Laborversuche zur Strömungskraft auf Brückenpfeiler mit Verklausungen

Abstract

Im Zuge dieser Arbeit wurden Laborversuche im Wasserbaulabor der Technischen Universität Wien durchgeführt, um das Verhalten des Strömungswiderstandes von Verklausungen an Brückenpfeilern zu untersuchen.Dafür wurden Verklausungskörper mit unterschiedlicher Oberflächenrauheit, Porosität und 3D-Form untersucht und anschließend der Widerstandsbeiwert bestimmt. Nach dem Vergleich mit bestehenden Studien wurde der Ansatz gewählt, dass der Widerstandsbeiwert Cw über den blockierten Querschnitt bestimmt wird und der Anteil des Strömungswiderstands vom Brückenpfeiler selbst abgezogen wird, um den Strömungswiderstand rein auf die Verklausung beziehen zu können.Bei den Versuchen wurde im Vorhinein die Geschwindigkeit gemessen, um die Anströmgeschwindigkeit zu ermitteln. Anschließend erfolgten für alle Verklausungskörper Kraftmessungen mittels Wägezelle und Dehnmessstreifen am Brückenpfeiler. Bei den Kraftmessungen wurden jeweils die Eintauchtiefe sowie die Anströmgeschwindigkeit variiert.Durch die Ermittlung des Widerstandsbeiwerts auf Basis der Kraftmessungen zeigte sich, dass Körper mit einer rauen Oberfläche größere Cw-Werte aufweisen als Körper mit glatter Oberfläche. Durch die raue Oberfläche befindet sich der Ablösepunkt näher beim Staupunkt und führt zu einer Vergrößerung der Nachlaufzone und damit zu einem größeren Widerstandsbeiwert.Hinsichtlich der Porosität zeigte sich, dass mit Abnahme der Porosität der Cw-Wert steigt. Bei geringerer Porosität, also mit steigender Dichte, nimmt die Stärke des bleeding flows ab und führt somit zu höheren Geschwindigkeitsverlusten, einhergehend mit einem höheren Strömungswiderstand. Besonders interessant und entgegen den Erwartungen zeigte sich hier, dass die undurchlässigen Verklausungskörper einen geringeren Widerstandsbeiwert aufweisen als die durchströmten Körper. Durch den bleeding flow erfolgt die Strömungsablösung früher stromaufwärts und führt dadurch zu einer Verbreiterung des Nachlaufs in horizontaler und vertikaler Richtung. Es entstehen größere Geschwindigkeitsverluste und der Widerstandsbeiwert ist dadurch größer.Betreffend der 3D-Form des Verklausungskörpers weist der zylinderförmige Körper einen höheren Widerstandsbeiwert auf als der kegelförmige Verklausungskörper. Durch seine strömungsgünstigere Form (weniger scharfe Kanten) kommt es später zur Strömungsablösung der Grenzschicht und der Strömungswiderstand ist dadurch geringer.

In the course of this work, laboratory tests were performed in the laboratory for hydraulic engineering of the Technical University of Vienna to determine the behaviour of drag due to log jams on bridge piers.For this purpose, we investigated log jams with different surface roughness, porosity and 3D shape and determined the drag coefficient. After comparisons with existing studies, the approach chosen to determine the drag coefficient Cd was by using the blocked cross section. The drag caused by the bridge pier itself was subtracted to be able to relate the drag purely to the log jam.Initially the flume velocity was measured to determine the approach velocity. Afterwards, force measurements were taken for all types of log jams using a load cell and strain gauges on the bridge pier. The depth of immersion and the approach velocity were varied for each type as well.By determining the drag coefficient based on the force measurements, it was shown that log jams with a rough surface have larger Cd values than bodies with a smoother surface. Due to the rough surface, the break-off point is closer to the stagnation point and leads to an enlargement of the wake zone and thus to a larger drag coefficient.Regarding the porosity, it was found that the Cd value increases with a decrease in porosity. With lower porosity, therefore with increasing density, the strength of the bleeding flow decreases and leads to higher velocity losses resulting in higher drag. It is particularly interesting and contrary to initial expectations that the solid log jams have a lower drag coefficient than the porous bodies. Due to the bleeding flow, the flow separation occurs earlier upstream and thus leads to a widening of the wake in horizontal and vertical direction. This leads to bigger velocity losses and a higher drag coefficient.In terms of the 3D shape of the log jam, the cylindrical body has a higher drag coefficient than the conical body. Due to its more flow-favourable shape (less sharp edges), the flow separation of the boundary layer occurs later and thus generates a lower drag.