TY - THES A1 - Sabrowski, Michael T1 - Eine Analyse zum Strömungswiderstand natürlicher Fließgewässer mit ausgeprägter Sohlstrukturierung T1 - An analysis of flow resistance in gravel-bed rivers with pronounced bed structure N2 - Übliche Ansätze zur Quantifizierung des Strömungswiderstandes natürlicher Fließgewässer mit geringer relativer Überdeckung und ausgeprägter Sohlstrukturierung basieren auf der Abhängigkeit von einem konstanten charakteristischen Rauheitsparameter. Diese Annahme ist nur für die turbulente rotationssymmetrische Rohrströmung mit hoher relativer Überdeckung gültig. Die Quantifizierung der Widerstandsprozesse mit einem konstant erhöhten Rauheitsmaß für die betrachteten Randbedingungen erfasst nicht die individuellen Charakteristiken von Rauheitsstruktur und integralem Strömungsfeld an unterschiedlichen Gewässerabschnitten sowie identischen Gewässerabschnitten bei Abflussvariation. Auf Basis detaillierter Datensätze von Oberflächenstrukturen und dem jeweiligen Strömungsfeld erfolgt die Untersuchung der Interaktion zwischen vorgenannten Punkten. Für die Charakterisierung der individuellen Rauheitsstruktur in Abhängigkeit der relativen Überdeckung erweist sich die vertikale Rauheitsdichte cK,V (Verbauungsgrad) als starke Funktion. Die Charakterisierung der Ungleichförmigkeit des integralen Strömungsfeldes als Folge der individuellen Rauheitsstruktur erfolgt auf Basis physischer Modellversuche und mathematisch-physikalischer Untersuchungen anhand des Geschwindigkeitshöhenausgleichsbeiwertes au. Die Formulierung des Strömungswiderstandes in Abhängigkeit dieser beiden Parameter resultiert in einer wesentlichen Verringerung des Fehlerbetrages und damit des Unsicherheitsbereiches. Die bestehende Reststreuung ist auf Einflüsse aus Anordnung und Form der Elemente, Turbulenz, Sekundärströmung, Wasserspiegeldeformationen, lokal kritische Strömung und Lufteinzug zurückzuführen. N2 - Typical methods for quantifying flow resistance in gravel-bed rivers with a dominant degree of morphological roughness and low relative submergence are based on the dependence of a constant characteristic roughness parameter. However, this assumption is valid for the turbulent rotary symmetric pipe flow and high relative submergence only, because of the exclusive acting grain roughness. Describing the resistive processes in gravel-beds by scaling up the roughness length is inaccurate due to the activated form resistance. The scaling factor for at a site- and between site variations of flow resistance is not constant. This investigation presents an analysis of the interaction between roughness structure and flow characteristics in gravel-bed rivers. Based on detailed topological data sets, the variation of characteristic parameters for describing the surface structure by relative submergence is shown. The most practicable parameter for describing the degree of block up the cross section area by roughness elements is the vertical roughness density cK,V. The dependence of the integral flow field by the individual roughness structure is investigated by physical model technique and three dimensional mathematical calculations. Intense spatial heterogeneity of velocity distributions caused by the vertical roughness density can be expressed by the velocity head coefficient au. The formulation of flow resistance in dependence of these two parameters creates essentially improved results in contrast to a constant up scaling of roughness length for at a site- and between site variations of flow resistance. The existing residual scatter results from element shape and arrangement, turbulence, three dimensional currents, deformation of the free surface, locally supercritical flow and air entrainment. KW - Rauigkeit KW - Oberflächenstruktur KW - Geschwindigkeitsverteilung KW - Strömungswiderstand KW - natürliche Fließgewässer KW - individuelle Rauheitsstruktur KW - Oberflächenbeschreibung KW - Rauheitsparameter KW - homogene heterogene Strukturcharakterisierung KW - gravel-bed