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unilogo Universität Stuttgart
Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung - IWS

Abstract

 
   

"Untersuchung von interstitialen Strömungsfeldern in homogenen idealisierten Sedimenten in einer Versuchsrinne mittels PIV"

Interstitiale Strömungen in Flusssystemen sind ein bisher wenig erforschter Bereich. Entgegen der vereinfachten Annahme eines geschlossenen, nicht durchlässigen Flussbetts in Experimenten, Modellen und Simulationen bzw. der Annahme von Darcy-Strömungen, findet ein hydraulischer Austausch zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser (hyporheischer Austausch) statt, wobei die Turbulenzen an der Wasser-Sediment-Grenzfläche massiv die Strömungscharakteristik in den Poren (interstitiale Strömung) beeinflussen. Die Untersuchung einer rauen permeablen Sohle im wasserbaulichen Labor soll Aufschluss darüber geben, welchen Einfluss diese auf den Porenraum hat und welche Strömungsprozesse und turbulenten Kräften darin auftreten. In einem Laborexperiment werden in einer Versuchsrinne Strömungsfelder in homogenen idealisierten Sedimenten untersucht. Mit der Particle Image Velocimetry (PIV), einer optischen berührungsfreien Technik, können zweidimensionale Geschwindigkeitsfelder über di e Bewegungen von Partikeln in einem Fluid bestimmt werden. Die künstliche Sohle besteht aus einer kubisch-zentrisch gelagerten Kugelpackung mit einem Kugeldurchmesser von D = 0,04 m. Dies ermöglicht die Untersuchung bei gleichbleibenden Bedingungen in einer einfachen bekannten Geometrie. Der Bildausschnitt mit einer Größe von etwa 0,16 m x 0,16 m, den die Kamera bei der Messung aufnimmt, wird auf den Bereich über der Sohle oder der Poren im Untergrund ausgerichtet. Dadurch lassen sich differenzierte Aussagen über das zweidimensionale Geschwindigkeitsfeld, Strömungsprozesse und turbulente Ereignisse treffen, die an der Sohle oder in den Poren selbst auftreten. Die Einstellungen der PIV sind ganz individuell jeder Messung anzupassen. Zur Bestimmung der hydraulischen Randbedingungen und zur Optimierung der Parameter werden zunächst Vorversuche durchgeführt. Das weitere Messprogramm besteht aus drei Versuchsreihen, die unterschiedliche Abflussbedingungen (unterschiedliche Reynolds- und Froude-Zahlen) aufweisen, um deren Einfluss auf die Porenströmung zu untersuchen. In einer ersten Versuchsreihe wird die Oberflächenströmung über der Wasser-Sediment-Grenzfläche untersucht, während für die weiteren Versuchsreihen zusätzlich eine bis drei Poren unterhalb der Grenzfläche betrachtet werden. Die Kugelpackung besitzt in ihrer Packungsstruktur verhältnismäßig große Poren, sodass es mit einer von außen darauf gerichteten Kamera einen guten optischen Zugang gibt. Die hohe räumliche Auflösung und der hohe Detailgrad der PIV machen diese Technik zu einer guten Wahl für die Erfassung der Geschwindigkeitsfelder und der auftretenden Turbulenzcharakteristiken. Die Ergebnisse zeigen, dass an der Gewässersohle eine Strömung vertikal aus dem Porenraum aufsteigt, die auf die Hauptströmung trifft. Dies führt zu Rotation und es entstehen Wirbel im Bereich zwischen den obersten Kugeln. Mit der Untersuchung der turbulenten Größen Reynolds-Spannung und kinetischer Energie (TKE) wird sicht bar, dass hier Scherkräfte und Energiedissipation am höchsten sind, bedingt durch die senkrecht aufeinander treffenden Strömungen. In den oberen Poren spiegelt sich diese Aufwärtsbewegung wider. Je nach Abflusseinstellungen treten aber andere Strömungsverhalten auf. Bei geringen Reynolds-Zahlen beeinflusst der freie Abfluss den Porenraum kaum und es treten Geschwindigkeiten auf, die der Hauptströmungsrichtung entgegengesetzt sind. Turbulentere Abflussbedingungen wirken sich in der Folge auch stärker auf die Poren aus. Es dominieren düsenartige Ströme, die horizontal in die Poren eintreten, sich ein wenig abschwächen und größtenteils horizontal wieder austreten. Bei der Betrachtung von drei Poren in unterschiedlicher Höhe fällt auf, dass die Geschwindigkeiten in den unteren Poren größer sind. Ebenso zeigen sich vertikale Bewegungen, die ein tendenzielles Aufsteigen der Strömung aus den Poren beschreiben. Dieser Effekt kommt vermutlich zustande, weil die Rinne einen unteren Rand, aber nach oben hin eine offene Sohle besitzt. Die Particle Image Velocimetry ist eine Messtechnik, die sich stetig mit dem technischen F ortschritt weiterentwickelt und viele Anwendungsmöglichkeiten bietet. In dieser Arbeit werden mithilfe dieser Technik hochauflösende Aufnahmen über der Sohle und im Untergrund gemacht und daraus Geschwindigkeiten und turbulente Phänomene bestimmt. Im Rahmen der Arbeit wurden verschiedene Optimierungsmöglichkeiten für die PIV-Messungen identifiziert. Zum einem sollte die Zufuhr von Seeding-Partikeln optimiert werden, damit höhere Konzentrationen möglich sind, zum anderen sollten die PIV-Einstellungen für Porenströmung und Oberflächenströmung aufgrund der großen Geschwindigkeitsunterschiede getrennt erfolgen. Bei der verwendeten Standard PIV handelt es sich im Prinzip nur um die Grundausführung. Für die großskalige Erfassung von Geschwindigkeitsfelder mit Bildausschnitten der freien Strömung von mehreren Zentimetern ist diese gut geeignet. Für zukünftige Arbeiten wäre es interessant, die Untersuchung auf die dritte Raumdimension mit der stereoskopischen PIV zu erweitern oder Anpassung en für die intensivere Betrachtung der Porenstrukturen vorzunehmen.