Experimentelle Untersuchung turbulenter Strömungsgrößen im Zusammenhang mit der Selbstbelüftung in Hochgeschwindigkeits-Wasserströmungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Daniel Bung
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Geotechnik, Wasserbau
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 558217342

Der Eintrag von Luftblasen in Wasserströmungen kann sowohl in natürlichen Flüssen als auch an Wasserbauwerken auftreten. Dieses zweiphasige Strömungsphänomen ist von größter Bedeutung, da es unweigerlich die grundlegenden Strömungseigenschaften wie die Fließtiefe und Fließwiderstände verändert. In Schussrinnen wird häufig eine kontinuierliche Selbstbelüftung beobachtet, die üblicherweise durch empirische Bemessungsgleichungen berücksichtigt wird, welche wiederum nur für eingeschränkte Randbedingungen gelten. Die tatsächlich zugrundeliegende Physik ist jedoch noch immer nicht vollständig bekannt. Klassischerweise wurde angenommen, dass das Anwachsen einer turbulenten Grenzschicht, die sich von der Bauwerkskrone aus entwickelt, und ihr Schneiden der freien Oberfläche zum Auswurf von Tropfen und zum Mitreißen von Blasen führt. Beobachtungen zur Aufrauhung der freien Oberfläche weiter oberhalb dieses Schnittpunkts, die auf einen zusätzlichen Beitrag von Instabilitäten an der freien Oberfläche hinweisen, wurden über Jahrzehnte ignoriert. Eine erste analytische Beschreibung dieser Instabilitäten und ihr Einfluss auf die Selbstbelüftung wurde erst vor wenigen Jahren vorgestellt. Bei der Formulierung dieser Theorie wurden jedoch verschiedene Annahmen getroffen, die eine weitere Quantifizierung erfordern, um ein besseres Verständnis der zugrunde liegenden Vorgänge zu erhalten. Dieses Forschungsvorhaben soll die erforderlichen Erkenntnisse auf Grundlage neuer experimenteller Methoden liefern, um diese Theorie zu validieren und ergänzen. Die Strömungen in der Luft- und der Wasserphase sowie deren Grenzflächen werden mit kamerabasierten Messverfahren untersucht, die durch den Einsatz konventioneller Methoden ergänzt werden. Im Detail werden die Strömungsfelder mittels hochauflösender Particle Tracking Velocimetry-Messungen untersucht und mit turbulenten Eigenschaften der freien Oberfläche verknüpft, welche wiederum mit stereoskopischen Kameras erfasst wird. Messdaten zu turbulenten Spannungen und Druckverteilungen nahe der Grenzfläche zwischen Luft und Wasser sowie der Entwicklung von Instabilitäten werden eingehend analysiert. Hierbei werden Einflüsse aus Rinnenneigung und -rauheit einbezogen, um eine detaillierte, allgemeingültige Charakterisierung der Strömungsfelder in Wasser- und Luft entlang des nicht belüfteten Fließbereichs von Schussrinnen zu erhalten. Hiermit soll eine analytische Beschreibung des Lufteintrags entwickelt werden, welche universell für alle Skalen und Strömungsbedingungen in der Natur und an Wasserbauwerken ist.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Kooperationspartner: Daniel Valero Huerta, Ph.D.