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Zur empirisch / analytischen Bestimmung von Verlustbeiwerten selbstorganisierender Rauheitsstrukturen in Druckrohrleitungen

Analytical / empirical model for the flow resistance calculation in pressure pipelines considering self-organising ripple structure roughness

  • Beim Transport von Flüssigkeiten durch Rohrleitungssysteme werden sowohl die Flüssigkeitssäule als auch echt gelöste, kolloidale oder suspendierte Inhaltsstoffe bewegt. Strömungsvorgänge im wandnahen Bereich sind durch starke Geschwindigkeitsgradienten charakterisiert. Hier kommt es zu Wechselwirkungen zwischen dem Wandmaterial, der Flüssigkeit und den in der Flüssigkeit transportierten Inhaltsstoffen. Entsprechend differenzierter Foulingmechanismen entwickeln sich Rohrwandbeläge, welche selbstorganisierende Strukturen aufbauen können. Die Wechselwirkung zwischen wandnahen Strukturen, der bewegten Flüssigkeit, Adhäsionsvorgängen von Inhaltsstoffen bzw. Strukturveränderungen der Wandoberfläche und der Erhöhung des Strömungswiderstandes wurde bislang nur in Ansätzen analysiert. Diese Vorgänge können zu extremen Leistungsminimierungen der Rohrleitungssysteme bei sehr geringen Ablagerungshöhen führen. Sie können selbstorganisierende Rauheitsstrukturen generieren, welche sich als riffelartige Formationen eines dünnen Films auf der RohrwandBeim Transport von Flüssigkeiten durch Rohrleitungssysteme werden sowohl die Flüssigkeitssäule als auch echt gelöste, kolloidale oder suspendierte Inhaltsstoffe bewegt. Strömungsvorgänge im wandnahen Bereich sind durch starke Geschwindigkeitsgradienten charakterisiert. Hier kommt es zu Wechselwirkungen zwischen dem Wandmaterial, der Flüssigkeit und den in der Flüssigkeit transportierten Inhaltsstoffen. Entsprechend differenzierter Foulingmechanismen entwickeln sich Rohrwandbeläge, welche selbstorganisierende Strukturen aufbauen können. Die Wechselwirkung zwischen wandnahen Strukturen, der bewegten Flüssigkeit, Adhäsionsvorgängen von Inhaltsstoffen bzw. Strukturveränderungen der Wandoberfläche und der Erhöhung des Strömungswiderstandes wurde bislang nur in Ansätzen analysiert. Diese Vorgänge können zu extremen Leistungsminimierungen der Rohrleitungssysteme bei sehr geringen Ablagerungshöhen führen. Sie können selbstorganisierende Rauheitsstrukturen generieren, welche sich als riffelartige Formationen eines dünnen Films auf der Rohrwand ausbilden. Riffelartige Ablagerungsstrukturen wurden in verschiedenen Druckrohrleitungen beobachtet. WIEDERHOLD (1949), SEIFERT und KRÜGER (1950) untersuchten in diesem Zusammenhang eine Druckrohrleitung (Fernwasserleitung der Eckertalsperre), die nach kurzer Betriebsdauer eine extreme Reduktion der Durchflussleistung zeigte. In einer Betriebszeit von 3 Jahren verringerte sich die Leistungsfähigkeit der Druckrohrleitung DN 500 auf 57,1% der ursprünglichen Leistung. Die Vermessung des Wandbelages ergab eine durchschnittliche Riffelhöhe von 0,7 mm und einen mittleren Riffelabstand von 5 mm. Unter Annahme der Gültigkeit der Sandrauheitstheorie nach NIKURADSE kann eine äquivalente Sandrauheit von 14,6 mm bei einer tatsächlich gemessenen Riffelhöhe von 0,7 mm bestimmt werden. Gegenstand der vorliegenden Untersuchungen ist es, die bislang durch Berechnungsansätze unberücksichtigten Formen der selbstorganisierenden Rauheiten in Druckrohrleitungen, auch bekannt als Rauheitsanomalie, zu beschreiben. Es wird eine Theorie entwickelt, die bei auftretenden selbstorganisierenden Rauheitsstrukturen die Berechnung der festzustellenden Verlusthöhen in Druckrohrleitungen zur Sicherung der dimensionierten Leistungsfähigkeit ermöglicht. Auf Basis des vorhandenen Datenmaterials wurde der durch SEIFERT und KRÜGER postulierte Ansatz, von Resonanzerscheinungen zwischen Schwingungen der riffelartigen Wandbeläge und den turbulenten Schwankungsgeschwindigkeiten, weiterentwickelt.. Diese These wurde auf Basis der durch BÜNGER prognostizierten Frequenzen für Strömungsvorgänge verifiziert. Es wird ein analytisches / empirisches Modell zur Bestimmung von Widerstandsbeiwerten bei selbstorganisierender Rauheit in Druckrohrleitungen vorgeschlagen. Das Modell wurde auf der Grundlage vorhandener Messreihen validiert.show moreshow less
