Technische Hydraulik

Mit dem Begriff Technische Hydraulik wird im Bauingenieurwesen eine praktizierte Strömungslehre bezeichnet. In rechentechnischer Hinsicht ist ein wesentliches Merkmal dieser angewandten Hydromechanik die Vereinfachung strenger hydromechanischer Gesetzmäßigkeiten zu anwenderfreundlicheren, weniger rechenintensiven Ausdrücken. Zu diesen gehören insbesondere die sog. eindimensionalen Ansätze. Wohl mehr als 90% aller überhaupt vorkommenden hydraulischen Berechnungsaufgaben betreffen diese Kategorie und gehören zur alltäglichen Routine des mit Strömungsproblemen befaßten Ingenieurs. Trotz der bemerkenswerten Entwicklung von numerischen Verfahren in der computergestützten Hydromechanik besteht daher auch weiterhin großer Bedarf an rechenzeitsparenden Arbeitsweisen, wie sie von der Technischen Hydraulik vermittelt werden.

Bei einer ruhenden Flüssigkeit ist in bezug auf den Flüssigkeitsdruck und seine Wirkungen von folgenden Beobachtungen auszugehen:

Der Druck in einer ruhenden Flüssigkeit ist richtungsunabhängig.

Der Druck ergibt auf einer betroffenen ebenen Fläche eine normal zu dieser orientierte Druckkraft.

Die hydromechanischen Gesetzmäßigkeiten, denen eine Flüssigkeitsbewegung folgt, bilden die Basis für die in der Technischen Hydraulik in Ansatz zu bringenden Grundgleichungen. Es ist daher zweckmäßig, der Beschreibung dieser Gleichungen eine kurze Betrachtung über deren hydromechanische Herkunft voranzustellen. Aus Gründen der Überschaubarkeit werden die benötigten hydromechanischen Bedingungen nachstehend mit Hilfe einer allgemeinen Transportbilanz dargestellt.

In der Technischen Hydraulik werden die meisten praktisch vorkommenden Strömungsfälle als sog. ebene oder sogar als eindimensionale Vorgänge aufgefaßt. Da es sich ferner um Wasser als inkompressibles Medium handelt, ist für den quellenfreien Massen- bzw. Volumentransport (3.2.1.4) maßgebend. Bei einem ebenen Vorgang, bei dem in einer der drei Koordinatenrichtungen keinerlei Änderungen vorliegen, gilt danach z.B. mit ∂/∂y = 0: Wegen ρ=konst kann es sich dabei sowohl um stationäre als auch um instationäre Bewegungen handeln.

Als normal angeströmt sei ein gerader Überfall bezeichnet, der im Grundriß rechtwinklig zur Strömungsrichtung angeordnet ist. Meist handelt es sich dabei um Wehre oder ähnliche Hochwasserentlastungsanlagen, die mehrere Wehröffnungen haben können, Abb. 5.1.1.1. Die hydraulische Berechnungsaufgabe betrifft den Zusammenhang von Q = f(h,w,b,Form,....). Sind Bauwerkshöhe w und Wehröffnungsbreite b fest gewählt, so reduziert sich die gestellte Frage im wesentlichen auf die Abhängigkeit h = f(Q) bzw. Q = f(h). Der Durchfluß Q gibt die Leistungsfähigkeit des Überfalls bei einer Überfallhöhe h an. Als Überfallhöhe wird nicht die Höhe w des Überfallbauwerks definiert, sondern die Höhe h des Oberwassers über dem Scheitel des Bauwerks.

Unter dem Begriff Rohrströmung wird grundsätzlich der Abfluß in einem Druckrohr ohne freien Wasserspiegel verstanden. Teilgefüllte Rohrleitungen führen dagegen Freispiegelabfluß, der Gegenstand der Gerinnehydraulik ist.

Unter den Begriff Gerinneströmung fallen praktisch alle Abflußvorgänge mit freiem Wasserspiegel. Schon im stationären Abflußzustand ist daher eine außerordentliche Vielfalt der Freispiegelströmungen festzustellen. Allein schon Art und Form des Gerinnequerschnitts sind von großem Einfluß auf das Erscheinungsbild der Gerinneströmung; sie erfordern die Untersuchung von Abflüssen in Gerinnen mit kompakten oder gegliederten Querschnitten sowie als ebene Gerinneströmungen, wenn extrem große Gerinnebreiten (b → ∞) vorliegen. Im Gegensatz zu den Rohrströmungen hat man es wegen des freien Wasserspiegels mit Stromröhren zu tun, die außer den festen Berandungen (Sohle, Ufer) auch die variable Wasserspiegelfläche als Mantelfläche enthalten, d.h. die Abflußbedingungen sind an der Bildung der Stromröhre (siehe unter 1.3) maßgeblich beteiligt. Diesbezüglich sind mit Abb. 9.1.1.1 die konvektiv beschleunigten, ungleichförmigen Abflußvorgänge vom gleichförmigen Abfluß zu unterscheiden.