DE19962239C2 - Vorrichtung zur Erzielung einer symmetrischen Einengung in "offenen" Gerinnen beliebigen Querschnitts, insbesondere zur Durchflußmessung mit Staukörpern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzielung einer symmetrischen Einengung in "offenen" Gerinnen beliebigen Quer­ schnitts, insbesondere zur Durchflußmessung mit Staukörpern. Als sog. hydraulisches Verfahren wird der Venturi-Kanal vor allem bei der Abwasserableitung zur Durchflußmessung eingesetzt. In der gegenwärtig verwendeten und in der DIN 19 559, Teil 2, ge­ normten Version wird im Gerinne durch zwei strömungsgüstig ge­ staltete Staukörper, welche an den beiden Gerinnewänden symme­ trisch angeordnet sind, für den strömenden Zufluß ein Fließwech­ sel beim Passieren der Verengung erzwungen. Mit dem Durchlaufen der Grenzverhältnisse sind nach dem Extremalprinzip der Hydrau­ lik eindeutige Beziehungen zwischen den Verhältnissen in der Engstelle und oberstrom/anströmseitig der Einengung herleitbar, welche in Abhängigkeit von der Wassertiefe im Oberwasser eine Bestimmung des Durchflusses erlauben.

Die Gestaltung des lichten Querschnitts in der Engstelle ist frei wählbar. In der Regel kommen Rechteck- oder Trapezquer­ schnitte zum Einsatz. Die konstruktive Gestaltung des Staukör­ pers beim Übergang von der ursprünglichen Gerinneform auf den Querschnitt in der Einengung soll strömungsgünstig erfolgen. Dies geschieht in der Regel dadurch, daß im Horizontalschnitt eine tangentiale Anbindung des den eingeengten Querschnitt re­ präsentierenden Profils in Form eines Kreisbogens oder einer Ellipse erfolgt. Die Verschneidung des Kreisbogens mit dem ur­ sprünglichen Gerinnequerschnitt erfolgt über einen stumpfen Winkel, mit der schwieriger zu realisierenden Ellipsenform ist eine rechtwinkelige Anbindung möglich. Bei der Verwendung eines Trapzequerschnitts in der Einengung führt dies bei der Verwen­ dung eines Kreisbogens mit einem konstanten Radius zu einem kürzeren Übergangsbereich im oberen Teil des Gerinnes, wenn diese Einengung z. B. in ein Rechteckgerinne eingebracht wird.

Im Bereich dieser Verziehung wird die Strömung beim Übergang zum kleineren Querschnitt in der Verengung beschleunigt. Die mit Hilfe der mittleren Geschwindigkeit im Querschnitt eindimensio­ nal berechnete Strömung vereinfacht eine in Wirklichkeit hoch­ komplexe dreidimensionale Strömung, bei welcher infolge der Verengung Quergeschwindigkeiten senkrecht zur Strömungsrichtung und Vertikalgeschwindigkeiten infolge der Verringerung der Was­ sertiefe auftreten. Die Vertikalgeschwindigkeiten sind besonders ausgeprägt an der Berandung der Verziehung. Die aus der Über­ lagerung zwischen der Längs-, Quer- und Vertikalkomponente ent­ stehenden örtlichen Geschwindigkeiten übersteigen die mittlere Geschwindigkeit in den entsprechenden Querschnitten beträcht­ lich, was im Wasserspiegelquergefälle und den überproportional starken Absenkungen in Wandnähe zum Ausdruck kommt.

Bei ungünstiger Gestaltung der Verziehung kann es dabei zu Ge­ schwindigkeiten kommen, welche die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Störungen überschreiten. Als unmittelbare Folge davon sind am Wassespiegel im Bereich der Verziehung Stoßwellen zu beobach­ ten, welche darauf hindeuten, daß bereits überkritische Ge­ schwindigkeiten vor der eigentlichen Verengung erreicht werden. Zugleich sind mit den gekrümmten Strombahnen Druckumlagerungen im Inneren des Strömungsfeldes verbunden, welche der Annahme der hydrostatischen Druckverteilung widersprechen. In der DIN 19 559, Teil 2, wird als günstige Länge für die Verziehung das 1,5fache der Breitenänderung angegeben, in der entsprechenden britischen Norm wird das 2fache empfohlen.