rivers KW - individual roughness structure KW - characterization of surface KW - roughness parameter KW - velocity distribution KW - flow resistance Y1 - 2008 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20090205-14626 ER - TY - THES A1 - Kanzow, Ulrich Michael T1 - Beschreibung des Fließwiderstandes in der numerischen Berechnung von Gerinnen mit extremer relativer Rauheit T1 - Description of flow resistance in numerical simulation of channels with extreme relative roughness N2 - Die ein- und zweidimensionale numerische Berechnung der Fließvorgänge in offenen Gerinnen findet zunehmend auch Anwendung in der Modellierung immer komplexerer Prozesse im unter Anderem im Bereich der Ökosystemmodellierung in Gebirgs- und Mittelgebirgsbächen. In diesem Bereich existieren zurzeit noch Probleme hinsichtlich der hydraulischen Prognoserechnungen. Neben den numerischen Grundlagen werden die Abhängigkeiten des Strömungsfeldes von der Rauheitsstruktur der Sohle und der Überdeckungshöhe behandelt. Zur Untersuchung der Fließwiderstandsgleichungen wurden Laborversuche in einer Versuchsrinne durchgeführt. Es wird gezeigt, dass der üblicherweise verwendete Ansatz des mittleren Sohlgefälles bei der Berechnung der Sohlschubspannungsgeschwindigkeit u* in Stufen-Becken-Sequenzen nicht zulässig ist. Stattdessen ist es erforderlich, die lokalen Energieliniengefälle zu bestimmen und einzusetzen. Die Anwendung der aus der Literatur bekannten Ansätze zur Beschreibung des Fließwiderstandes führt zu keinen befriedigenden Ergebnissen und wird ausführlich diskutiert. In der Untersuchung der verschiedenen Fließwiderstandsbeziehungen zeigte sich, dass insbesondere die ungenügende Beschreibung der Rauheitstruktur der Sohloberfläche durch einen charakteristischen Korndurchmesser des Sohlmaterials als unzureichend anzusehen ist. Hinsichtlich der Beschreibung rauer Oberflächenstrukturen wurde ein einfacher Segmentierungsalgorithmus entwickelt, der es erlaubt, komplizierte Oberflächenstrukturen zu vereinfachen und über die Standardabweichung abschnittsweise Rauheiten zuzuweisen. Dieses Verfahren wird in einem zweidimensionalen hydraulischen Modell eingesetzt. Hierdurch wird für die Wassertiefenbestimmung als auch für die Fließgeschwindigkeitsbestimmung eine Berücksichtigung der speziellen topographischen Verhältnisse ermöglicht. N2 - One- and two-dimensional numerical simulations of open-channel flows are more and more used for applications of constantly more complex processes among other things in the field of ecohydraulics in mountainous streams. Among the principles of numerical simulation the flow field and its interdependence of roughness elements as well as flow depth are treated. Investigations are made in a laboratory flume. It is shown, that the usually used approach of average bed slope in step-pool sequences is not admissible instead of local energy slope. The application of approaches known from literary are not leading to satisfying results. The investigation of different resistance equations showed in particular that insufficient describing of roughness structures of bed level only by characteristic grain size fails. Regarding description of roughness structures was developed an simple segmentation algorithm which allows to simplify complex roughness structures. They are transformed to segments of similar standard deviation. This algorithm is inserted in an two-dimensional flow model. Therefore calculation of water depth and flow velocity can be done regarding topographic situation, e.g. step-pool sequences. KW - Rauigkeit KW - Direkte numerische Simulation KW - Strömungswiderstand KW - Oberflächenstruktur KW - Fließgewässer KW - Segmentierung KW - Oberflächenbeschreibung KW - Rauheitsparameter KW - Geschwindigkeitsverteilung KW - Stufen-Schwellen-Sequenzen KW - step-pool sequences KW - velocity distribution KW - roughness KW - surface structures KW - segmentation algorithm Y1 - 2004 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20050307-4181 ER -