Lufteintragsprozesse an wasserbaulichen Anlagen: Experimentelle Untersuchung der Phasengrenzfläche und des Luft-Wasser Stoffaustausches

• Antragsteller: Dr.-Ing. Matthias Kramer
• Fachliche Zuordnung: Geotechnik, Wasserbau
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 325271838

Mehrphasenströmungen und insbesondere der Stoffaustausch zwischen Luft und Wasser eine wichtige Schlüsselrolle ein. Stoffaustauschprozesse zwischen Luft- und Wasserphase treten beispielsweise in Hochwasserentlastungen, Fallschächten, Tosbecken sowie im Unterwasser von Freistrahlturbinen auf. Der derzeitige Wissenstand von belüfteten Strömungen beruht im Wesentlichen auf Laboruntersuchungen in hydraulischen Versuchseinrichtungen. Das Auftreten von Skalierungseffekten kann bei Untersuchungen im verkleinerten Labormaßstab nur durch die Einhaltung geometrischer, kinematischer und dynamischer Ähnlichkeit ausgeschlossen werden. Im Falle von belüfteten Strömungen sind gleiche Werte von Froude-, Reynolds-, und Weber-Zahlen bei geometrischer Ähnlichkeit zwischen Modell und Natur jedoch nicht möglich. Aus diesem Grund sind die Ergebnisse von Laboruntersuchungen oftmals von Skalierungseffekten betroffen. Diese können sogar bei Modellmaßstäben von 1:2 oder 1:3 auftreten. Untersuchungen im Naturmaßstab (1:1) sind bis heute hingegen kaum vorhanden. Zukünftige Feldmessungen werden daher für ein besseres Verständnis des Luft-Wasser Stoffaustausches dringend benötigt.Der Stoffaustausch von flüchtigen Substanzen und einer Flüssigkeit hängt entscheidend von der Phasengrenzfläche, dem Gradienten der Gaskonzentration sowie dem Stoffübergangskoeffizienten ab. Ein analytischer Ansatz zur Bestimmung des Stoffaustausches zwischen Luft und Wasser besteht in der numerischen Integration der Stoffaustauschgleichung. Voruntersuchungen an einer gestuften Schussrinne mit flacher Neigung wurden vor zehn Jahren an der University of Queensland durchgeführt. Die Studie zeigt eine sehr gute Ergebnisübereinstimmung zwischen der Integration der eindimensionalen Stoffaustauschgleichung und durchgeführten Gelöstsauerstoffmessungen. Diese vielversprechenden Resultate, der dringenden Bedarf an Naturmessungen belüfteter Strömungen sowie der Forschungsfortschritt, zum Beispiel in der Signalverarbeitung, geben Anlass zu neuen Untersuchungen in diesem Forschungsbereich. Es sollen detaillierte Untersuchungen der Mehrphasenströmung und des Gasaustausches an einer gestuften Schussrinne mit steiler Neigung (1V:0,8H), sowohl im Labor als auch in der Natur, durchgeführt werden. Die geplanten Feldmessungen sollen dazu beitragen, die bestehende Forschungslücke im Bereich großmaßstäblicher Untersuchungen zu schließen und Skalierungseffekte, insbesondere im Hinblick auf die Belüftungseffizienz, zu quantifizieren. Die experimentellen Ergebnisse der durchgeführten Gasaustauschmessungen werden für die Berechnung der Phasengrenzfläche anhand der Integration der Stoffaustauschgleichung verwendet. Die gleichzeitige Erfassung der Mehrphasencharakteristik und der Belüftungseffizienz soll somit zu einem wichtigen Erkenntnisgewinn in der Beschreibung des Stoffaustausches zwischen Luft und Wasser in belüfteten Strömungen führen.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Australien
• Gastgeber: Professor Hubert Chanson, Ph.D.