Zur Erzielung von einigermaßen parallelen Stromlinien wird der Querschnitt der Engstelle im Anschluß an die Verziehung über eine vorgegebene Länge konstant gehalten. In diesem Bereich kann wohl eine Druckumlagerung erfolgen, die Stoßwellen an der Ober­ fläche werden dadurch jedoch nicht beeinflußt und es kommt bei genügender Länge der Drosselstrecke zur Überlagerung der an den Berandungen ausgelösten Wellenzüge. Diese Unzulänglichkeiten der bisherigen Ausführung beeinträchtigen die Zuverlässigkeit der Messung.

Zur Erzeilung einer symmetrischen Einengung in offenen Gerinnen zur Durchflussmessung mit Staukörpern offenbart DE 196 01 646 C1 eine Vorrichtung, wobei die Staukörper durch die dafür erforderliche Verziehung vom unverbauten Querschnitt zum Querschnitt der Engstelle so ausgebildet sind, daß die Kurven der wasserseitigen Berandung tangential an den Querschnitt in der Engstelle anbinden, wobei die Ausrundungshalbmesser mit wachsender Entfernung von der Gerinnesohle abnehmen.

Ferner zeigt der Prospekt 1.1.1-2 von 1988 der Firma Züllig AG in CH 9424 Rheineck/SG: 'Züllig Wassermengenmessung in Freispiegelkanälen' Messgerinne mit Staukörpern, wobei ebenfalls deren Ausrundungshalbmesser mit wachsender Entfernung von der Gerinnesohle abnehmen.

Eine wesentliche Verbesserung in der Funktion einer symmetri­ schen Einengung in offenen Gerinnen oder Kanälen beliebigen Querschnitts, insbesondere auch bei einem Venturi-Kanal, wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Staukörper allein durch die dafür erforderliche Verziehung vom unverbauten Quer­ schnitt zum Querschnitt in der Engstelle so gebildet sind, daß die Kurven der wasserseitigen Berandung tangential an den Quer­ schnitt in der Engstelle anbinden und an dieser Stelle Ausrun­ dungshalbmesser in Horizontalschnitten aufweisen, die mit wach­ sender Entfernung von der Gerinnesohle zunehmen, insbesondere als Venturi-Düse ausgebildet.

Hierdurch werden die bisher örtlich auftretenden starken Druck­ umlagerungen durch eine dreidimensionale Gestaltung dieser Stau­ körper weitgehend vermieden. Im Gegensatz zu den bisher verwen­ deten Staukörpern resultiert daraus eine mit der Höhe zunehmende Länge der erforderlichen Verziehung, was zu einer vorspringenden Konstruktion führt. Die mit der Höhe über der Sohle zunehmende Länge der Verziehung hat zur Folge, daß mit zunehmendem Durch­ fluß und steigendem Oberwasserstand auch die durch die Wasser­ oberfläche am Rande der festen Berandung gebildeten Stromlinie bis zum Verzeihungsende allmählich verlängert wird. Bei konstan­ ter Länge der Verziehung nimmt dagegen die Vertikalkomponente der Geschwindigkeit im Bereich der Verziehung mit dem Durchfluß zu. Die Veränderung der Länge kann dem gewählten Einschnürungs­ verhältnis angepaßt werden.

Da mit der neuartigen Gestaltung der Verziehung die Wasserspie­ gelabsenkung im Beschleunigungsbereich ohne störende örtliche Druckumlagerungen erreicht werden soll, ist die Ausbildung einer sog. Drosselstrecke mit gleichbleibendem Querschnitt zur Erzie­ lung paralleler Strombahnen nicht mehr erforderlich. Damit kann trotz der aufwendigeren Gestaltung der Verziehung die erforder­ liche Länge der Staukörper insgesamt verkürzt werden. Aus diesem Grund wird die erfindungsgemäß vorgeschlagene Konstruktion Ven­ turi-Düse genannt.

