Bemessung statischer Mischer für die Erzeugung gleichmäßiger Strömungen in Dotationsbecken von Fischaufstiegsanlagen
Die vorliegende Arbeit stellt eine neue Möglichkeit vor, Strahlen, die aus Rohrausleitungen in schmale rechteckige Kanäle gleitet werden, zu vergleichmäßigen. Das System besteht aus einem statischen Mischer und überführt Strahlen mit sehr geringem Platzbedarf in gleichmäßige Kanalströmungen. Der Anwendungsbezug dieser Entwicklung dient der Gestaltung von Dotationsbecken, welche für die Einleitung größerer Wassermengen (Dotation) in Fischaufstiegsanlagen genutzt werden. Dotation ist an Fischaufstiegsanlagen großer Fließgewässer mit Wasserkraft notwendig, um eine für aufwandernde Fische wahrnehmbare Leitströmung zu erzeugen. Somit stellt diese Arbeit einen Beitrag für die Wiederherstellung der ökologischen Durchgängigkeit an großen Fließgewässern dar.
Problematisch ist hierbei, dass der Durchfluss in der Regel mit Rohrleitungen in das Dotationsbecken geleitet wird und sich hierin als Strahl mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten ausbreitet. Derartige Strahlen machen den Wanderweg entlang der Einleitungsstelle für Fische unter Umständen unüberwindbar. Aus diesem Grund empfehlen Leitfäden für den Bau von Fischaufstiegsanlagen die Dotation möglichst langsam, mit gleichmäßig verteilten Strömungsgeschwindigkeiten und turbulenzarm einzuleiten. Um dieses Ziel zu erreichen sind die Strahlen vor der Einleitung in die Fischaufstiegsanlage in eine Strömung mit gleichmäßigem und turbulenzarmen Geschwindigkeitsprofil zu überführen (Vergleichmäßigung). Die Vergleichmäßigung muss in der Regel möglichst effektiv, also mit geringem Platzbedarf, erfolgen, da an vielen Standorten für Fischaufstiegsanlagen ein sehr begrenztes Platzangebot vorliegt. In der aktuellen Literatur über den Bau von Fischaufstiegsanlagen fehlen jedoch konkrete Bemessungsgrundlagen, wie genau Dotationsbecken zu diesem Zweck gestaltet werden können. Infolgedessen sind zur Verringerung von Planungsunsicherheiten derzeit große Dotationsbecken oder planungsunterstützende Modellversuche notwendig. Um diese Be-messungslücke zu schließen, wird im ersten Schritt ein Kriterium zur Bewertung der Gleichmäßigkeit in der Strömung von Dotationsbecken eingeführt. Im zweiten Schritt werden Einbauten für die Vergleichmäßigung von Strahlen in Dotationsbecken (Vergleichmäßigungselemente) getestet. Im dritten Schritt werden statische Mischer, welche sich als sehr effektive Vergleichmäßigungselemente herausgestellt haben, tiefergehend untersucht.
Das Bewertungskriterium beurteilt die Gleichmäßigkeit der Strömung im Dotationsbecken im Vergleich zu einer Referenzströmung. Hierbei wird die Gleichmäßigkeit einer Strömung mit der räumlichen Standardabweichung der mittleren Geschwindigkeiten in x-Richtung (Hauptfließrichtung) eines Querschnitts beschrieben. Da Dotationsbecken aus hydraulischer Sicht schmale rechteckige Kanäle (Verhältnis von Breite und Fließtiefe < 5) darstellen, wird als Referenzströmung die voll entwickelte Strömung solcher Kanäle festgelegt. Für die Berechnung der Referenzströmung werden analytische und numerische Modelle (DES-Turbulenzmodell) eingesetzt und eine Gleichung zur Vorhersage der möglichen Gleichmäßigkeit abgeleitet.
Potenziell geeignete Vergleichmäßigungselemente sollten Strahlen umlenken und/oder zerteilen, um eine effektive Abnahme der maximalen Strömungsgeschwindigkeiten zu erzeugen. Nachteilig wirken sich in diesem Zusammenhang jedoch Prozesse aus, bei denen Oberflächenstrahlen oder sich vereinigende Strahlen ausgebildet werden. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen werden neun Vergleichmäßigungselemente mit numerischen Modellen (RANS-Turbulenzmodell) untersucht und anhand der Referenzströmung bewertet. Im Vergleich untereinander sind statische Mischer, welche ursprünglich für die laminare Vermischung hochviskoser Stoffe entwickelt wurden und hier erstmalig für eine Vergleichmäßigung von turbulenten Strahlen in Becken getestet werden, am wirksamsten.
