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Beschreiben Sie kurz verbal, warum bei den Wehrformen auf die Drücke am Wehrrücken zu achten ist und was die möglichen Konsequenzen sind, wenn die Wehrformen nicht angepasst werden.
Bei zu hohen Geschwindigkeiten und einer nicht angepassten Wehrform kann es zu hohen Unterdrücken und damit zu Kavitation und Schwingungen des Überfallstrahls kommen.
Nennen Sie zwei Möglichkeiten zur Bestimmung des Durchlässigkeitskoeffizientens kf [m/s].
- Pumpversuche im Feld
- Permeameteruntersuchung einer Bodenprobe im Labor
Beschreiben Sie kurz verbal die in der Grundwasserhydraulik verwendeten Begriffe Bahngeschwindigkeit, Abstandsgeschwindigkeit und Filtergeschwindigkeit. Verdeutlichen Sie Ihre Beschreibung mit jeweils einer Skizze (siehe VL).
Bahngeschwindigkeit: Tatsächliche Geschwindigkeit der Wasserteilchen im Medium Boden.
Abstandsgeschwindigkeit: Annahme einer konstanten Bahngeschwindigkeit zwischen den Bodenteilchen. Sie bezieht sich auf die zur Durchströmung bezogene verfügbare Porenfläche.
Filtergeschwindigkeit: Mittelung der Abstandsgeschwindigkeit auf die gesamte durchflossene Fläche.
Wie ist das Verhältnis zwischen der laminaren Unterschicht und den Rauheitselementen einer Wandung im hydraulisch glatten Bereich, im Übergangsbereich und im hydraulisch rauen Bereich?
Hydraulisch glatt: die Dicke der laminaren Unterschicht hüllt die Rauheitselemente vollständig ein.
Übergangsbereich: einzelne Rauheitsspitzen treten aus der laminaren Unterschicht heraus.
Hydraulisch rau: alle Rauheitsspitzen ragen aus der laminaren Unterschicht.
Nennen Sie jeweils die treibende Kraft für eine Druckrohrströmung sowie für eine Gerinneströmung.
Druckrohrströmung: Druckgefälle
Gerinneströmung: Schwerkraft
Beschreiben Sie kurz verbal, worauf die Energieverluste bei einer laminaren und im Gegensatz dazu bei einer turbulenten Rohrströmung zurückzuführen sind!
Bei der laminaren Rohrströmung entstehen Energieverluste hauptsächlich durch die Scherspannungen zwischen benachbarten Flüssigkeitsteilchen (auf benachbarten Stromlinien).
Bei der turbulenten Strömung entstehen Reibungsverluste hauptsächlich durch Verwirbelungen.
Geben Sie die mathematische Formulierung der Reynoldszahl an und benennen Sie die einzelnen Größen der Formel inklusive der verwendeten Einheiten.
Beschreiben sie verbal, welche Kräftearten bei der Reynolds-Zahl in ein Verhältnis gesetzt werden.
Es werden die Trägheits- zu den Reibungskräften ins Verhältnis gesetzt.
Nennen Sie die kritischen Werte der Kennzahlen für die Rohrströmung und die Grundwasserströmung.
Rohrströmung: Re,krit = 2300
Grundwasserströmung: Re,krit = 1-5
Das Widerstandsverhalten in einer turbulenten Rohrströmung wird unterteilt in hydraulisch glatter Bereich, Übergangsbereich und hydraulisch rauher Bereich. Geben Sie an, von welchen Einflussfaktoren das Widerstandsverhalten in diesen Bereichen abhängt.
Hydraulisch glatter Bereich: λ=f(Re)
Übergangsbereich: λ=f(Re, k/D)
Hydraulisch rauher Bereich: λ=f(k/D)
Die empirische Fließformel nach Gauckler-Manning-Strickler zur Bestimmung des Abflusses in offenen Gerinnen stellt nur eine grobe Näherung dar. Nennen Sie vier Einschränkungen, die es bei der Anwendung der Formel zu beachten gilt.
Geben Sie die Überfallformel von Poleni an und benennen Sie neben der Erdbeschleunigung g [m/s2] die einzelnen Größen der Formel inklusive der verwendeten Einheiten.
Formel für einen kritischen hydraulischen Gradienten im Fall des hydraulischen Grundbruchs.
Druckrohrströmung und Gerinneströmung unterscheiden sich in einigen wichtigen Merkmalen, die eine unterschiedliche Beschreibung beider Strömungen erforderlich machen. Vervollständigen Sie die folgende Tabelle mit fünf Unterschieden zwischen Druckrohrströmung und Gerinneströmung.
