Strömungsmechanik I und II - Einführung · • Warum Modul Strömungs- und Bodenmechanik ? Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydrosystemmodellierung Technische Universität Berlin

Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydrosystemmodellierung Technische Universität Berlin

Einfuehrung Stroemungsmechanik Institut für BauingenieurwesenFolie 1

R. Hinkelmann

Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydrosystemmodellierung,Institut für Bauingenieurwesen, Technische Universität Berlin

Strömungsmechanik I und II -

Einführung



Gliederung

• Organisatorisches

• Motivation

• Etwas Historie

• Thematische Gliederung

• Warum Modul Strömungs- und Bodenmechanik ?



Gliederung


• Motivation

• Etwas Historie





Organisatorische Hinweise Strömungsmechanik I

• Gebäude TIB1, Sekretariat TIB1-B14

Telefon: 030 – 314 - …..

email: (vorname.name)@wahyd.tu-berlin.de

• Vorlesung: R. Hinkelmann, Tel. -72308, Raum 509,

Sprechstunde: nach Vereinbarung

• Übung: S. Seemann, Tel. –72312, Raum 515,


• Tutoren: B. Lüdtke, N. Münch, T. Storck, Tel. -72309, Raum 575,


• http://www.wahyd.tu-berlin.de/



Organisatorische Hinweise Strömungsmechanik I

• Bestandteil des Moduls Strömungs- und Bodenmechanik

• Bachelorstudiengang Bauingenieurwesen, 3. Semester

• Umfang: 1 V, 1 UE, 1 TUT

• Hausaufgaben mit Rücksprache freiwillig; Details siehe Merkblatt

• Klausur 180 min; davon 90 min Strömungsmechanik (20 min Theorieohne Unterlagen und 70 min Aufgaben); 2 x im WS; Details sieheMerkblatt; Prüfungsanmeldung über qispos

• Lehrmaterialien: Skript, Aufgabensammlung, Formelsammlung

zum Download oder Verkauf

Vorträge mit Filmen



Organisatorische Hinweise Stömungsmechanik II

• Gebäude TIB1, Sekretariat TIB1-B14

Telefon: 030 – 314 - …..

email: (vorname.name)@wahyd.tu-berlin.de

• Vorlesung: R. Hinkelmann, Tel. -72308, Raum 509,


• Übung: I Özgen, Tel. –22861, Raum 564,


• Tutoren: B. Lüdtke, N. Münch, T. Storck, Tel. -72309, Raum 575,


• http://www.wahyd.tu-berlin.de/



Organisatorische Hinweise Strömungsmechanik II

• Bestandteil des Moduls Wasserwesen 1;Bachelorstudiengang Bauingenieurwesen, 4. SemesterUmfang: 1 V, 1 UE, 1 TUT, 3 ECTS, in der ersten Semesterhälfte

• Wasserwesen 1 (8 ECTS): außerdem LV Wasserbau (2 IV, 2 ECTS) in der zweiten Semesterhälte und Grundlagen der Siedlungswasser-wirtschaft (1 V + 1 UE, 3 ECTS), Beginn später

• freiwillige Hausaufgaben mit Rücksprache; Abgabe bis Ende 23. KW;Rücksprache 24. KW, Wiederholungsrücksprache 27. KW

• Klausur: 160 min; davon je 60 min Strömungsmechanik II, 40 min Wasserbau und 60 min Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft; 2 x im SS in KW 31 und KW 39; Prüfungsanmeldung über qispos

• Lehrmaterialien: Skript, Aufgabensammlung, Formelsammlung; zumDownload oder Verkauf; Vorträge mit Filmen



Lehrmaterialien



Lehrmaterialien



Lehrmaterialien

• Der größte Teil der Abbildungen in den Vorträgen entstammt demVorlesungsskript (ohne jeweilige Quellenangabe), das im Wesentlichenauf Zielke (1992) basiert.

• Die Lehrilme wurden von Herrn Dipl.-Ing. Tobias Bleningerund Herrn Prof. Gerhard H. Jirka, Ph.D. vom Institut fürHydromechanik der Universität Karlsruhe zur Verfügunggestellt und nachbearbeitet.

• Die Lehrfilme entstammen in der Ursprungsversion von Prof. Hunter Rose vom IIHR – Hydroscience & Engineering, The University of Iowa.

• Diese Lehrfilme und weiteres digitales Lehrmaterial befindet sichin der Multimedia Library des IAHR (International Association of Hydro-Environment Engineering and Research), siehewww.iahrmedialibrary.net, www.iahr.org .



• Bollrich, G., Preissler G.: Technische Hydromechanik 1 und 3, Verlag Bauwesen, 2000.

• Helmig, R., Class H.: Grundlagen der Hydromechanik, Shaker Verlag, 2005.

