DE4238830A1

DE4238830A1 - Verfahren zum hydraulischen Verzweigen einer offenen Strömung sowie hydraulisch arbeitende Kanalverzweigung

Info

Publication number: DE4238830A1
Application number: DE4238830A
Authority: DE
Inventors: Anton Felder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-11-17
Filing date: 1992-11-17
Publication date: 1994-05-19
Also published as: EP0673456A1; MX9307190A; AU5624394A; TR27196A; PL171636B1; PL308758A1; ATE140744T1; DE59303339D1; CN1103691A; WO1994011580A1; EP0673456B1; JPH08508071A; US5567079A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum hydraulischen Verzwei gen einer offenen Strömung mit wenigstens einer gerade ausgehen den Hauptströmung eines bestimmten Impulses und einer oder meh reren Abzweigströmungen.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine solche hydraulisch arbei tende Kanalverzweigung zur Verteilung von Flüssigkeiten, ins besondere Wasser, in offenen Kanälen.

Gegenstand der Erfindung ist schließlich die Anwendung des Verfahrens sowie der Kanalverzweigung im Wasserbau, der Sied lungswirtschaft und Bewässerungstechnik.

Kanaltrennungen von offenen Kanälen werden in ganz spezifischen Anwendungen der Hydraulik angetroffen, nämlich dort wo Wasser verteilt werden muß. Solche Aufgaben stellen sich sowohl im Wasserbau, als auch in der Siedlungswasserwirtschaft und in der Bewässerungstechnik. Während bei Bewässerungsanlagen Feldern das Wasser zugeführt werden muß, ist im Abwasserbereich häufig durch Verteilkanäle einem Becken Wasser auf der Längsseite zuzugeben. In allen Anwendungen spielt der Spezialfall gleichförmiger Ver teilung die zentrale Rolle. Der große Nachteil konventioneller Kanalverzweigungen ist jedoch, daß durch Ablösungserscheinungen und Krümmungseinflüsse bisher keine gleichförmige bzw. steuer bare Verteilung des Wassers möglich ist. Außerdem entzog sich das komplexe Phänomen weitgehend der elementaren Analyse.

Beim Verzweigungsproblem geht es hauptsächlich um die Durchfluß verteilung, d. h. um das Verhältnis der Durchflüsse im seitlich abgehenden und dem durchgehenden Kanalast. Die Wirkung der Ver zweigungsströmung wird dabei nachhaltig beeinflußt durch das Breitenverhältnis ba/bo (ba Breite des Abzweigkanals, bo Breite des Oberwasserkanals) den Verzweigungswinkel β und das Durch flußverhältnis q = Qa/Qo (Qa Abfluß im Abzweigkanal, Qo Zulauf menge).

Die Fließverhältnisse von sich trennenden Strömen zeigen eine Totwasserzone an der Innenseite des Abzweigkanals und ein weni ger ausgeprägtes Ablösungsgebiet an der Außenseite des Unter wasserkanals auf. Desweiteren stellt sich eine typische Stau punktströmung mit Bodenablösung an der Verzweigungskante ein. Die Trennungsstromlinie an der Oberfläche läuft etwa axial zwi schen den beiden Ästen auf die Verzweigungskante hin, dagegen läuft diese am Boden weit in den Unterwasserkanal hinein. Da durch entsteht eine mit den Ablösungszonen im Einklang stehende Sekundärströmung, welche eine Bodenströmung in Richtung des Abzweigkanals induziert. Der Primärströmung wird eine spiralför mige Sekundärströmung überlagert, die an der Oberfläche nach der Außenseite und am Boden deshalb in Richtung der Innenseite fließt. Ebenfalls typisch ist das Wasserspiegelgefälle in Rich tung des Krümmungsmittelpunktes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein solches Verfahren zu hydraulischen Verzweigen einer offenen Strömung einfach, wir kungsvoller und besser regelbar, möglichst unabhängig vom Was serstand, der Zulaufmenge, dem Verzweigungswinkel und den Kanal breiten zu gestalten.

