Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Thematik des hydraulischen Feststofftransports in Druckrohrleitungen zur Bestimmung der hydraulischen Energieverluste des Wasser-Feststoff-Gemisches und der wirtschaftlichen Gemischgeschwindigkeit (der s. g. kritischen Geschwindigkeit).
Zu diesem Zweck wurde der Feststoff-Transport-Prozess in Rohrleitungen mithilfe von zwei im Hubert-Engels-Labor des Instituts für Wasserbau und Technische Hydromechanik der Technischen Universität Dresden aufgebauten Modellen untersucht. Die Untersuchungen fanden sowohl in horizontaler als auch in ±15° geneigten Leitungen statt. Die Rohrleitung wies einen Durchmesser von 100mm auf.
Als Feststoff kamen hauptsächlich zwei Sandfraktionen zum Einsatz (0,71-1,25 mm und 1,4-2,2 mm) und zum Teil auch eine feinere Sandfraktion (0,1-0,5 mm) mit einer Partikeldichte von 2650 kg/m³. Dabei wurden Transportkonzentrationen bis maximal 5 % erreicht.
Ziel der Untersuchungen war, mithilfe der Messdaten eine Formel zur Berechnung des Verlustanteils der dispersen Phase an dem gesamten Energieverlust besonders für das heterogene und das quasi-homogene Transportregim in Abhängigkeit von den Einflussgrößen (Dichte, Konzentration, Partikeldurchmesser etc.) abzuleiten.
Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit war, die kritische Gemischgeschwindigkeit genauer zu betrachten und einen entsprechenden Rechenansatz aufzustellen. Diese Geschwindigkeit stellt den Übergang von dem Transport mit beweglicher Sohle zum heterogenen Feststofftransport dar und ist für den stabilen und wirtschaftlichen Betrieb der Rohrleitung von besonderer Relevanz.
Nach Abschluss der physikalischen Versuche erfolgte die Auswertung der Messdaten, so dass zunächst ein Verlustdiagramm für jede Rohrstrecke und jede Sandfraktion erstellt wurde. Im Anschluss wurden die Messergebnisse mit den Ansätzen bekannter Autoren nachgerechnet und verglichen.
In einem weiteren Schritt erfolgte eine Ableitung von Rechenansätzen sowohl für den Energieverlust als auch für die Kritische Gemischgeschwindigkeit.
Des Weiteren wurde der Feststofftransport mit der Software ANSYS-Fluent numerisch untersucht. Im Fokus der Modellierung stand die Festsetzung der Wandrandbedingung für die disperse Phase, mit Hilfen derer die physikalisch gemessenen Energieverluste des Wasser-Feststoff-Gemisches erreicht werden konnten. Die Simulationen wurden mit dem Euler-Granular-Modell durchgeführt. Hierbei wird der Feststoff als zweites Kontinuum betrachtet und seine rheologischen Eigenschaften wurden durch die Erweiterung der kinetischen Theorie der Gase auf die disperse Phase (eng. kinetic theory of granular flow KTGF) berechnet.
Um sicherzustellen, dass die Ergebnisse des numerischen Modells realitätsnah sind, war es unerlässlich, das Modell anhand der in der Literatur vorhandenen Experimente zu validieren. Es wurden daher experimentelle Versuche sowohl in horizontaler als auch in geneigter und vertikaler Rohrleitung ausgewählt und numerisch mit dem Euler-Granular-Modell modelliert und die Ergebnisse anschließend verglichen.
Die numerische Berechnung einer partikelbeladenen Strömung mit dem angewendeten zwei-Fluid-Modell (TFM) hat sich als effiziente Methode zur Nachbildung der realen Strömungsgrößen für alle möglichen vorkommenden Feststoffkonzentrationen bewährt und liefert gute bis sehr gute Übereinstimmung mit den Messergebnissen.
