Schussrinnenbelüfter: Lufttransport ausgelöst durch interne Abflussstruktur

Abstract

Stauseen verfügen in der Regel über Hochwasserentlastungsanlagen, auf denen ins Reservoir einfliessende Flutwellen abgeleitet werden. Dadurch wird ein Ansteigen des Seespiegels über eine kritische Kote vermieden und ein Überströmen der Talsperre verhindert. Typischerweise führen diese Hochwasserentlanstungsanlagen grosse Durchflüsse über eine beträchtliche Fallhöhe ab. Zwischen 1960 und 1980 traten vermehrt Schäden in diesen Schussrinnen auf: In Bereichen mit grossen Fliessgeschwindigkeiten wurden Abplatzungen des Betons und zerstörte Fundationen beobachtet. Als Schadensmechanismus wurde Kavitation bezeichnet. Eine Belüftung des Abflusses mittels Schussrinnenbelüftern wurde als effektivste Massnahme erkannt, um betroffene Schussrinnen effizient gegen Kavitationsschäden zu schützen. Entsprechend werden alle gefährdeten Schussrinnen heut mit Belüftern versehen. Die ingenieurmässige Bemessung dieser Belüfter erfolgte bisher hauptsächlich mittels des pauschalen Lufteintragskoeffizienten, also des Verhältnisses zwischen der eingetragenen Luft und dem Wasserdurchfluss. Allerdings gibt dieser Koeffizient keine Auskunft darüber, wo sich die Luft im Abfluss befindet und wie lange sie dort verweilt. Diese Aspekte sind jedoch relevant, da Kavitationsschäden in Sohlnähe entstehen und die Luft primär in diese Randregionen eingetragen werden muss. Für einen effizienten Einsatz der Belüfter und einen angemessenen Kavitationsschutz ist die Kenntnis des Lufttransports im Nahbereich von Belüftern wesentlich. Es besteht somit Forschungsbedarf, um die folgenden Fragen zu klären: (1) Welchen Verlauf der mittleren Luftkonzentration und der Sohl-Luftkonzentration bewirkt ein Belüfter? (2) Wie entwickelt sich die Luftkonzentration allgmein in Strömungsrichtung? (3) Welche Abflussphänomene bestimmen den Eintrag und en Transport der Luft? Das vorliegende Forschungsprojekt beabsichtigt, diese Wissenslücke zu schliessen. Es wurde entsprechend ein Literaturstudium durchgeführt mit dem Ziel, die massgebenden Phänomene und Prozesse bei Belüftern zusammenzustellen. Zudem wurden in einem hydraulischen Modell die bei Prototypen gängigen Belüfter nachgebaut und mit unterschiedlichen Zuflusszuständen betrieben. Für jede Konfiguration wurde anschliessend die Luftkonzentrationsverteilung im Abfluss mittels einer fiberoptischen Sonde vermessen. Dank eine systematischen Parametervariation konnte ein allgemeiner Datensatz zusammengestellt werden. Der Abfluss stromab von Belüftern lässt sich in drei allgemeine Wirkungszonen einteilen. Diese Zonen sind durch typische Abflussstrukturen geprägt, welche den jeweiligen Lufttransport bestimmen. Die Wirkungszone (I) entspricht dem freien Wurfstrahl und ist durch Lufteintrag charakterisiert. Die Zone (II) umfasst den Auftreff- und Spraybereich und zeichnet sich durch lokale Abflussphänomene und eine markante Entlüftung aus. Der Fernbereich (III) schliesslich weist eine stetige Entlüftung auf. Zusätzlich zu den drei Wirkungszonen sind Zusammenhänge hergeleitet worden, welche den Lufttransport stromab von Belüftern beschreiben. Es wurde insbesondere eine allgemeine Funktion zur Quantifizierung des Verlaufs der Sohl-Luftkonzentration unterstrom von Belüftern angegeben. Damit sind der gezielte Einsatz eines bestimmten Belüftertyps und ein Festlegen dessen Geometrie entsprechend den Randbedingungen möglich. Ein Belüfter kann im Hinblick auf seine Effizienz bezüglich der eingetragenen mittleren Luftkonzentration und der Sohl-Luftkonzentration optimiert werden. Zudem kann der Abstand zu einem zweiten, allenfalls notwendigen Belüfter im Unterwasser ermittelt werden sofern ein Grenzwert für die minimal angestrebte Luftkonzentration vorgegeben wird. Spillway evacuating floods are typically part of every large reservoir stored by a dam. Such spillways avoid an unwanted increase of the water level in the reservoir above a maximum elevation. Thus, the dam is protected against an overtopping. Spillways are usually designed to discharge large floods with a considerable head. Between 1960 and 1980, several damages occurred on such spillways. Destroyed concentrate surfaces and foundations occurred especially in flow zones with high flow velocities. After an analysis of the phenomenon, caviation followed as responsible mechanism. It was realized that an aeration of the critical flow reach by chute aerators is an efficient measure to protect spillways from cavitation damage. Therefore, present spillways are usually equipped with chute aerators. Today, the design of chute aerators mainly bases on the global air entrainment coefficient. However, this is a global coefficient neither specifying the precise air distribution in the flow nor its detrainment rate. As cavitation damages occur along the chute boundaries, the associated air concentration is of prime interest. An adequate cavitation protection and an efficient performance of chute aerators are difficult to achieve without this information. Three basic question need to be answered in this context: (1) Which course fo the average an the bottom air concentration is generated by an aerator? (2) How develops the air transprot in streamwise direction? (3) Which flow features are influencing the air entrainment and detrainment? The present research project intends to provide information about the air transport and related internal flow features downstream o chute aerators. First, an extensive literature review subsumes phenomena and processes at aerators. Furthermore, typical chute aerators were tested in a hydraulic model for various inflow conditions. The air concentration distribution in the flow was measured for each configuration using a fiber-optical probe. A general data set resulted based on a systematic variation of all parameter. These data were then analyzed focusing on the present problem. It was found that three general flow zones exist downstream of chute aerators. Typical flow features, influencing the air transport, characterize these zones. The flow zone (I) consist of the jet causing a significant air entrainment. The flow zone (II) comprises the impact and spray region as local flow features, resulting in a considerable air detrainment. The zone far field (III), finally, is characterized by a steady reduction of the air concentration along the flow distance. In addition to these three general flow zones, various equations are derived describing the air transport characteristics downstream of chute aerators. In particular, a function of the general bottom air concentration course is provided. This function facilitates the choice of an accurate specific aerator type and allows an efficient design accoridng to the boundary conditions. In general, the main design criterion of chute aerators relates to the generated average and bottom air concentration, as a minimum air concentration is required to prevent cavitation damage. Furthermore, the location of a second aerator can be estimated with this function, when needed.