Es ist auch Aufgabe der Erfindung, eine solche hydraulisch ar beitende Kanalverzweigung konstruktiv einfach für die Verteilung von Wasser in offenen Kanälen zu gestalten und hierbei eine besser regelbare Verteilung unabhängig vom Wasserstand, der Zu laufmenge, dem Verzweigungswinkel und den Kanalbreiten zu ge währleisten.

Erreicht wird dies bei einem Verfahren der eingangs genannten Art zum hydraulischen Verzweigen einer offenen Strömung dadurch, daß ein größenordnungsmäßig gegenüber dem des Hauptstroms klei ner Impulsstrom gegen eine gemeinsame Ecke zwischen Hauptstrom und Verzweigungsstrom gerichtet wird.

Vorzugsweise ist der Impulsstrom gleich ein Hundertstel des Impulses der Hauptströmung.

Es ist überraschend, daß durch einen solchen kleinen Impulsstrom die Verzweigung in regelbarer Weise dadurch vor sich geht, daß ein Teil des Hauptstroms, der Abzweigstrom, sich als ganzes an die gekrümmte Wand anlegt und den Zweigstrom ohne die den Durch satz beeinträchtigenden Sekundärströmungen und Totwasserbereich in den Abzweigkanal überführt.

Die hydraulisch arbeitende Kanalverzweigung zur Verteilung von Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, in offenen Kanälen umfaßt nach der Erfindung

a) eine insbesondere kreisbogenförmig abgerundete gemeinsame Ecke zwischen Oberwasserkanal und Zweigkanal;
b) eine gegen die Ecke hin konvergierende Wand, die gegenüber der zur Ecke hinführenden Wand des Oberwasserkanals ver läuft; und
c) die mit der Ecke einen Auslaufspalt bildet, wobei der unter Ausnutzung des Coanda-Effekts austretende Impulsstrom sich an die Berandung der abgerundeten Ecke als Wandstrahl an legt.

In Weiterbildung des Verfahrens geht die Wandung für die Haupt strömung vor der Verzweigungsstelle muldenartig aufgeweitet in die Abzweigwandung, d. h. die Wandung für die Abzweigströmung, abgerundet über.

Zur Umlenkung wird der Coanda-Effekt durch den mit der höheren potentiellen Energie behafteten Impulsstrom zweckmäßig hervor gerufen.

Ohne Einsatz fremder Energie wird der Strahl veranlaßt, bis zu einem Spalt gestaut zu werden, aus diesem Spalt auszutreten und sich an die gekrümmte Wandung anzulegen und damit gleichmäßig das Strömungsfeld zu verformen.

In Weiterbildung der Erfindung kann der kleine Impulsstrahl mit Fremdwasser als Fremdimpuls gespeist werden. Dies kann dann beispielsweise so geschehen, daß außerhalb der Wandung der Hauptströmung und beispielsweise parallel zu dieser ein Fremd impulsstrom, beispielsweise ein Fremdwasserstrom, bis in den Bereich der abgerundeten Ecke geführt wird und dann seine Auf gabe, den Teilstrom - um die Ecke zu führen - übernimmt.

Besonders interessant ist es, daß die gewünschte Aufteilung des Naßmediums, insbesondere Wassers, in der Kanalverzweigung in Abhängigkeit von der Größe des Austrittsimpulses steuerbar ist.

Die Kanalverzweigung kann so ausgeführt werden, daß der Umlenk winkel α an der abgerundeten Ecke, welcher dem Abzweigwinkel β entspricht, veränderbar ist. Unterschiedliche Austrittspalt- Größen können ausgebildet werden.

Die einspringende Wand im Oberwasser kann über die Wassertiefe gerade durchgehen.

Für bestimmte Aufgaben, die es mit sich bringen, daß man am Boden des Kanals besonders viel Wasser führen will, ist es mög lich, die einspringende Wand entsprechend einer durch den ge wünschten Aufbau vorgegebenen Funktionen über die Wassertiefe zu verformen, derart, daß z. B. die Wandung in der Stirnansicht becherförmig ausgebildet ist, d. h. von einer großen Spaltbreite oben parabelförmig sich gegen eine geringe Spaltbreite unten verjüngt.

