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Synoptische Messung von Druck- und Geschwindigkeitsfeldern zur Analyse der Interstitialbelastung

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Beschreibung

Im Rahmen des BWPLUS-geförderten Forschungsprojektes BWR 25003 wurden die instationären hydrodynamischen Vorgänge über und innerhalb rauer, poröser Flusssohlen experimentell erfasst. Ziel war eine Identifikation der maßgeblichen Interaktionsmechanismen zwischen Hauptströmung und Interstitial, um zukünftig verbesserte Ansätze zu Sedimentstabilitäts- und Transportfunktionen zu entwickeln. Zur Prozessvisualisierung wurden simultan bis zu 16 miniaturisierte hochsensible Drucksensoren an und innerhalb der Gerinnesohle sowie ein 2-D PIV (Particle Image Velocimetry) System eingesetzt.

Messergebnisse zeigen eine Selbstorganisation der Strömung mit in sich geschlossenen Fluidzonen unterschiedlicher Geschwindigkeit. Diese skalieren mit der Wassertiefe h in einer Größenordnung von 0,1 bis 3,0 h. Bei der Interaktion, d.h. beim „Überholvorgang" einer schnelleren mit einer langsameren Fluidzone ergibt sich ein typischer Winkel von 10-30° gegen die Sohle für die resultierende Scherzone. Verbunden mit der Passage dieser Scherzone konnte ein signifikanter Druckabfall im Interstitial gemessen werden. Es wird die Hypothese aufgestellt, dass der aus dem Druckabfall resultierenden Liftkraft verbunden mit einer nachfolgenden schnelleren Fluidzone eine zentrale Rolle bei der Initialbewegung eines einzelnen Kieskorns, und demnach der Destabilisierung der Sohle, zukommt. Ein auf der Eulergleichung beruhendes Modell zur Abschätzung der resultierenden Liftkraft bestätigt diese Annahme.

Die gesammelten Messdaten werden in den kommenden Monaten einer weiteren detaillierten Analyse und Bewertung hinsichtlich obiger Hypothese unterzogen. Weiter sollen sie mit CFD Simulationen (LES) über Kugelpackungen verglichen werden, sowohl um die numerischen und physikalischen Ergebnisse gegenseitig zu validieren, als auch um das Prozessverständnis auf messtechnisch schwer oder nicht erfassbare Bereiche zu erweitern.