Wasserbauliches Forschungslabor - Messeinrichtungen

• Länge: 60 m
• Breite: 1 m
• Höhe: 0,8 m
• Maximaler Durchfluss: 400 l/s
• Feature: kippbar

Die große Kipprinne im WBFL hat eine Länge von 60 m. Das innere, nutzbare Querschnittsprofil ist 1m breit und 0,5m hoch. Die in Strömungsrichtung betrachtet rechte Seitenwand ist mit Acrylglasplatten ausgeführt, sodass die Strömungsbedingungen einseitig über die Gesamtlänge der Rinne einsehbar sind.

Eine grundlegende Voraussetzung für eine Arbeit gemäß dem Stand der Technik und der Wissenschaft ist der Einsatz geeigneter Messgerätschaften. Diese Messgeräte müssen anhand von Prüfungen und Vergleichsmessungen einer Art Überwachung unterliegen. Somit ist neben dem reinen Messeinsatz stets die Notwendigkeit von Überprüfungs- bzw. Kalibriereinrichtungen gegeben. Dieser Notwendigkeit wird mit der 60m-Rinne im WBFL der TU Darmstadt nachgegangen, denn sie dient unter anderem der Weiterentwicklung versuchstechnischer Prüfeinrichtungen für Geschwindigkeits- und Durchflussmessungen: Da die Geschwindigkeit des anströmenden Wassers häufig nicht genügend genau und gleichbleibend simuliert werden kann, werden hier die verschiedenen Messgeräte mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch einen Kanal mit stehendem Wasser gezogen (Schleppkanal). Da die im Schleppkanal zu überbrückende Strecke bekannt ist, muss lediglich die dazu notwendige Zeit exakt gemessen sowie die Anzahl der Umdrehungen beim Flügel oder die Geschwindigkeit bei direkt anzeigenden Messsystemen registriert werden. Voraussetzung ist, dass die Fortbewegung des Messwagens mit den daran montierten Messgeräten möglichst konstant über die gesamte Messfahrt eingehalten wird.

• Länge: 12 m
• Breite: 0,3 m
• Höhe: 0,35 m
• Maximaler Durchfluss: 40 l/s
• Feature: kippbar

Die sogenannte Praktikumsrinne des wasserbaulichen Forschungslabors der TU Darmstadt ist 0,3 m breit, 0,3 m hoch und hat einen Messbereich von etwa 12 m Länge. Es lassen sich Durchflüsse im Bereich von 0 bis 40 l/s über einen ferngesteuerten Schieber einstellen. Über eine Gewindemechanik ist die Anpassung des Sohlliniengefälles möglich. Zudem ermöglicht das ferngesteuerte Zylinderschütz am Auslauf der Rinne – in Kombination mit der Mechanik zu Einstellung des Längsgefälles – die Einstellung von verschiedenen Wassertiefen. Die Messsteuer- und -regelungstechnik des WBFL bietet die Möglichkeit für ein gezieltes Einstellen von vorgegebenen Durchflüssen und Wasserständen.

Anwendungsbeispiel: „Surfwelle“

Eine stehende Welle ist ortsfest. Für geeignete Surfbedingungen sollte sie unter anderem eine möglichst glatte Wasseroberfläche aufweisen. Verantwortlich für die Generierung einer solchen Welle ist hierbei die spezielle Ausprägung eines Phänomens, das in der Gerinnehydraulik als Wechselsprung bezeichnet wird. Bisher entstehen diese Wellen vor allem in Bauwerken zur Energieumwandlung (Tosbecken) oder zufällig – beispielsweise aufgrund von Hochwasserereignissen oder unvorteilhaft bemessenen Bauwerken. Ausgehend von dem wachsenden öffentlichen Interesse gibt es mittlerweile jedoch auch von Seiten der Wissenschaft Bemühungen, diese Art der Wellenerzeugung für andere Nutzungsmöglichkeiten zu optimieren.

Mit welchen baulichen Maßnahmen lassen sich solche Wellen in Fließgewässern erzeugen? Hierfür wurde ein Modell im Maßstab 1:15 angefertigt und in der sogenannten „Praktikumsrinne“ unter verschiedenen Bedingungen getestet. Besonders geeignet zur Wellenerzeugung erwies sich dabei die sogenannte „maximum wave“ mit Froude-Zahlen im Bereich von 2,0 bis 4,0 und einem angepassten Unterwasserstand. Baulich kam eine Kombination aus Sohlstufe und Rampe zum Einsatz. In der Praxis sind vor allem kontrollierte Zufluss- und Abflussbedingungen erforderlich, sodass solch eine Welle in Verbindung mit einem Stausee oder einem zusätzlichen Triebwasserkanal denkbar ist.