• Lecher, K., Lühr H.-P. & Zanke U.: Hydraulik, Kap. 4 in Zanke, U.: Taschenbuch der Wasserwirtschaft, Parey Buchverkag, 2001.

• Schröder, R.: Technische Hydraulik, Springer Verlag, 1994.

• Schröder, W., Sänger N.: Wasserbau und Wasserwirtschaft, Kap. 13A in Schneider, K.-J.: Bautabellen für Ingenieure, Werner Verlag, 2004.

• Strybny, J.: Ohne Panik Strömungsmechanik! Vieweg Verlag, 2003.

• Truckenbrodt, E.: Grundlagen und elementare Strömungsvorgänge dichtebeständiger Fluide / Fluidmechanik, Springer Verlag, Berlin, 1996.

• Truckenbrodt, E.: Lehrbuch der angewandten Fluidmechanik, Springer Verlag, Berlin, 1998.

• Truckenbrodt, E.: Elementare Strömungsvorgänge dichteveränderlicher Fluidesowie Potentialströmungen und Grenzschichtströmungen / Fluidmechanik, Springer Verlag, Berlin, 1999.

• White, F.: Fluid Mechanics Mc Graw-Hill, Inc., 1994.

• Zielke, W.: Strömungsmechanik für Bauingenieure, Universität Hannover, 1992.

Literaturhinweise



Organisatorische Hinweise

• Terminplan

• Merkblatt bei Stömungsmechanik I

• Stroe2



Gliederung


• Motivation

• Etwas Historie





Strömungsmechanik Hydrologie

Wasserbau Wasserwirtschaft

Siedlungs-wasserwirtschaft

Einordnung ins Wasserwesen

Hydrosystemmodellierung



Strömungsmechanik

Rohrströmungen

Grundwasserströmungen

Gerinneströmungen

Strömungs-experimente



Wasserbau

Fluss mit Buhnen

Wehre und Schleusen

Stauanlagen

BrechendeWellen



Hydrologie

Wasserkreislauf Niederschlag

Abfluss Bewässerung



Wasserwirtschaft

Speicher-wirtschaft Hochwasserschutz

Fluss-gebiete

Gewässermorphologie Wasserqualität

Hydraulik

Biozönose

Gewässermorphologie WasserqualitätWasserqualität

HydraulikHydraulik

Biozönose

Triade derGewässerökologie



Modeling of Hydro- and Environmental Systems

Flüsse in urbanen undländlichen Raümen

Hänge

Küstenaquifer

Schadstoffausbreitung



Umweltströmungsmechanik

GrundwasserschutzStoffausbreitung im Fluss

Stoffausbreitungim Untergrund

Ausbreitung von Treibhausgasen(CH4, CO2)



Siedlungswasserwirtschaft

Belebungs-becken

Wasser-versorgung

Kläranlagen

Kanalisation



Hochwasserschutz

Wasserströmungen im Bauingenieurwesen

Freedom Tower, New York

Bauwerke am Wasser

Palm Island Palm Island DubaiDubai

KünstlichegebauteInseln

Akashi Kaikyo BrückeJapan

Umströmte Brücke

Unterwasserbetonsohle



Weitere Strömungen im Bauingenieurwesen

Windum-strömterTower

Windum-strömteBrücke

Feuchte- und Wärmetransportdurch Bauteile

UmströnteOffshore-

Windenergie-anlage



Institut für Prozess- und Verfahrenstechnik, FAK III

• FG Verfahrenstechnik• …

Institut für Technischen Umweltschutz, FAK III

• FG Wasserreinhaltung• FG Umweltverfahrenstechnik• …

Institut für Ökologie, FAK VI

• FG Standortkunde und Bodenschutz• FG Klimatologie• …

Institut für Angewandte Geowissenschaften, FAK VI

• FG Hydrogeologie• FG Angewandte Geophysik• …

Institut für Bauingenieurwesen, FAK VI

• FG Wasserwirtschaft und Hydrosystemmodellierung

• FG Siedlungswasserwirtschaft• FG Grundbau und Bodenmechanik• ...

Institut für Strömungsmechanik und Technische Akustik, FAK V

• FG Fluidsystemdynamik – Strömungstechnik in Maschinen und Anlagen

• …

Institut für Land- und Seeverkehr, FAK V

• FG Dynamik maritimer Systeme• …

Wasser an der TU Berlin

Wasser ist eines von sieben Zukunftsfeldern.



