Grundlagen der Strömungslehre: Kanäle und Rohrleitungen

Freispiegelströmung: Strömung mit freier Oberfläche

Freispiegelströmung: Wenn eine Flüssigkeit zirkuliert, ohne das Rohr vollständig auszufüllen, oder wenn Wasser durch einen Kanal fließt, spricht man von einer Freispiegelströmung. In diesen Fällen steht die Flüssigkeit unter atmosphärischem Druck. Man sagt dann, dass das Rohr als Kanal (Strömungskanal oder Kanalisation) fungiert. Dies entspricht einem Durchfluss ohne Druck oder Abflussrohren, die im Free Flow-Modus arbeiten.

Druckströmung: Erzwungene Oberflächenströmung

Druckströmung (Forced Flow): Wenn die Flüssigkeit eine Leitung mit kreisförmigem Querschnitt vollständig ausfüllt und Druck auf die Wände des Rohres ausübt, arbeitet die Leitung unter Druck. In diesem Fall wird die Bewegung der Flüssigkeit durch den Druck im Inneren des Kanals erzeugt.

Strömungsformen in der Hydraulik

Laminare Strömung

Bei der laminaren Strömung bewegt sich jedes Flüssigkeitselement in die gleiche Richtung und mit der gleichen Rate wie alle anderen Elemente. Es entstehen Stromlinien, sodass die Bahnen zweier Teilchen stets parallel zueinander und parallel zur Strömungsgeschwindigkeit verlaufen.

Turbulente Strömung

In einer turbulenten Strömung bewegen sich nicht alle Elemente in die gleiche Richtung und mit der gleichen Geschwindigkeit. Es gibt Bewegungen quer zu den Stromlinien, wodurch unregelmäßige Wirbel (sekundäre Ströme) entstehen. Diese Ströme erzeugen mehr innere Reibung als eine laminare Strömung.

Arten von Kanälen

Ein offener Kanal ist ein Kanal, in dem Wasser mit einer freien Oberfläche fließt. Je nach Ursprung kann ein Kanal natürlich oder künstlich sein:

• Natürliche Kanäle: Diese umfassen alle Arten von Wasserläufen, die natürlicherweise auf der Erde vorkommen. Ihre Größe variiert von kleinen Bächen bis hin zu großen Flüssen, Flussmündungen und Gezeitenströmungen. Auch unterirdische Strömungen, die Wasser mit einer freien Oberfläche führen, werden als natürliche offene Kanäle angesehen.
• Künstliche Kanäle: Dies sind vom Menschen geschaffene Anlagen aus verschiedenen Materialien und Größen für bestimmte Zwecke, wie Navigationskanäle, Grachten, Wasserkraftwerke, Bewässerungskanäle, Entwässerungsgräben entlang von Straßen, Deponien oder Überlaufrinnen.

Die hydraulischen Eigenschaften dieser Kanäle können auf ein gewünschtes Niveau gesteuert werden, um spezielle Anforderungen zu erfüllen. Abwasserleitungen werden ebenfalls als Kanäle angesehen, da sie eine freie Oberfläche besitzen.

Durchfluss (Q) und hydraulische Verhältnisse

Durchfluss (Q): Das Verhältnis zwischen dem Volumen der Flüssigkeit (V) durch einen Querschnitt (S) und der dafür benötigten Zeit (t).

Verhältnis zwischen Geschwindigkeit und Querschnitt

Die physikalischen Gesetzmäßigkeiten zeigen: Je kleiner der Querschnitt des Kanals ist, desto größer ist die Geschwindigkeit der Flüssigkeit, unter der Annahme eines konstanten Durchflusses durch beide Abschnitte.

Wenn beide Ströme gleich sind, gilt die Kontinuitätsgleichung: S₁ * v₁ = S₂ * v₂.

Die Höhe h kann berechnet werden, wenn wir akzeptieren, dass die gleiche Höhe von einem Körper erreicht wird, der mit der Geschwindigkeit v nach oben geworfen wird: h = v²/2g (v quadrat durch 2g).