• Länge: 40 m
• Breite: 2 m
• Höhe: 1 m
• Maximaler Durchfluss: 1000 l/s
• Feature: Wellenmaschine

Die derzeit primär für ethohydraulische Untersuchungen genutzte Rinne im WBFL hat eine Länge von 40 m. Das innere, nutzbare Querschnittsprofil ist 2 m breit und 1 m hoch. Die Seitenwände der Rinne sind mit Glasscheiben ausgeführt, sodass der Untersuchungsbereich über eine Länge von 27 m einsehbar ist. Zudem ist der mittlere Bereich der Rinne mit einem großen Zelt überbaut, in welchem unterschiedliche Beleuchtungssituationen simuliert werden können. Mithilfe mehrerer Pumpen kann die Rinne mit bis zu 1 m³/s durchflossen werden.

Die 40m-Rinne wird unter anderem auch für die Untersuchung des Nahbereichs von Einbauten genutzt. Hierfür ist an der Rinne ein mobiler Messwagen mit einem automatisierten Messgeräte-Positionierungssystem installiert. Somit können unterschiedliche Messraster vorgegeben und diese mit einem hohen Grad an Genauigkeit in den einzelnen Versuchsreihen abgefahren werden.

Im Einlaufbereich der Rinne ist zudem ein Wellengenerator installiert, welcher über ein angeschlossenes Hydraulikaggregat und die gesteuerte Bewegung eines Metallschildes die Erzeugung von Wellen ermöglicht.

Modulares Horizontalrechensystem in der 40 m – Rinne

Dem Einfluss eines Horizontalrechens auf die Strömungsdynamik und das Fischverhalten kommt häufig eine essentielle Bedeutung zu und wird daher in laufenden und zukünftigen Forschungsvorhaben untersucht. Im Fokus steht vor allem die Fragestellung, wie ein notwendiges Rechensystem aufgebaut werden muss, um minimalen Einfluss auf das Ökosystem auszuüben und dennoch für den Anlagenbetreiber effizient zu sein. Das im WBFL vorhandene, modulare Horizontalrechensystem wurde passgenau für zwei vorhandene Versuchsrinnen konstruiert und besteht aus mehreren Einzelmodulen, die je nach Anstellwinkel des Rechens miteinander verbunden werden.

• Länge: 15 m
• Breite: 2 m
• Höhe: 1 m
• Maximaler Durchfluss: 450 l/s
• Feature: kippbar

Die 15 m – Rinne hat ein inneres, nutzbares Querschnittsprofil mit einer Breite von 2 m und Höhe von 0,8 m. Die Seitenwände der Rinne sind mit Acrylglas ausgeführt, sodass der Untersuchungsbereich einsehbar ist. Zudem kann die Rinne in Längsrichtung durch eine Trennwand geteilt werden, was je nach Untersuchungsumfang und –zweck vorteilhafte Bedingungen ermöglicht.

Für Modelluntersuchungen bietet sich die erhöhte Lage der Rinnensohle an, um im Auslaufbereich der Rinne ergänzende Modellaufbauten zu installieren und die Rinne für die Simulation bzw. Untersuchung der Anströmungssituationen zu verwenden. Diese Möglichkeit der Modellierung bzw. versuchstechnischen Modelluntersuchung wurde in der Vergangenheit schon mehrfach genutzt. Eine vertiefte Vorkammer mit diversen Entnahme- bzw. Auslauföffnungen zum Beispiel wurde in verschiedenen Kombinationen betrieben und untersucht. Bilder hierzu finden sich in nachfolgender Bildergalerie.

• Länge: 30 m
• Breite: 0,75 m
• Höhe: 3 m
• Maximaler Durchfluss: 1000 l/s
• Feature: Tiefrinne

Die an einen separaten Wasserkreislauf angeschlossene Tiefrinne hat eine Länge von 30 m. Das innere, nutzbare Querschnittsprofil ist 0,75 m breit und 3 m hoch. Die Seitenwände der Rinne sind immittleren Rinnenabschnitt mit Acrylglasscheiben ausgeführt, sodass der Untersuchungsbereich über eine Länge von ca. 7 m einsehbar ist. Zudem ist entlang der Rinne für die Messwertaufnahme die Möglichkeit zur Installation eines verschiebbaren Messrahmens gegeben. Mithilfe der installierten Pumpe kann die Rinne mit bis zu 1 m³/s durchflossen werden.

Diese Versuchsrinne im wasserbaulichen Forschungslabors kam bereits in zahlreichen Forschungsprojekten erfolgreich zum Einsatz. Durch die im Vergleich zur Breite verhältnismäßig großen Tiefe hat die Rinne ein hervorstehendes Alleinstellungsmerkmal. Es wurden hier unter anderem schon zahlreiche Versuche zur Charakteristik von Überfällen, Schrägrechen und Deichquerschnitten durchgeführt. Zudem bietet die Tiefrinne aufgrund ihrer Leistungsfähigkeit mit Durchflüssen bis zu 1 m³/s geeignete Bedingungen zur Untersuchungen von hydrokinetischen Energiewandlern.