Es wird nicht verkannt, daß zur Verbesserung der oben erwähnten Unzulänglichkeiten des Standes der Technik, wo der Querschnitt der Engstelle im Anschluß an die Verziehung über eine vorgegebe­ ne Länge konstant gehalten wurde, dies nur durch eine Anpassung der Verziehung an die dreidimensionale Struktur der Strömung erreicht werden konnte. Solche im Prinzip bekannte Vorrichtungen wurden jedoch nie auf dem hier angesprochenen Gebiet eingesetzt, sondern beispielsweise bei der Aufgabe, den Wellenwiderstand des Bugs moderner Schiffe so zu verändern, daß die Entstehung von Wellen auf ein Minimum beschränkt wird. Die Lösung gemäß der Erfindung ist auch darin zu sehen, daß die entwickelte Form der Gestaltung des Schiffskörpers in völlig überraschender Weise für das oben geschilderte Problem in Anwendung kam und angepaßt wurde. Man konnte auch nicht auf analoge Lösungen zurückgreifen und diese übertragen, da das Schiff sich ja im allgemeinen in einem seitlich nicht begrenzten Strömungsfeld bewegt, so daß nur aufgrund der Kenntnisse der Erfindung einzelne Gestaltungsele­ mente in neuartiger Weise hier zur Anwendung kamen.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sollen nun mit bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden, in denen

Fig. 1 in der Draufsicht/Seitenansicht und in vier Schnitten, die sämtlich zusammen gehören, die Maßnahme nach der Erfindung erläutert,

Fig. 2 das Staukörperprofil mit einem Bermenbereich und

Fig. 3 erläutert den Stand der Technik, einmal für einen Tra­ pez-, einmal für einen Rechteckquerschnitt.

Die Vorteile der Maßnahme nach der Erfindung (insbesondere Ven­ turi-Düse) werden nachstehend durch Gegenüberstellung mit der bisher verwendeten Form des Venturi-Kanals beschrieben. So be­ steht die genormte Form den Venturi-Kanals nach Abb. 3 (Bild oben: Trapezquerschnitt; Bild unten: Rechteckquerschnitt) aus einer Drosselstrecke 1 mit einer vorgeschalteten Verziehung 2, welche einen möglichst strömungsgünstigen Übergang vom ursprünglichen Gerinnequerschnitt 3 hat. Unter "Verziehung" wird hier der Querschnittsübergang verstanden. Die Verziehung ermög­ licht einen tangentialen Übergang zur Drosselstrecke und ist normalerweise in der Horizontalen durch Kreisbögen 5 gebildet. Sind dagegen die Querschnitte von Gerinne und Drosselstrecke rechteckig (Fig. 3b unten), so ist die Verschneidungslinie der Verziehung mit dem Gerinne eine vertikale Gerade 6. Dagegen ist bei einem Trapezquerschnitt in der Drosselstrecke diese Ver­ schneidungslinie 7 in Fließrichtung geneigt (oberes Bild). Von oben nach unten in Fig. 3 sind also zu sehen
die Rinne in der Draufsicht,
das Gerinne in der Seitenansicht (schematisch),
das Gerinne längs der Schnitte A-B; C-D; E-F, wobei E-F sich auf den Schnitt der unteren Darstellung bezieht.

Die untere Darstellung gemäß Fig. 3b (ebenfalls Stand der Tech­ nik) zeigt den Übergang einmal von oben, einmal von der Seite.

Schnitt A-B: Rinne ohne Staukörper,

Schnitt E-F: Wasserstand bzw. Gerinne in der Drosselstelle bei Rechteckquerschnitt.

Demgegenüber zeigt Fig. 1 die Maßnahme nach der Erfindung. Die gleichen Bezugszeichen bedeuten gleiche Elemente.

Neu und erfinderisch ist, was beispielsweise in bezug auf die Ausführungsform der Fig. 1 schematisiert ist: der neue Staukör­ per nach der Erfindung zeigt im Aufriß eine nach oberstrom ge­ neigte Verschneidungslinie 8. Diese Verschneidungslinie ist das Ergebnis der Abstimmung der gewählten Verziehung mit dem Ein­ schnürungsverhältnis der zugehörigen Querschnittsgestaltung im engsten Querschnitt.