• Fakultätsübergreifendes Innovationszentrum:

Forschungsschwerpunkt Wasser in Ballungsräumen

http://www.fsp-wib.tu-berlin.de/

• Berliner Wasserbetriebe (BWB) / Veolia Wasser

www.bwb.de

www.veoliawater.de

• KompetenzZentrum Wasser Berlin gGmbH (KWB)

http://www.kompetenz-wasser.de

• WaterPN: Water Partners Network Berlin Brandenburg

TTP Wasser: Technologie Transferplattform Wasser

http://www.waterpn.de/

http://www.fsp-wib.tu-berlin.de/fspwib/menue/ttp_wasser

Aktivitäten im Wasserbereich in Berlin und Umland



• Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB)

www.igb-berlin.de

• Geoforschungszentrum Potsdam

www.gfz-potsdam.de

• Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung

www.pik-potsdam.de

• Freie Universität Berlin, Humboldt Universität Berlin,

Brandenburgische Technische Universität Cottbus

www.fu-berlin.de www.hu-berlin.de www.tu-cottbus.de

• ….

Aktivitäten im Wasserbereich in Berlin und Umland



Gliederung


• Motivation

• Etwas Historie





Historie

Archimedes

287-212 v. Chr.

Grundlagen des Auftriebs und der Schwimmfähigkeit

Archimedische Schraube

Daniel Bernoulli

1700-1782

Fluidbewegung, „Hydrodynamik“, Druckmessung, Energieprinzip zur

Bestimmung der Geschwindigkeitshöhe

Titelblatt: „Hydrodynamica“



Historie

Leonhard Euler

1707-1783

Bedeutung des Drucks für die Fluidbewegung, grundlegende Gleichungen der Bewegung,

Kavitationdt

dp

vg

Euler-Gleichung

Louis Marie Henri Navier

1785-1836

Erweiterung der Bewegungsgleichungen um „molekulare“ Kräfte

dt

dp

vvg 2

Navier-Stokes-Gleichung



Historie

Henri Philibert Gaspard Darcy

1803-1858

Darcy-Gesetz

Versuchsaufbau

Ludwig Prandtl

1875-1953

Begründer der heutigen Fluidmechanik, Grenzschichttheorie

Versuchsgerinne



Gliederung


• Motivation

• Etwas Historie





R. Hinkelmann


Strömungsmechanik I



Fluideigenschaften und Hydrostatik

• Fluideigenschaften

• Hydrostatik



Kinematik und Erhaltungssätze

• Kinematik I

• Erhaltungssätze

(am Kontrollraum)



Rohr-, Grundwasser- und Potentialströmungen

• Rohrströmungen

• Grundwasser- und

Potentialströmungen



R. Hinkelmann


Strömungsmechanik II



Gerinneströmungen und Kinematik

• Gerinneströmungen

• Kinematik II



Erhaltungssätze und Grenzschichtströmungen

• Erhaltungssätze (inkrementell)

• Grenzschichtströmungen



Strömungskräfte und Ähnlichkeitstheorie

• Strömungskräfte

• Ähnlichkeitstheorie,

experimentelles Versuchswesen



Gliederung


• Motivation

• Etwas Historie





Stömungs- und Bodenmechanik

• sind beides Bestandteile der Mechanik bzw. Kontinuumsmechanikähnlich wie Strukturmechanik, Statik, Stahl-, Massivbau etc.

• basieren wie z.B. die Statik auf Bilanzgleichungen, z.B. Impulserhaltungbzw. Kräftegleichgewicht.

• benötigen Stoffgesetze ähnlich wie das Hook’sche Gesetz: = E

• benötigen kinematische Beziehungen ähnlich = du / dx.

Es werden jedoch andere Medien bzw. Stoffe verwendet, nämlich (haupt-sächlich) Wasser und Luft bzw. unterschiedliche Böden (Sand, Ton, ...).

Im Detail gibt es natürlich vielfältige Unterschiede zwischen Struktur-, Boden- und Strömungsmechanik.

Strömungs- und Bodenmechanik sind häufig komplexer z.B. aufgrundStrukturerkundung, Stoffgesetze, Nicht-Linearitäten, ‘Lastermittlung’, …



Stömungs- und Bodenmechanik

Es gibt vielfache enge Verknüpfungen:

• Grundwasser / poröse Medien: - Baugruben wasserfrei halten- Trinkwasser, …- …

• Umströmung von Bauwerken: - Gebäude- Spundwände-> Sohldruck, Wasserdruck, Auftrieb, …- …

• Wasserbauwerke: - Deich, Damm -> Durch- und Unterströmung- Wehr, Staumauer -> Unter- und Überströmung- Belastungen aus Wasser -> geotechnische Nachweise

für Standsicherheit- …



Stömungs- und Bodenmechanik• Neuere Anwendungsgebiete:

- Offshore-Windenergieanlagen

- Gebäude- und Landabsenkungen

- (Groß)Hangrutschungen

- …

• Zunächst Kennenlernen der neuen ‘Materialien’ und anschließendeinfache Zusammenhänge und Gesetzmäßigkeiten.



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Einführung

ENDE

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Strömungsmechanik I und II - Einführung · • Warum Modul Strömungs- und Bodenmechanik ? Fachgebiet Wasserwirtschaft und Hydrosystemmodellierung Technische Universität Berlin