Weiterführende Untersuchungen über die Funktionsweise von statischen Mischern zei-gen, dass deren Wirksamkeit maßgebend von dem Verhältnis aus Strömungsgeschwindigkeit in der Zuleitung und Strömungsgeschwindigkeit im Dotationsbecken abhängt. Zu hohe Geschwindigkeiten in der Zuleitung verursachen einen Aufstau zwischen Zuleitung und statischem Mischer, welcher eine hydraulische Überlastung (stärkere Durchströmung des oberen Bereiches) erzeugt und folglich die Abströmung weniger gleichmäßig wird. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, kann die Zuströmungsgeschwindigkeit durch den Einsatz mehrerer Rohrleitungen reduziert werden. Ein Abgleich der numerischen Modellversuche mit gegenständlichen Modellversuchen zeigt sehr gute Übereinstimmungen. Schlussendlich werden anhand einer Dimensionsanalyse Bemessungsparameter definiert und Regeln für die Bemessung statischer Mischer empirisch abgeleitet. Anhand dieser kann die Strömungsgeschwindigkeit in der Zuleitung, die notwendige Dotationsbeckenlänge zum Erreichen einer gleichmäßigen Strömung, der Aufstau und der Energiehöhenverlust für eine Bandbreite an Randbedingungen dimensioniert werden. Das neuartige System mit statischem Mischer ermöglicht es allgemein, sehr gleichmäßige Geschwindigkeitsprofile in kurzen Becken, etwa in der Länge von fünf Dotationsbeckenbreiten, zu erreichen.
In this study, a new system homogenizing jets, fed by pipes into a narrow rectangular channel, is presented. The system consists of a static mixer and enables the transition of jet flow into channel flow within minimal space requirements. It is designed for supply structures, which are used for the addition of large discharges (auxiliary water) into fishways. Auxiliary water for fishways is necessary at large rivers with hydro power, in order to generate sufficient attraction flow. Thus, this study represents a contribution to the restoration of ecological passability at large rivers.
Usually, the auxiliary flow is fed by pipes into the supply structure, wherein it propa-gates as a jet with high flow velocities. Such flow conditions may prevent fish from migrating upstream the fishway along the supply point. Therefore, fish biologists demanding slow and homogeneously distributed supply velocities with low turbulence rates in order to prevent negative effects on passing fish. Jets have a low rate of homogenization and long structures are necessary for homogeneous flow to develop. Contrary to this, space is usually very limited near hydropower plants. For this reason, homogenization elements are necessary to enable shorter supply structures. However, these requirements are hard to meet since fishway-guidelines are unspecific in terms of design recommendations. In order to close this knowledge gap in designing fishways, an evaluation criterion for homogeneity in supply flow is defined, in a first step. In a second step, different homogenisation elements were tested. In a third step, static mixer, which have been shown to be very effective in jet homogenisation, were investigated in more detail.
The evaluation criterion defined in this study, rates the homogeneity of supply flow in comparison to a reference flow. Homogeneity is described by the spatial standard deviation of the mean velocities in the main flow direction (x-direction) of a cross section. Since flow of supply structures represent narrow rectangular channel flow (ratio of width to flow depth < 5), the fully developed flow of such channels is defined as the reference flow. Analytical and numerical models (DES turbulence model) are used to calculate the reference flow and an equation is derived to predict the potential homogeneity in supply flow.
Potentially suitable homogenisation elements should deflect and/or split jets to generate an effective decrease of the maximum flow velocities. But flow conditions in which surface jets or merging jets are created have a disadvantageous effect in this context. Based on these findings, nine homogenization elements were tested by means of CFD models (RANS turbulence model) and the new defined evaluation criterion. In comparison, static mixers, which are well-established for mixing highly viscose fluids in chemical industries and here tested regarding jet homogenization for the first time, are the most effective.
Further investigations about static mixers show that their effectiveness depends on the ratio of the velocity inside the supply pipe and the velocity inside the supply structure. Excessively high velocities in the supply pipe are causing backwater rise upstream of the static mixer. Backwater rise creates overtopping and consequently the downstream flow becomes less homogeneous. To counteract this effect, several supply pipes can be used in order to reduce the inflow velocity. The numerical model tests are in good agreement with physical model tests. Finally, design parameters are defined with the help of a dimensional analysis and rules for the static mixer design are derived empirically. Based on these, the flow velocity in the supply pipe, the supply structure length necessary to achieve homogeneous flow, the backwater rise and the energy loss can be determined for a wide range of boundary conditions. The novel static mixer system generally makes it possible to achieve very homogeneous velocity profiles in short structures, approximately a length of five supply structure widths.
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