Eine Vorgabe für die Gestaltung kann z. B. sein, daß die mittlere Vertikalgeschwindigkeit im Bereich der Verziehung über den gan­ zen Meßbereich konstant bleibt. Die in Fig. 1 gezeigte Gerade 8 für die Verschneidungslinie ist daher exemplarisch. In Anlehnung an die Querschnittsgestaltung von Schiffskörpern haben die Horizontalschnitte 11 durch die Staukörper 10 mit der Entfernung von der Gerinnesohle zunehmende Ausrundungshalbmesser 12, in Fig. 1 beispielhaft in fünf Ebenen dargestellt. Der Staukörper 10-11 gleicht in der Form einem aufgeschnittenen mit der sich erweiternden Seite in Stromrichtung weisenden Schiffsbug, wobei die Hälften sich gegen die insbesondere vertikalen Seitenwandun­ gen der Rinne anlegen. Die Staukörperoberflächen sind vollkommen glatt, die Schnitte dienen nur der Verdeutlichung der Lage der räumlichen Krümmungskurven. Dabei entsprechen die Vertikal­ schnitte A-A; B-B; C-C und D-D den Spantenquerschnitten, wie sie im Schiffsbau geläufig sind, die Darstellung in Fig. 1 ist für drei Schnitte 11 des Staukörpers 10 gegeben.

Im Bereich der größten Einengung am Ende der Staukörper kann der resultierende Querschnitt beliebige Form annehmen, im einfach­ sten Fall sogar einen Rechteckquerschnitt aufweisen. Für die hydraulische Wirksamkeit ist es unerheblich, ob dieser Quer­ schnitt in Gestalt der bisherigen Drosselstrecke 9 weitergeführt wird. Dadurch entstehen lediglich Reibungsverluste. Man erkennt durch die Beschleunigung im Staukörper trotz des geringer wer­ denden Querschnittes die abnehmende Wasserstandshöhe im Bereich der Verziehung 2, die dann im Bereich der Drosselstrecke 9 noch einmal abfällt. Verdeutlicht wird dies auch durch den Schnitt A- A, wo erst der Staukörper (rechts und links zu sehen) beginnt. Im Schnitt B-B, wo der Staukörper schon stärker ausgebildet ist und im Schnitt C-C, wo der Staukörper bereits die Sohle erreicht hat. Schnitt D-D zeigt dann einen Schnitt durch die Drossel­ strecke, wo die Wandungen bereits wieder gerade sind. Man er­ kennt beispielsweise in Figur C-C sehr gut, wie der Schiffsbug (die Form) "auseinandergeschnitten" und gedacht rechts und links auseinandergezogen ist, so daß eine strömungsbegünstigende Form besteht. Das Wasser wird unabhängig von der Füllhöhe optimal in den Drosselquerschnitt, beginnend von einem Vollquerschnitt, geleitet.

Zu den offenen Gerinnen zählen gemäß in der Hydraulik üblichen Definition auch die sog. überdeckten Gerinne der Abwasserablei­ tung, welche normalerweise mit freiem Wasserspiegel unter Teil­ füllung beaufschlagt werden. Bei großen Abwassersammlern können diese Kanäle auch als Sonderprofile mit sog. Trockenwetterrinnen ausgebildet werden. Bei den herkömmlichen Staukörpern für die Venturi-Kanäle wird die Gestalt des Staukörpers im Verziehungs­ bereich durch das vorhandene unverbaute Profil und den gewählten Querschnitt in der Einengung beeinflußt. Im einfachsten Fall wird z. B. in ein Kreisprofil ein Venturi-Kanal mit einem recht­ eckigen oder trapezförmigen Querschnitt in der Einengung kon­ struiert, welcher im Sohlen- und Scheitelbereich durch die ver­ bleibenden Kreissegmente ergänzt wird. Bei einem konstanten Ausrundungsradius und einer Engstelle mit Rechteckprofil wird durch die Verschneidung des Staukörpers mit dem Kreisprofil eine Linie geformt, welche oberhalb der Rohrachse einen rückbiegenden Verlauf annimmt. Bei derarigen Profilen tritt somit eine ein­ wärts gerichtete Querkomponente bei der Anströmung aus höheren Füllungsgraden nicht mehr auf. Verstärkt ist daher auf die Kom­ pensation der anwachsenden Vertikalkomponente zu achten.

