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Gerinneströmung

 
     
  Gerinneabfluss, Strömung in einem Gerinne. Je nach Vorhandensein oder Nichtvorhandensein der lokalen Beschleunigungv/t (v = Fliessgeschwindigkeit, t = Zeit) wird zwischen instationärer und stationärer Strömung unterschieden. Ferner können bei jedem beliebigen Fliessvorgang einerseits konvektiv beschleunigte oder verzögerte Strömungen auftreten (ungleichförmige Strömungen) und andererseits solche, bei denen die konvektive Beschleunigung Null wird (gleichförmige Strömung) (Abb. 1). Die Bewegung einer Flüssigkeit kann als laminare oder turbulente Strömung vor sich gehen (Abb. 2). Bei der laminaren Strömung bewegt sich jedes Wasserteilchen entlang eines speziellen Weges mit einer einheitlichen Geschwindigkeit. Zwischen benachbarten Stromlinien, Schichten oder fliessenden Elementen findet kein Austausch (Diffusion) statt, d.h. es ist keine Turbulenz vorhanden. Die Energie, die für die Aufrechterhaltung des viskosen Fliessens nötig ist, wird innerhalb der Flüssigkeit durch die innere Reibung in Wärme umgesetzt. Bei laminarer Strömung schwankt die Schubspannung τ gleichmässig zwischen Null an der Oberfläche und einem Maximalwert an der Grenzfläche. Als Folge hiervon ergibt sich eine parabolische Abhängigkeit der Fliessgeschwindigkeit v von der Wassertiefe h. In den Flussläufen sind meist Verwirbelungen grösseren Umfangs vorhanden, so dass ein laminares Strömen nur in sehr langsam fliessenden Flüssen angetroffen wird. Wenn die Fliessgeschwindigkeit oder die Wassertiefe in einem Wasserlauf steigen, kann eine vorhandene laminare Strömung einen kritischen Wert erreichen und in turbulente Strömung übergehen. Der Übergang von der laminaren in die turbulente Strömung wird durch die Reynoldsche Zahl gekennzeichnet. Turbulenz verursacht kleine Geschwindigkeitsfluktuationen, die kohärent (in Wirbeln) und zufällig in alle Richtungen verteilt sind. Das Mittel dieser Geschwindigkeiten über einen längeren Zeitraum ist Null. Die Energieumsätze bei turbulentem Fliessen sind hoch. Dies ist durch den ständigen Austausch finiter Massenelemente in der Flüssigkeit zwischen benachbarten Fliesszonen bedingt. Der Widerstand gegen das Fliessen steigt mit dem Quadrat der Fliessgeschwindigkeit. Aus den genannten Gründen besteht bei turbulentem Fliessen ein besonderer Zusammenhang zwischen Wassertiefe und Fliessgeschwindigkeit. Zunächst nimmt die Fliessgeschwindigkeit mit zunehmender Wassertiefe nur langsam ab. In der Nähe der Gewässersohle erfolgt dann eine plötzlich einsetzende starke Abnahme (Abb. 3). Weiterhin wird bei den Bewegungsarten zwischen Strömen und Schiessen unterschieden. Beim Strömen verläuft die Fliessbewegung ruhig, beim Schiessen schneller und heftiger. Bei kleinen Wassertiefen mit kleiner potentieller Energie ist bei einer bestimmten Wasserführung die kinetische Energie gross, d.h. die Bewegung des Wassers erfolgt bei geringer Wassertiefe mit grosser Fliessgeschwindigkeit. Diese Bewegungsart wird daher als schiessend bezeichnet. Ist dagegen bei gleicher Wasserführung die Wassertiefe gross und die Fliessgeschwindigkeit klein, d.h. die potentielle Energie gross gegenüber der kinetischen Energie, erfolgt der Fliessvorgang strömend. Ein Kriterium dafür, ob eine Strömung schiessend oder strömend erfolgt, bildet die Froude-Zahl. Das Strömen oder Schiessen des Wassers im Gerinne ist unabhängig von der laminaren oder turbulenten Strömungsform. Der Übergang vom Strömen zum Schiessen (Grenztiefe) im Gerinne vollzieht sich stetig, der Übergang vom Schiessen zum Strömen dagegen mit unstetigem Wasserspiegel, d.h. sprungartig (Wechselsprung).


0 und verzögerte Strömungv/t < 0), mit J = Gefälle, Jw = Wasserspiegelgefälle, Js = Sohlgefälle.

GerinneströmungGerinneströmung 2: schematische Darstellung der Fliesswege benachbarter Wassermoleküle bei laminarer (a) und turbulenter (b) Strömung.

GerinneströmungGerinneströmung 3: Fliessgeschwindigkeit v (vm = mittlere Fliessgeschwindigkeit) in Abhängigkeit von der Wassertiefe h für laminare und turbulente Strömung.
 
 

 

 

 
 
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