Wasserbauliche Konstruktionen zur Energieumwandlung

Abstract

Fließendes Wasser kann eine enorme Menge an kinetischer Energie beinhalten. Diese kann entweder durch natürliche oder durch künstliche Gefällstufen hervorgerufen werden. Aufgrund dieser Energie können umfangreiche Erosionen im Flussbett oder am Ufer von Flüssen auftreten. In dieser Arbeit wird nun anhand von vorhandener Literatur ein Überblick über die Möglichkeiten der Energieumwandlung, deren physikalische Grundlagen sowie deren praktische Berechnung gegeben, ohne Anspruch auf Vollständigkeit zu erheben. Weiters wird auch gezeigt, dass Energieumwandlungsbauten, neben ihrer primären Funktion, auch noch andere Aufgaben erfüllen können. Die vorliegende Arbeit behandelt das Problem der Umwandlung der überschüssigen kinetischen Energie innerhalb von Strömungen. Sie umfasst die wichtigsten Punkte, die mit der Energieumsetzung in einem Wechselsprung verbunden sind. Eine ausführliche Beschreibung dieses Phänomens, als grundlegende Erscheinung bei der Energieumwandlung, wurde vorgenommen. Die Arbeit betrachtet eine Reihe von empirischen Zusammenhängen, die die hydraulischen Grundlagen des Wechselsprungs beschreiben. Es gibt zwei verschiedene Methoden, um Energieumwandlung zu erreichen. Die erste verwendet die innere Reibung im Wasser, die durch eine hohe turbulente Strömung erhöht werden kann. Der zweite Weg der Energieableitung ist die Desintegration eines Wasserstrahls in der Umgebungsluft. Besonderes Augenmerk wird auf die verschiedenen Methoden der Energieumwandlung gerichtet. Diese werden im Detail - und zwar von Wechselsprung und Tosbecken bis hin zur Sprungschanze untersucht. Zusätzlich beinhaltet diese Arbeit einen historischen Überblick über die Entwicklung der Energieableitung, einschl. der Errungenschaften von Leonardo da Vinci ab dem 16.Jahrhundert und entsprechenden Unterlagen aus dem 19. und 20. Jahrhundert.

Flowing waters can achieve an enormous amount of kinetic energy. This energy can be caused either by natural or by artificial reasons. Due to this energy, extensive erosions in the riverbed or at the shores of the waterways can appear. As a result of this erosions, the stability of buildings (e.g. weirs) can be endangered and the riverbed can be lowered. So it's often necessary to dissipate this kinetic flow-energy. The easiest way to dissipate this energy is the friction between the flowing water and the riverbed. But an energy dissipator, which is based only on this method, isn't suitable for technical uses. So it's necessary to find a way to reduce the flow-velocity in a shorter distance. There are two different methods to realize this aim. The first one uses the internal friction In the water, which can be increased by a high turbulent flow. One example of an energy dissipater, using this process, is the well known stilling basin. In this device the turbulence is the result of a hydraulic jump and its roller. But many other devices, like all kinds of vortex-drops, are based on internal friction, too. The second way of energy dissipation is the disintegration of a liquid water jet in the surrounding air.Dueto this disintegration small water drops are exposed to the air resistance, which causes a loss of velocity and kinetic energy. The best example for a dissipator of this kind is the ski jump. But other devices, like the free overfall, are using the same principle. Corresponding to the first main clause of thermodynamics, the energy can't be complete exterminated. Energy can only be transformed to other types of energy. In the case of hydraulic energy dissipation, the main part is transformed to heat. But a smaller amount is changed to sonic energy as well. This can be proved easily by the noise emissions of all kinds of energy dissipators. To get an idea of the amount of heat, which is produced inside of a dissipater, the following example is given. A drop of water, which falls down from a height of 100 meters and hits a concrete surface, gets only an additional temperature of 0.24 Kelvin. In all technical cases the kinetic energy will be lower than in this example and the increase of temperature will be lower too. This thesis gives an overview of different possibilities of energy dissipation, their physical basis and of different calculation methods. In all cases, where more then one way of calculation were found in the relevant literature, the methods were compared and the results of this comparison were shown in diagrams. Especially the energy dissipation by the hydraulic jump and by the ski jump were examined, but all other methods of dissipation were introduced as well. For that, the types were classified in five groups. which are shown below.Additionaly this work includes an historic overview of the evolution of energy dissipation,starting with the works of Leonardo da Vinci in the 16th century and continuing with relevant papers in the 19th and 20th .