Bei den Sonderprofilen wurden bisher sowohl für die Trockenwet­ terrinne als auch für den aufgeweiteten Querschnitt eigene Stau­ körper eingesetzt. Bei Abflüssen mit Oberwassertiefen im Bereich der Bermen traten die bereits geschilderten Stoßwellen in der Drosselstrecke besonders deutlich auf. Ursache hierfür waren die unzureichenden Verziehungslängen in diesem Bereich.

Bei Berücksichtigung der erfindungsgemäßen Vorteile auf diese Querschnitte führt dies zu einem durchgehenden Staukörper im Verziehungsbereich. Im engsten Querschnitt 9 wird dadurch eine Berandung vorgegeben, welche im Bereich der Berme lediglich eine Änderung in der Neigung (bei 14) aufweist, wie Fig. 2 verdeut­ licht.

Wie man sieht, führt dies zu einer beträchtlichen Zunahme der Länge der Verziehung oberhalb der Berme 16, welche zur Vermeidung von Störungen keine sprunghaften Veränderungen aufweisen darf.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Staukörper in Gestalt der Venturi-Düse wird die Berechnung der Wasserstand-Abflußbe­ ziehung für den Venturi-Kanal lediglich in bezug auf die zu erwartenden Verluste beeinflußt. Die strömungsgünstigere Gestal­ tung verringert diese Verluste. Damit ist auch eine Verringerung der zu erwartenden Meßfehler verbunden. Aus diesem Grund wird auch die Verziehung in ihrer räumlichen Ausdehnung den zunehmen­ den Vertikalgeschwindigkeiten angepaßt. Ein Staukörper mit durchgehend sehr großen Ausrundungsradien bewirkt wohl eine störungsfreie Führung der Strömung. Bei kleinen Fließtiefen sind dagegen die Randstromlinien gegenüber der erfindungsgemäßen Lösung wesentlich länger, so daß ein Teil der Vorteile wieder durch eine erhöhte Wandreibung in diesem Bereich verlorengeht.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Erzielung einer symmetrischen Einengung in "offenen Gerinnen" beliebigen Querschnitts mit Staukörpern, insbesondere zur Durchflussmessung, wobei die Staukörper allein durch die dafür erforderliche Verziehung vom unverbauten Querschnitt (3) zum Querschnitt in der Engstelle (1) so gebildet sind, daß die Kurven der wasserseitigen Berandung tangential an den Querschnitt (1) in der Engstelle anbinden, dadurch gekennzeichnet, dass sie an dieser Stelle Ausrundungshalbmesser (12) in Horizontalschnitten (11) aufweisen, die mit wachsender Entfernung von der Gerinnesohle zunehmen, insbesondere Venturi-Düse.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Staukörper die Form eines senkrecht aufgeschnittenen Schiffsbugs hat (haben).

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Staukörper die Form eines senkrecht aufgeschnittenen Schiffsbugs bei Rechteckquerschnitt des Gerinnes hat (haben), wobei der halbe Schiffsbug mit seiner Anström- oder Staupunktseite und seiner Innenseite gegen die insbesondere senkrechten Seitenwandungen des Gerinnes angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurven der Berandung in unterschiedlichen Höhen, von der Gerinnesohle aus gesehen, jeweils als Kreisbogen ausgebildet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektion der Staukörper auf eine vertikale Seitenwand des Gerinnes für größer werdende Wassertiefen sich immer weiter nach oberstrom erstreckt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die so gebildete Venturi-Düse zusätzlich mit einer Drosselstrecke mit konstantem Querschnitt anschließend an den kleinsten Querschnitt versehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei zusammengesetzten Querschnitten ein kontinuierlicher Verlauf der Verziehung, auch im Bereich der Berme, gegeben ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Gerinnen mit überdecktem Querschnitt (z. B. Kreisprofil) die Verschneidungslinie zwischen Staukörper und Gerinne auf der Anströmseite im Querschnittsbereich mit abnehmender Gerinnebreite zumindest vertikal verläuft.