Mikroskopische Eigenschaften belüfteter Strömungen und ihre Auswirkungen auf den Sauerstoffaustausch bei der physikalischen Modellierung von Wasserbauwerken

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Daniel Bung
• Fachliche Zuordnung: Geotechnik, Wasserbau ; Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 511289281

Während der Rückgang des gelösten Sauerstoffs (DO) in natürlichen Seen und Stauseen weit verbreitet ist, ist ein Mindestgehalt zur Aufrechterhaltung guter, ökologischer Bedingungen in stromabwärts gelegenen Flüssen und Bächen erforderlich. Durch belüftete Strömungen an Wasserbauwerken kann der nötige Austausch von Sauerstoff erzielt werden, etwa in selbstbelüfteten Schussrinnenströmungen, in welchen durch den starken Lufteintrag eine erhöhte Luft-Wasser-Grenzfläche für den Gasaustausch vorliegt. Die in-situ-Installation von Messgeräten und die Durchführung von Prototypmessungen zur Bestimmung des Gasaustauschpotentials sind aufgrund der Bauwerksabmessungen und der hier vorliegenden Strömungszustände, aber auch wegen der fehlenden Kontrolle über Randbedingungen eine besondere Herausforderung. Stattdessen werden üblicherweise kleinmaßstäbliche, physikalische Modellversuche in Wasserbaulaboren durchgeführt. Im Gegensatz zu anderen Strömungseigenschaften wie Geschwindigkeit, Druck und Fließtiefe kann die Größe eingetragener Luftblasen in physikalischen Modellen jedoch aufgrund von Blasendeformation, -teilung und -clusterbildung unter kritischen Bedingungen nicht korrekt skaliert werden. Zudem ist die Bestimmung des Gasaustauschs nicht trivial und ist entweder durch direkte Sauerstoffmessungen oder durch Bestimmung der Luft-Wasser-Grenzfläche in Kombination mit empirischen Ansätzen für den Massenübergangskoeffizienten zu erreichen. An dieser Stelle zielt das beantragte Projekt darauf ab, i) eine genaue Charakterisierung der mikroskopischen Strömungseigenschaften in hochturbulenten, belüfteten Strömungen zu erzielen und ii) den Einfluss verschiedener Messmethoden und Maßstabseffekte auf die Bestimmung der Belüftungseffizienz zu bewerten. Das Projekt konzentriert sich auf Treppenschussrinnen mit mittlerer Neigung als beispielhafter Bauwerkstyp mit sich einstellender, hochturbulenter Wasser-Luft-Strömung und basiert auf der besonderen, komplementären Expertise der Antragsteller und den umfangreichen, an der FH Aachen und der Universität Lüttich vorhandenen Messtechniken und Versuchseinrichtungen. Es sieht eine umfassende Messkampagne vor, bei welcher drei physikalische Modelle derselben Treppenschussrinne in verschiedenen Maßstäben von 1:1 bis 1:10 betrachtet werden. Drei verschiedene Messtechniken sollen zur Anwendung kommen: klassische, direkte Sauerstoffkonzentrationsmessung mit Oximetern, Luftblasencharakterisierung mit intrusiven Phasendetektionssonden und eine im Rahmen des Projekts zu entwickelnde, robuste Computer-Vision-basierte Toolbox zur Identifizierung von Einzelblasen und Bestimmung ihrer Größe, Verformung und Oberfläche.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Belgien
• Partnerorganisation: Fonds National de la Recherche Scientifique - FNRS
• Kooperationspartner: Dr. Sébastien Erpicum