Der starke Sedimentationseffekt in der tordierenden Strömung

1. Gibt es tatsächlich einen starken Effekt aufgrund der tordierenden Strömung?

a) Ein solcher starker Effekt geht aus den Messungen im Hydrauliklabor hervor. Dabei wurden lange Kanäle mit verschiedenen Querschnitten benutzt:

  • 1 m x 1 m,
  • (2,5 m; 1,25 m; 0,62 m) x 0,8 m und
  • 0,1 m × 0, 1 m

Dort ist die Sedimentation von Sand 0,2 mm bis 0,5 mm nach kurzer Einlaufstrecke abgeschlossen.
Ohne Torsionsströmung setzt die Sedimentation erst viel später ein und ist am Ende der langen Versuchskanäle nicht abgeschlossen.

b) Ein solcher starker Effekt geht auch aus der starken Sortierung der Korngrößen auf kurzer Wegstrecke hervor. Die Sortierung der Korngrößen findet in laterale Richtung statt. Bei einer Sedimentation in einem Kanal sortieren sich die Korngrößen von innen nach außen (Botsch 2018). Bei Sandbänken im Kanal liegen die gröberen Körner oben, die feineren Körner unten, was durch einfachen Augenschein in jeder beliebigen Sandbank jedes beliebigen Flusses bestätigt werden kann.

Dies wurde durch Probename in Flüssen anhand der Korngrößenanalyse nachgewiesen,

  • im Modenbach 1m breit
  • in der Lauter 10 m breit
  • in der Jona 10 m breit
  • im Sihl 100 m breit
  • im Rhein 200 m breit.

Der starke Sedimentations-Effekt in der tordierenden Strömung kann auf das Strömungsgeschehen in der Strömungswalze zurückgeführt werden. Die longitudinale Kanalströmung wird von der lateralen Walzenströmung überlagert, wobei die Walzenströmung dominiert.

2. Grundlagen des starken Effekts

Die Stromlinien verlaufen torusförmig in der Walzengeometrie. Man kann die Walzenlänge L long in Fließrichtung mit L long = 1 wie auch den Durchmesser D W der Walze D W = 1 setzen.

Die Bahnlinien der Sandkörner verlaufen quer zu den Stromlinien. Ihre Länge stellt die Sedimentationsstrecke dar und entspricht etwa dem Doppelten der mittleren Umfangslänge im Walzenquerschnitt, das heißt die Sedimentationsstrecke ist etwa (2 × 2 = 4) mal größer als die zugehörige longitudinale Fließstrecke. Auch dies ist ein Hinweis auf einen starken Effekt.

Die Beaufschlagung (der spezifische Durchfluß) wird mit dem Maß der Flächenbeschickung qA in (Liter pro Sekunde pro Oberfläche) = l/s dm² = dm/s gekennzeichnet. In den Versuchen mit unterschiedlicher Beaufschlagung in einem großen Bereich von etwa 1 cm/s wurde die tatsächliche Verteilung des Sediments auf der Sohle sowohl rechnerisch mit CFD als auch körperlich anhand der segmentweisen Entnahme des Sandes ermittelt. Aus den Meßergebnissen geht der Starke Effekt unmittelbar hervor.

3. Vorteile und Anwendung der tordierenden Strömung

Welche Vorteile hat eine tordierende Strömungsform für die Sedimentation?

Mit der tordierenden Sedimentation ergeben sich u.a. als Vorteile:
— kurze Sedimentationslänge,
— gleicher Sedimentationsbereich verschiedener Korngrößen, wirksam auch bei hoher Strömungsgeschwindigkeit,
— die Stärke des Sedimentationseffektes umgekehrt zur Walzenbreite (!)
— wirksam auch bei kleinen Gerinnebreite und hoher Fließgeschwindigkeit (durch den Fliehkrafteffekt).

Die Grundlagen hierzu sind in verschiedenen Veröffentlichungen bei Botsch beschrieben (2011 Versuch einer Sandfangbemessung, 2013 Sandfang-Leitfaden, 2018 Morphologie von Sandbänken).

Es ergeben sich viele Anwendungsfälle:

  • im Wasserbau
    • Erhöhung der Kiesabscheidung in bestehenden Kies- und Geröllfängen
    • Verringerung der Baugröße bei der Planung von Kies- und Geröllfängen
    • örtlich eingeschränkte Sedimentation (gegen die Verlandung von Flußarmen)
  • in der Klärtechnik
    • Erhöhung der Sandabscheidung in bestehenden Sandfängen
    • Verringerung der Baugröße der Sandfänge bei der Planung von Sandfängen
    • Einsparung der Belüftung
    • Vereinfachung des Bauwerks oder Entfall von Baukörpern

4. Maßnahmen zur Erzeugung der tordierenden Strömung

Maßnahmen zur Erzeugung der tordierenden Strömung in beliebigen Querschnitten und Längsschnitten von geraden und gewundenen Kanälen sind meist einfach umzusetzen. Im allgemeinen handeln es sich um Entsander- Anlagen oder dergleichen, bei denen bereits die übliche Kanalgeschwindigkeit von etwa 1 m/s herabgemindert ist auf etwa 0,1 m/s. Im Rahmen dieser offenen oder versteckten Diffusorerweiterung läßt sich eine Strömungsumlenkung durch eingefügte Wandelemente meist einfach erreichen.

Die normale Kanalströmung ist longitudinal ausgerichtet. Zur Erzeugung der tordierenden Strömung müssen alle Strömungspfeile seitlich und nach unten oder oben umgelenkt werden. Dies geschieht einfach durch ein querstehendes Wandelement und mindestens durch ein Wandelement, welches die Strömung auf eine Beckenseite umgelenkt. Es empfiehlt sich, mithilfe eines Hydraulikmodells oder einer CFD Berechnung dafür zu sorgen, dass keine Teilströmungen in ihrer alten Strömungsrichtung fortbestehen. Auch unscheinbare Teilströmungen in der alten Richtung müssen vermieden werden.