Aktualisiert: 2021-10-28
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Aktualisiert: 2023-01-31
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Climate change "It is, simply, the greatest collective challenge we face as a human family" sagte
UN Generalsekretär Ban Ki-moon in 2009. Auch im jetzt bereits 5. Assessment Report geht das
Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) davon aus, dass die globale Erwärmung der
Erde zumindest mittelfristig weiter zunehmen wird, mit den daraus resultierenden Folgen für
meteorologische Prozesse, Umweltbedingungen und Ökosysteme, Mensch sowie Infrastruktur
und Wirtschaft. Der Anstieg der Temperaturen und der Anstieg des Meeresspiegels sind bereits
heute aus Messreihen deutlich zu erkennen. Zumindest von den Schäden her nehmen auch Zahl
und Heftigkeit hydro-meteorologischer Extremereignisse weltweit zu.
Seit mehreren Jahren stellen Untersuchungen zu den Auswirkungen des Klimawandels auf
wasserbauliche und wasserwirtschaftliche Systeme und mögliche Anpassungsmaßnahmen einen
Schwerpunkt der Arbeiten des Instituts für Wasserbau der TUHH dar. In diesem Zusammenhang
wurde eine Vielzahl von Forschungsvorhaben durchgeführt.
Küsten, Ästuare und deren Nebenflüsse sind als Grenzzonen zwischen Meer und Land von den
aus dem Klimawandel resultierenden Veränderungen besonders betroffen. Ein höherer mittlerer
Meeresspiegel führt zu höheren mittleren und extremen Wasserständen und zu Veränderungen im
Tidegeschehen. Eine Zunahme der Sturmintensität führt zu weiter erhöhten
Sturmflutwasserständen. Veränderte Niederschlagsregime und intensivere Niederschläge führen
zu Veränderungen im Abflussgeschehen und im Wasserhaushalt. Insgesamt wird sich das
hydrodynamische Geschehen zukünftig verändern. Dies führt dann zwangsläufig dazu, dass sich
auch die Transportprozesse verändern. Zudem sind Küsten, Ästuare und deren Nebenflüsse in
vielerlei Hinsicht besonders sensible Systeme und unterliegen einem hohen Nutzungsdruck. Dies
trifft natürlich auch auf das Elbeästuar und die tidebeeinflussten Elbe-Nebenflüsse (Medem, Oste,
Stör, Krückau, Pinnau, Schwinge, Lühe, Este, Alster, Bille Seeve und Ilmenau) zu.
Um die Auswirkungen des Klimawandels auf die vorgenannten Bereiche bewerten zu können und
als Grundlage für eine Anpassung an den Klimawandel sind quantitative Aussagen zu den zu
erwartenden Veränderungen erforderlich. Während insbesondere die hydrodynamischen Prozesse
in den Hauptströmen der Ästuare zumeist recht gut untersucht und beschrieben sind und dort auch
ein wasserbauliches Systemverständnis bereits recht weit fortgeschritten ist, sind Messungen und
Analysen aus wasserbaulicher Sicht für Nebenflüsse bisher nur selten und dann praktisch
ausschließlich projektbasiert durchgeführt worden. Systematische Analysen hierzu liegen
praktisch nicht vor. Vielfach fehlt es zudem bereits an den hierzu erforderlichen Daten und
Modellergebnissen. D.h. die Grundlagen für eine Bewertung von Veränderungen muss zunächst
durch eine systematisch Analyse noch geschaffen werden.
Die in diesem 19. Band der Hamburger Wasserbauschriften veröffentlichte und somit nun
allgemein vorliegende Dissertation von Herrn Dr. Edgar Nehlsen ist die erste umfassende
wissenschaftliche Arbeit, die sich aus wasserbaulicher Sicht mit der Systemanalyse für
Nebenflüsse von großen Ästuaren und darauf aufbauend mit der Quantifizierung der
Auswirkungen des Klimawandels befasst. Herr Dr. Nehlsen hat ein sehr aktuelles und
gesellschaftlich relevantes Thema aufgegriffen, welches zudem hochkomplex ist. Die vielfältigen
Ergebnisse der Arbeit helfen, mögliche negative Auswirkungen des Klimawandels quantitativ
abzuschätzen und entsprechende Anpassungsmaßnahmen frühzeitig zu planen und umzusetzen.