  • Fluid flows in pipeline systems are characterised by the movement of the water column itself as well as the transport of colloid and suspended particles. Further the velocity profile close to the pipeline wall shows high velocity gradients. Close to the wall the interactions between the wall material, the fluid and the particles within the fluid are crucial for the description of energy losses within the pipeline. Due to fouling mechanisms thin layers can be formed on the pipeline wall, which are characterised by a self-organising structure. Self-organising structures and their interactions with the fluid and the transported particles cause energy losses due to an increase in flow resistance. Calculations for pipeline head losses are generally based on the description of the pipeline material and its roughness. Self-organising structures and their interactions with the fluid flow are neglected. The importance of this issue is shown by the extreme pressure drop which occurs after a few years of pipeline operation (without theFluid flows in pipeline systems are characterised by the movement of the water column itself as well as the transport of colloid and suspended particles. Further the velocity profile close to the pipeline wall shows high velocity gradients. Close to the wall the interactions between the wall material, the fluid and the particles within the fluid are crucial for the description of energy losses within the pipeline. Due to fouling mechanisms thin layers can be formed on the pipeline wall, which are characterised by a self-organising structure. Self-organising structures and their interactions with the fluid and the transported particles cause energy losses due to an increase in flow resistance. Calculations for pipeline head losses are generally based on the description of the pipeline material and its roughness. Self-organising structures and their interactions with the fluid flow are neglected. The importance of this issue is shown by the extreme pressure drop which occurs after a few years of pipeline operation (without the occurrence of thick incrustations). In fact, thin layers and unique surface structures are responsible for the extreme pressure drop. The surface on the pipeline wall is formed like sand dunes or ripples as can be seen on bed structures of alluvial rivers. A few researchers reported the occurrence of ripple structures in pressure pipelines. WIEDERHOLD (1949), SEIFERT and KRÜGER (1950) investigated the pipeline of Eckertalsperre, a reservoir which is used for drinking water supply. After only 3 years the performance of this 500 mm diameter fresh water pipeline decreased dramatically down to 42.9 % of the designed discharge capacity. The measurements of the layers showed ripple heights of 0.7 mm and a mean distance between the ripples of 5 mm. If the roughness of this pipeline was calculated using NIKURADSE’s theory, it would yield a 14.6 mm equivalent sand grain roughness. The aim of the present study is to propose a novel analytical / empirical model for the flow resistance calculation in pressure pipelines considering self-organising ripple structure roughness. A theory is developed to estimate possible head losses in the case of ripple structure occurrence to ensure the design discharge capacity in the long term. The SEIFERT and KRÜGER approach, which uses resonance effects between ripples and turbulent fluid flow, is modified based on available experimental data. The assumptions are validated using BÜNGER’s theory, which applies frequencies for the description of fluid flows.show moreshow less

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Metadaten
Author: Thomas Koch
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus-456
ISBN:3-394294-19-7
Series (Serial Number):Schriftenreihe Siedlungswasserwirtschaft und Umwelt (H.13)
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing. Günter Busch
Document Type:Doctoral thesis
Language:German
Year of Completion:2006
Date of final exam:2006/12/18
Release Date:2007/01/23
Tag:Druckrohrleitung; Rauheiten; Verluste; Widerstandsbeiwert; Widerstandsphänomene
Flow resistance; Friction coefficient; Pressure pipelines; Ripple structure roughness; Self-organising roughness structure
GND Keyword:Druckrohrleitung; Rauigkeit; Widerstandsbeiwert; Verlust
Institutes:Fakultät 2 Umwelt und Naturwissenschaften / FG Wassertechnik
Institution name at the time of publication:Fakultät für Umweltwissenschaften und Verfahrenstechnik (eBTU) / LS Wassertechnik und Siedlungswasserbau
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