einführung • Hydrostatik • Hydrodynamik idealer Fluide • Hydrodynamik realer Fluide • Strömungskräfte • Verlustfreie Rohrströmung • Rohrströmung mit Verlusten • Verlustfreie Gerinneströmung • Gerinneströmung mit Verlusten • Grundwasserströmung

  7. Tätigkeiten • Berechnung von Strömungen (Verteilung von Druck und Fliessgeschwindigkeiten) • Berechnung von Kräften, die durch Strömungen verursacht werden • Ziel: Dimensionierung

  8. Empfohlene Bücher • ... • ... • G. Bollrich, G. Preissler, Technische Hydromechanik, Bd. 1, Grundlagen, 5. Auflage 2000, 456 S., ISBN: 3-345-00744-4, Verlag für Bauwesen • … • ….

  9. Hydrostatik Fliessgeschwindigkeit = 0 Hydrodynamik Fliessgeschwindigkeit >0 Ideale Fluide Zähigkeit = 0 Reale Fluide Zähigkeit > 0

  10. Fluid Was ist ein Fluid? • Fluide (Gase und Flüssigkeiten) und Festkörper • Unterschied • Fluidpartikel können sich frei gegeneinander bewegen und fliessen unter der kleinsten tangentialen (Scher-) Kraft. Sie reagieren auf Scherspannungen mit einer Verformungsgeschwindigkeit • Festkörper reagieren auf Scherspannungen mit einer endlichen Verformung Scherspannung t Festkörper

  11. Scherung eines Festkörpers Resultierende Deformation durch Schubspannung Deformationsgeschwindigkeit eines Flüssigkeitselements

  12. Flüssigkeit: grosse Dichte, starke Anziehungskräfte, behält Volumen bei, bildet freie Oberfläche aus Expandiert Gas Freie Oberfläche Flüssigkeit Arten von Fluiden • Flüssigkeiten und Gase – Was ist der Unterschied? • Gas: Schwache Anziehungskräfte, füllt den ganzen zur Verfügung stehenden Raum aus, bildet keine Oberfläche aus Im Folgenden interessiert das Fluid Wasser

  13. Eigenschaften des Wassers • Dichte • Viskosität • Oberflächenspannung • Wärmeausdehnung • Kompressibilität • Dampfdruck • Spezifische Wärme • Löslichkeit von Gasen

  14. Dichte (1) Wichtig für: Hydrostatischen Druck, Trägheitskräfte • Definition: Masse pro Volumeneinheit • Anomalie des Wassers

  15. Dichte (2) • Masse pro Volumen (z. B. bei 20 oC, 1 atm) • Wasser rWasser = 1000 kg/m3 • Quecksilber rHg = 13500 kg/m3 • Luft rLuft = 1.22 kg/m3 • Dichte von Gasen nimmt mit Druck zu (Kompressibilität) • Dichte von Flüssigkeiten ist nahezu konstant (inkompressibel) bei konstanter Temperatur

  16. Stoff Dichte [kg/m3] reines Wasser 0°C 4°C 30°C 999,8 999.9 995.7 Eis 0°C 917 Salzwasser 3.5% Salzgehalt (Nordsee) 1026 Salzwasser 0.94% Salzgehalt (Ostsee) 1007 Quecksilber 20°C 13546 Heizöl 800 - 900 Benzin 700 Trichlorethen 1300 Luft (bei 1013 Pa und 10°C) 1.25

  17. Dichte (3): Anomalie des Wassers • Grösste Dichte bei 4°C • Funktionaler Zusammenhang (näherungsweise) T in °C r, rmax in t/m3

  18. Spezifisches Gewicht • Gewicht pro Volumen (z. B. bei 20 oC, 1 atm) gwater = (998 kg/m3)(9.807 m2/s) = 9790 N/m3 gair = (1.205 kg/m3)(9.807 m2/s) = 11.8 N/m3

  19. Viskosität (1) Wichtig für: Strömungszustand (laminar-turbulent), Fliesswiderstände Definition der Schubspannung Schubspannung hängt von Geschwindigkeitsgradienten ab Newton‘sche Flüssigkeit h Dynamische Viskosität (N/m2) Allgemein

  20. Stoff  (20) 10-6 m2/s  Wasser 1.0 Glycerin 971 Trichlorethen 0.15 Viskosität (2) Kinematische Viskosität (m2/s)

  21. Viskosität (3) Viskosimeter v0 Bahngeschwindigkeit d t aus M Drehmoment M Rotierender Zylinder Feststehender Zylinder

  22. Luft Phasengrenze Wasser Nettokraftnach innen Keine Nettokraft Oberflächenspannung (1) • Wichtig für: Höhe des Kapillarsaums im Grundwasser, Massstabseffekte im wasserbaulichen Versuchsmodell, Messwehre bei kleinen Überfallhöhen, Mehrphasenströmung Pro Flächenzuwachs zu verrichtende Arbeit: (N/m) swasser= 0.073 N/m (bei 20oC)

  23. Oberflächenspannung (2) Kapillarspannung r1, r2, Krümmungsradien In kreisrunder Kapillare mit Benetzungswinkel f f Bei Wasser - Glas:

  24. Beispiele (1) Kapillarer Anstieg zwischen zwei Platten und in Rohr Unterschied: Bei Platten ist ein Krümmungsradius 0 Bei Rohr sind beide Krümmungsradien gleich Anstieg aus Gleichgewichtsbedingung: Gewicht=OS-Kraft

  25. Beispiele (2) Druck in einer Seifenblase Vorsicht, zwei Oberflächen bei Seifenfilm Druck aus Gleichgewichtsbedingung: Druckkraft = OS-Kraft OS-Kraft Halbe Seifenblase Schnittprinzip Druckkraft OS-Kraft

  26. Temperatur [°C] 0 5 10 15 20 30 Sauerstofflöslichkeit [mg/l] 10.2 8.9 7.9 7.0 6.4 5.2 Löslichkeit von Gasen (Sauerstoff) • Wichtig für: künstliche Belüftung (Kläranlagen, Seen, Wehre), Leitungen mit Unterdruck, Wasseraufbereitung, aquatische Fauna

  27. Kompressibilität (1) • Wichtig für: Schallausbreitung in der Flüssigkeit, Druckstossvorgänge, Grundwasserspeicherung in gespanntem Aquifer Definition von Kompressibilität k Für Wasser bei 10°C: k = 4.73 10-10 m2/N Schallgeschwindigkeit In Wasser bei 20°C ca. 1490 m/s

  28. Kompressibilität (2) • E-Modul (Inverses der Kompressibilität) • Deformation pro Druckänderung • für Wasser E = 2.2 GPa • 1 MPa Druckänderung entspricht = 0.05% Volumenänderung • Wasser ist relativ inkompressibel

  29. Wärmeausdehnung • Wichtig für Dichteschichtung in Gewässern, Behälterauslegung Definition Wärmeausdehnungskoeffizient r = 1000 kg/m3, T in oC

  30. Dampfdruck • Wichtig für Heber und Siphon, Ansaugseite von Pumpe, Kavitation Wasser kocht, wenn Aussendruck= Dampfdruck

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