Zeichnen Sie die Schubspannungsverteilung und die Geschwindigkeitsverteilung für eine laminare Strömung im Kreisrohr in Abbildung 1-1 und Abbildung 1-2 ein. Geben Sie außerdem die Formeln für die ma- ximale Schubspannung und die maximale Geschwindigkeit an.
Nennen Sie vier Parameter, von denen der Durchlässigkeitskoeffizient kf im Grundwasser abhängt.
- kinematische Viskosität
- Temperatur
- Erdbeschleunigung
- Porenvolumen
Grenzschichtkonzept nach Prandtl, Grenzschichtentwicklung in einer Rohrleitung
Welche Geschwindigkeiten werden durch ein heterogenes System charakterisiert?
Die Bahn- und Abstandsgeschwindigkeit.
Welche Geschwindigkeit kann mit dem Gesetz von Darcy ermittelt werden?
Die Filtergeschwindigkeit vf.
Beschreiben Sie die Formel von Poleni für den vollkommenen Wehrüberfall mathematisch und benennen Sie die verwendeten Variablen inklusive Einheiten.
a) Bahngeschwindigkeit
b) Abstandsgeschwindigkeit
c) Filtergeschwindigkeit
Wie ist die Porosität eines Grundwasserkörpers definiert? Geben Sie die mathematische Definition mit allen Einheiten an und benennen Sie die verwendeten Größen
Erläutern Sie in einem kurzen Satz den Unterschied zwischen der Porosität und der effektiven Porosität.
Bei der effektiven Porosität wird nur der Porenraum berücksichtigt, der der Strömung zur Verfü- gung steht, wohingegen bei der Porosität der gesamte Porenraum berücksichtigt wird.
Geben Sie die Formel für den Ausfluss Q [m3/s] aus Bodenöffnungen an.
Welche Einflüsse werden im Abminderungsfaktor μA zusammengefasst?
Kontraktion des Strahls sowie Reibungsverlust an der Rohrwandung (Geometrie der Öffnung)
Die Abflussformel für offene Gerinne kann an einem Kontrollvolumen durch Antragung aller wirkenden Kräfte hergeleitet werden. Zeichnen Sie alle wirkenden Kräfte in Abbildung 1-2 ein und benennen Sie die Kräfte.
Nach welchem Gesetz kann für eine laminare Rohrströmung der Widerstandsbeiwert l berechnet werden?
Nach dem Gesetz von Hagen/Poiseuille
Skizzieren Sie zwei verschiedene Wehrtypen und geben Sie jeweils charakteristische Werte für den Abflussbeiwertes μ an.
Nennen Sie zwei Arten von einseitig offenen Strömungskanälen und erklären Sie kurz, worin sich die Querschnittsformen unterscheiden.
1. Künstliche Strömungskanäle mit regelmäßigem konstantem Querschnitt.
2. Natürliche Gerinne mit unregelmäßigem veränderlichem Querschnitt.
Wodurch unterscheiden sich reale Fluide von idealen Fluiden?
Reale Fluide unterscheiden sich von idealen Fluiden durch die Viskosität, d.h. eine Stoffeigenschafft, die die innere Reibung charakterisiert.
Welches Verhältnis beschreibt die Porosität n und was ist der Unterschied zu der effektiven Porosität neff‘?
Nennen Sie zwei konstruktive Maßnahmen, die ergriffen werden können, wenn der kritische Gradient I,krit > I und der hydraulische Grundbruch vermieden werden soll.
a) den Sickerweg Delta L verlängern; z.B. durch Verlängerung der Spundwand
b) Delta h verringern, z.B. durch den Einsatz von Pumpen
c) Einbringen von Dichtschichten
Skizzieren Sie den Geschwindigkeitsverlauf an einem Ort x über die Zeit t für eine laminare und eine turbulente Strömung.
Geben Sie größenordnungsmäßig den Durchlässigkeitskoeffizienten kf [m/s] für einen Kies und für einen Ton an.
Tabelle der K,f Werte
Skizzieren Sie qualitativ den Schubspannungsverlauf x in Abhängigkeit des Geschwindigkeitsgradientend vx/dz für eine ideale Flüssigkeit, eine newtonsche Flüssigkeit und ein plastisches Fluid.
Geben Sie den mathematisch exakten Wert des Poleni-Beiwertes p für ein breitkroniges Wehr an.
Nennen Sie außerdem zwei Arten der Wehranströmung.
Rechtwinklig, schräg, radial (Schachtüberfall), parallel (Streichwehr)
Zeigen Sie den Unterschied zwischen einer idealen und einer realen Flüssigkeit bei Anströmung einer gera- den Platte indem Sie jeweils die Stromlinien und die Geschwindigkeitsverteilung in Abbildung 1-2 einzeichnen.