Wenn man beispielsweise am Boden der Hauptströmung wenig, am Boden der Impulsströmung viel Wasser aus bestimmten Gründen, um beispielsweise den Impuls in einer gewissen Weise zu beeinflus sen, beispielsweise um den Impulsschwerpunkt zu senken, haben will, dann eine umgekehrt becherförmige Konstruktion vorgesehen werden, wobei die Spaltbreite oben gering sich dann in Form einer umgekehrten Parabel nach unten erweitert.

Je nach den vorgegebenen Funktionen ist also die Verformung entsprechend dem gewünschten Aufbau über die Wassertiefe vor zunehmen.

Wichtig ist in jedem Fall, daß die abgerundete Ecke mit der gegenüberstehenden eingesetzten Wand einen Auslaufspalt bildet.

Es wird nicht verkannt, daß bereits durch diverse Einbauten im Bereich der Kanalverzweigung oder andere konstruktive Maßnahmen wie einspringende Ecken und Verengung des Unterwasserkanals bereits versucht wurde, eine gleichförmige bzw. regelbare Auf teilung des Wassers in Kanalverzweigungen zu erreichen, nie jedoch durch eine hydraulische Maßnahme und unter Ausnützung des sog. Coanda-Effekts.

Bekanntlich wird die Wirkungsweise von Kanalverzweigungen nach haltig beeinflußt durch das Breitenverhältnis Ba/bo, den Ver zweigungswinkel β und das Durchflußverhältnis q=Qa/Qo. Dies hat zur Folge, daß sich die Verteilung des Wassers auf dem Unter wasserkanal ständig ändert und somit eine gleichmäßige Vertei lung nie, bzw. nur in den seltensten Fällen gegeben ist. Hier bedeutet die Maßnahme der Erfindung einen überraschenden Schritt nach vorne.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesonders darin, daß die Verteilung des Wassers durch den aus dem Spalt austretenden Flüssigkeitsstrahl, welcher sich dann unter Ausnut zung des Coanda-Effektes an der Berandung der abgerundeten Ecke anlegt, gesteuert werden kann. Der so in den Abzweigkanal ein mündende Wandststrahl bewirkt, daß im Gegensatz zu konventionel len Abzweigkanälen dadurch kein Ablösungsgebiet an der Innensei te des Abzweigkanals und Totwasserzone an der Außenseite des Unterwasserkanals sich ausbilden kann. Das Strömungsbild ist, über den gesamten Kanalquerschnitt betrachtet, gleichmäßig zur Trennungsstromlinie verformt. Dieser Strömungsverlauf er möglicht sowohl eine analytische wie auch numerische Berechnung. Ebenfalls von enormer Bedeutung ist, daß für die Aufteilung des Wassers zu je 50% in den Abzweigkanal und den Unterwasserkanal der dazu benötigte Impuls des austretenden Strahles aus dem Spalt nur 1/100 des Impuls der Hauptströmung sein muß.

Allgemein versteht man unter Coanda-Effekt die Ablenkung eines Strahls zu einer gekrümmten Wand hin. Das Anlegen beruht auf einer Unterdruckwirkung im Bereich des wandseitigen Strahlran des. Mit offenen Kanälen sind Freispiegelkanäle gemeint.

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

Fig. 1 eine schematische Draufsicht einer ersten Ausführungs form ist;

Fig. 2a, 2b, 2c Stirnansichten vom Oberwasserkanal der Fig. 1 aus gesehen sind und die

Fig. 3-5 weitere Ausführungsformen, die Ausgestaltung der Fig. 1 variierend zeigen.