VI
Der Grundstein für die Arbeit von Herrn Dr. Nehlsen wurde in dem Forschungsvorhaben
KLIMZUG-Nord gelegt. Seine Arbeiten haben maßgeblich zum Erfolg dieses Vorhabens
beigetragen. Die Ergebnisse seiner Arbeiten sind bereits direkt in mehrere praktische
Forschungsvorhaben eingeflossen. KLEE – Klimaanpassung im Einzugsgebiet der Este – und
KAREL – Klimaanpassung des Regenwassernetzes von Elmshorn und Umland – sind zwei gute
Beispiele aus denen konkrete Anpassungsmaßnahmen an den Klimawandel abgeleitet und auch
umgesetzt werden.
Es freut mich persönlich sehr, dass Herr Dr. Nehlsen seine vielfältigen Arbeiten am Institut mit
der vorliegenden Schrift zu einem sehr guten Abschluss gebracht hat. Darüber hinaus freut es
mich natürlich auch, dass Herr Dr. Nehlsen dem Institut für Wasserbau der TUHH auch nach
Abschluss seiner Dissertation als Oberingenieur treu geblieben ist und mich als einer der
leitenden wissenschaftlichen Mitarbeiter des Instituts bei der Arbeit im Institut hervorragend
unterstützt. Es macht Spaß mit ihm zusammenzuarbeiten und seine fachlichen und menschlichen
Kompetenzen zu sehen.
Dem interessierten Leser lege ich die Arbeit von Herrn Dr. Nehlsen mit dem Titel
„Wasserbauliche Systemanalyse zur Bewertung der Auswirkungen des Klimawandels für
tidebeeinflusste Nebengewässer der Elbe“ sehr ans Herz. Sie enthält eine Fülle von wichtigen
Ergebnissen für zukünftige wasserbauliche und wasserwirtschaftliche Planungen.
Peter Fröhle
Leiter des Instituts für Wasserbau der TUHH
Aktualisiert: 2022-12-22
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Aktualisiert: 2023-04-04
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Im Rahmen eines von der DFG geförderten Bündelprojektes wurden über sechs Jahre Untersuchungen zum geomorphologischen Prozessgeschehen und dem damit verbundenen Sedimenthaushalt in zwei Einzugsgebieten der nördlichen Kalkalpen durchgeführt. Hierbei wurden Prozesse wie Muren, Lawinen, Rutschungen oder Sturzprozesse untersucht. Die vorliegende Arbeit beschäftigte sich in diesem Zusammenhang mit der Erforschung der fluvialen Hangprozesse. Hierzu wurden zwischen 2000 und 2006 detaillierte Messungen zum fluvialen Feststoffaustrag und zum Abtrag von insgesamt 32 Testflächen durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Messungen wurden analysiert und fanden dann Eingang in ein GIS gestütztes Modell zur Regionalisierung des fluvialen Feststoffaustrags aus Hangeinzugsgebieten alpiner Täler. Das Modell bietet so die Möglichkeit, fluvialen Feststoffaustrag aus Hangeinzugsgebieten vorherzusagen.
Aktualisiert: 2023-01-31
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Obwohl Schneelawinen als geomorphologischer Prozess in der wissenschaftlichen Literatur zum Sedimenthaushalt alpiner und arktischer Geosysteme als signifikant beurteilt werden, sind die Kenntnisse über die Höhe des Sedimenttransports, die Intensität der Formung und die Steuerungsfaktoren der geomorphologischen Aktivität bislang lückenhaft. Im Rahmen eines Forschungsprojektes zum Kaskadensystem des Sedimenthaushaltes in Hochgebirgen wurden in zwei Untersuchungsgebieten in den Bayerischen Kalkalpen mehrjährige prozessgeomorphologische Untersuchungen durchgeführt, die eine Quantifizierung des Beitrags von Lawinen zum Sedimenthaushalt alpiner Einzugsgebiete und die Analyse der steuernden Faktoren zum Ziel hatten. Aus den über 120 kartierten und beprobten Ereignissen konnten Erkenntnisse über die Höhe des Abtrags, des Transports und der Ablagerung gewonnen werden. In der Arbeit ausführlich beschriebene GIS-basierte Modelle dienten anschließend als Grundlage für die räumliche Abgrenzung der potenziellen Prozessgebiete, einer genaueren Abschätzung der Abtragsintensität und der Analyse verschiedener Einflussfaktoren auf die Lawinenerosion
Aktualisiert: 2023-01-31
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