Eine Analyse zum Strömungswiderstand natürlicher Fließgewässer mit ausgeprägter Sohlstrukturierung

Sabrowski, Michael

Übliche Ansätze zur Quantifizierung des Strömungswiderstandes natürlicher Fließgewässer mit geringer relativer Überdeckung und ausgeprägter Sohlstrukturierung basieren auf der Abhängigkeit von einem konstanten charakteristischen Rauheitsparameter. Diese Annahme ist nur für die turbulente rotationssymmetrische Rohrströmung mit hoher relativer Überdeckung gültig. Die Quantifizierung der Widerstandsprozesse mit einem konstant erhöhten Rauheitsmaß für die betrachteten Randbedingungen erfasst nicht die individuellen Charakteristiken von Rauheitsstruktur und integralem Strömungsfeld an unterschiedlichen Gewässerabschnitten sowie identischen Gewässerabschnitten bei Abflussvariation. Auf Basis detaillierter Datensätze von Oberflächenstrukturen und dem jeweiligen Strömungsfeld erfolgt die Untersuchung der Interaktion zwischen vorgenannten Punkten. Für die Charakterisierung der individuellen Rauheitsstruktur in Abhängigkeit der relativen Überdeckung erweist sich die vertikale Rauheitsdichte cK,V (Verbauungsgrad) als starke Funktion. Die Charakterisierung der Ungleichförmigkeit des integralen Strömungsfeldes als Folge der individuellen Rauheitsstruktur erfolgt auf Basis physischer Modellversuche und mathematisch-physikalischer Untersuchungen anhand des Geschwindigkeitshöhenausgleichsbeiwertes au. Die Formulierung des Strömungswiderstandes in Abhängigkeit dieser beiden Parameter resultiert in einer wesentlichen Verringerung des Fehlerbetrages und damit des Unsicherheitsbereiches. Die bestehende Reststreuung ist auf Einflüsse aus Anordnung und Form der Elemente, Turbulenz, Sekundärströmung, Wasserspiegeldeformationen, lokal kritische Strömung und Lufteinzug zurückzuführen.

Typical methods for quantifying flow resistance in gravel-bed rivers with a dominant degree of morphological roughness and low relative submergence are based on the dependence of a constant characteristic roughness parameter. However, this assumption is valid for the turbulent rotary symmetric pipe flow and high relative submergence only, because of the exclusive acting grain roughness. Describing the resistive processes in gravel-beds by scaling up the roughness length is inaccurate due to the activated form resistance. The scaling factor for at a site- and between site variations of flow resistance is not constant. This investigation presents an analysis of the interaction between roughness structure and flow characteristics in gravel-bed rivers. Based on detailed topological data sets, the variation of characteristic parameters for describing the surface structure by relative submergence is shown. The most practicable parameter for describing the degree of block up the cross section area by roughness elements is the vertical roughness density cK,V. The dependence of the integral flow field by the individual roughness structure is investigated by physical model technique and three dimensional mathematical calculations. Intense spatial heterogeneity of velocity distributions caused by the vertical roughness density can be expressed by the velocity head coefficient au. The formulation of flow resistance in dependence of these two parameters creates essentially improved results in contrast to a constant up scaling of roughness length for at a site- and between site variations of flow resistance. The existing residual scatter results from element shape and arrangement, turbulence, three dimensional currents, deformation of the free surface, locally supercritical flow and air entrainment.

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Sabrowski, Michael: Eine Analyse zum Strömungswiderstand natürlicher Fließgewässer mit ausgeprägter Sohlstrukturierung. 2009.

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