Bei der Ausführungsform der Fig. 1 ist eine T-Verzweigung ge zeigt. Eine im Oberwasserkanal 2 einspringende Wand 3 wird in einer Verziehung bis an die abgerundete Ecke 4 geführt. Die einspringende Wand 3 bildet mit der in einer Verziehung nach außen führenden Seitenwand 5 des Oberwasserkanals einen kleinen Seitenkanal 6, der sich zu der abgerundeten Ecke hin verjüngt bis annähernd die ursprüngliche Breite bo des Oberwasserkanals der Hauptströmung wieder gegeben ist. Gegenüber der gestrichel ten durchgehenden Linie des Oberwasserkanals ist die nach außen führende Seitenwandung 5 des Oberwasserkanals aus der Geraden heraus zuerst sehr flach gekrümmt und dann vor dem Übergang zur abgerundeten Ecke 4 hin stärker zur Formgebung der muldenartigen Ausgestaltung geformt. Die Wandung 5 ist also nach außen ohne Diskontiunitäten aufgeweitet. Das im kleinen, hierdurch gebilde ten Seitenkanal 6 fließende Wasser wird bis in den Bereich des Spaltes 7 nicht unerheblich gestaut. Dies geschieht durch den schmalen Austrittspalt 7, der zwischen der einspringenden Wand 3 und der gegenüberliegenden abgerundeten Ecke 4 gebildet wird.

Erfindungsgemäß fließt das Wasser Qo in Fig. 1 gemäß der Pfeil richtung der T-Verzweigung zu. Die einspringende Wand 3 bewirkt im Oberwasser einen gewissen Aufstau, welcher im Seitenkanal 6 bis zum Austrittspalt erhalten bleibt. Da im unmittelbaren Be reich der T-Verzweigung jedoch annähernd wieder die Normalwas sertiefe vorliegt, besteht ein Potentialunterschied zwischen Seitenkanal 6 und Abzweigkanal 1. Der Potentialunterschied be wirkt nun, daß aus dem Austrittspalt 7 ein Flüssigkeitsstrahl austritt und aufgrund des Coanda-Effektes entlang der abgerunde ten Ecke 4 in den Abzweigkanal 1 hineinfließt. Die Folge hiervon ist eine gleichmäßige Verformung des Strömungsfeldes in der T- Verzweigung derart, daß die gewünschte Aufteilung des Wassers in Abhängigkeit des Austrittsimpulses erreicht wird.

Variationsmöglichkeiten dieser Verhältnisse zeigen die Fig. 2a-2c, Möglichkeiten, mit denen der Austrittsimpuls des Strahls gesteuert werden kann. Ist nach Fig. 2a die einspringende Wand 3 über die Wassertiefe gerade, so ist sie nach Fig. 2b über die Wassertiefe becherförmig, nach Fig. 2c umgekehrt becherförmig ausgebildet und bewirkt je nach Zulaufmenge Qo einen unter schiedlichen Aufstau im Oberwasserkanal 2 und damit auch einen hiervon abhängigen veränderbaren Austrittsimpuls des Strahls. Ist die Durchtrittsmenge über die Wassertiefe nach Fig. 2a im Seitenkanal von oben nach unten gleich, so nimmt sie in Folge der parabelförmigen Ausbildung der Wandung 3 gem. Fig. 2b ab, gem. Fig. 2c (umgekehrte Parabel) zu.

Die Wandung 3 ist so eingesetzt, daß Ablösungen an der Wand nicht auftreten.

In Weiterbildung der Erfindung kann die einspringende Wand 3 aus einem relativ dünnen Blech bestehen, um die Strömung vom Haupt kanal vom Seitenkanal abzutrennen. Bei Abwasserkanälen ist Edel stahl möglich. Diese Verziehung/Verjüngung der Wandung 3 darf nicht schräger als 8° zur Hauptströmungsrichtung sein, um den gewünschten Effekt überhaupt noch zu erzeugen.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform gemäß der Erfindung, die herangezogen werden kann, wenn der Verzweigungswinkel in einem Bereich von 10°-160° verändert wird; gleiche Bezugszeichen stehen für gleiche Elemente.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform mit zwei Verzweigungskanälen, von denen jeweils die Breite ba und der Durchfluß Qa angegeben sind. Dies ist eine Ausführungsform mit Fremdenergie-Impuls Qf und die Darstellung ist jeweils symmetrisch. Jeweils zwei Aus trittspalte 7 sind einander gegenüber vorgesehen.

Claims

1. Verfahren zum hydraulischen Verzweigen einer offenen Strö mung mit wenigstens einer geradeausgehenden Hauptströmung eines bestimmten Impulses und einer oder mehreren Abzweig strömungen, dadurch gekennzeichnet, daß ein größenord nungsmäßig gegenüber dem des Hauptstroms kleiner Impuls strom gegen eine gemeinsame Ecke zwischen Hauptstrom und Verzweigungsstrom gerichtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsstrom gleich 1/100 des Impulses der Hauptströmung ausmacht.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung für die Hauptströmung vor der Verzweigungsstelle muldenartig aufgeweitet in die Ab zweigwandung (Wandung für die Abzweigströmung) abgerundet übergeht.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Umlenkung der Coanda-Effekt durch den Impulsstrom mit der höheren potentiellen Energie her vorgerufen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strahl veranlaßt wird, bis zu einem Spalt gestaut zu wer den, aus diesem Spalt auszutreten und sich an die gekrümmte Wandung anzulegen und damit das Strömungsfeld gleichmäßig zu verformen.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der kleine Impulsstrahl mit Fremdwasser (Qf) als Fremdimpuls gespeist wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gewünschte Aufteilung des Wassers in der Kanalverzweigung in Abhängigkeit von der Größe des Austrittsimpulses steuerbar ist.

8. Hydraulisch arbeitende Kanalverzweigung zur Verteilung von Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, in offenen Kanälen umfassend

a) eine insbesondere kreisbogenförmig abgerundete gemein same Ecke zwischen Oberwasserkanal und Zweigkanal;
b) eine gegen die Ecke hin (4) konvergierende Wand (3), die gegenüber der zur Ecke (4) hinführenden Wand des Ober wasserkanals verläuft; und
c) die (3) mit der Ecke (4) einen Auslaufspalt (7) bildet, wobei der unter Ausnutzung des Coanda-Effekts austretende Impulsstrom sich an die Berandung der abgerundeten Ecke (4) als Wandstrahl anlegt.

9. Kanalverzweigung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Umlenkung des aus dem Austrittsspalt (7) austretenden Strahls in den Abzweigkanal (1) unter Ausnutzung des Coanda-Effekts.

10. Kanalverzweigung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlenkwinkel (α) an der abgerunde ten Ecke (4), welcher dem Abzweigwinkel (β) entspricht, veränderbar ist.

11. Kanalverzweigung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß unterschiedliche Austrittsspaltgrößen (7) ausbildbar sind.

12. Kanalverzweigung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einspringende Wand (3) im Oberwasser (2) entsprechend einer durch den gewünschten Aufstau vorgegebenen Funktion über die Wassertiefe verformt ist.

13. Kanalverzweigung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Wandung (3) in der Stirnansicht be cherformig (Fig. 2B) oder umgekehrt becherförmig (Fig. 2C) ist.

14. Kanalverzweigung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Fremdwassereinspeisung (Qf) als Fremdimpuls zur Erzeugung eines Austrittsstrahls aus dem Spalt (7).

15. Kanalverzweigung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, daß die zur abgerundeten Ecke hinführende Wand (5) des Überwasserkanals (der Hauptströmung) muldenartig (5) zu rückspringend ausgebildet ist.

16. Kanalverzweigung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang aus der Geraden (6) zuerst sehr flach gekrümmt, dann vor dem Übergang zur abgerundeten Ecke (4) stärker zur Formgebung der muldenartigen Ausgestaltung geformt ist.

17. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 sowie der Kanalverzweigung nach einem der Ansprüche 8 bis 16 auf den Wasserbau, die Siedlungswasserwirtschaft und die Bewässerungstechnik.