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Strömungen in Rohrleitungen
Aus Kefk.
Die Kenntnis über die Flüssigkeitsströmungen in Rohrleitungen ist in vielen technischen Disziplinen und zur Lösung alltäglicher Probleme von Bedeutung. Beispielhaft wäre anzuführen:
- Wasserverteilungssysteme
- Kanalisationen
- Bewässerung
- Leitungsbau im allgemeinen
- Anlagenbau
Im folgenden wird insbesondere auf die Aspekte der Strömungsvorgänge in so genannten vollgefüllten Rohrleitungen, das heißt Systemen eingegangen, bei denen die Flüssigkeit das Rohr zur Gänze füllt. Strömungen in teilgefüllten Rohrleitungen, Kanälen, Flüssen etc. werden unter Strömungen in offenen Gerinnen behandelt.
Stationäre und instationäre Strömungen
Von stationären Verhältnissen spricht man, wenn sich die Strömungsverhältnisse (z. B. Durchfluss Druck) an einem Punkt der Rohrleitung zeitlich nicht ändern. Eine derartige vereinfachende Annahme ist für viele Aufgaben der Hydraulik in Rohrleitungen ausreichend. Die Berechnung derartiger Systeme erfolgt durch Anwendung der Bernoullischen Energiegleichung und Kenntnis z. B. des Verhaltens von Pumpen (siehe z. B. Kreiselpumpe) und Behältern.
Instationäre Bedingungen treten immer dann auf, wenn zeitliche Veränderungen eine Rolle spielen. Ein praktisches Beispiel ist der Druckstoß beim plötzlichen Öffnen oder Schließen eines Ventiles. Dabei treten erhebliche Druckbelastungen im System auf, die zum Beispiel bei Wasserschläuchen optisch wahrnehmbar oder in Hauswasserleitungen beim Ein- und Ausschalten großer Verbraucher hörbar sein können. Dabei können Schäden an den Leitungen auftreten. Besondere Bedeutung hat dies beim Betrieb von Wasserkraftwerken insbesondere bei großen Fallhöhen. Die beim Ein- und Ausschalten von Turbinen bzw. Öffnen und Schließen von Schiebern auftretenden Druckschwankungen werden dabei durch so genannte Wasserschlösser (das sind Ausgleichbecken) und langsames Bedienen der Schieber und Turbinen gemildert.
Netzformen
Die einfachste Netzform ist die Verbindung von einer Einspeisestelle (z. B. Pumpe oder Behälter) zu einem Verbraucher. Bei Verzweigung eines derartigen Systems zu mehreren Verbrauchern entsteht ein baumförmiges Netz. Derartige Netze können vergleichsweise einfach berechnet werden, besitzen jedoch keine Sicherheiten bei Ausfall von Teilsträngen und führen unter Umständen zu ungleichen Druckverteilungen.
So genannte ringförmige oder vermaschte Netze verbinden die Einspeisestelle(n) und den/die Verbraucher durch mehrere Leitungen. Dadurch kann eine gleichmäßigere Druckverteilung und eine höhere Versorgungssicherheit erreicht werden. Durch die Vermaschung ursprünglich baumförmiger Netze können unter Umständen Versorgungsengpässe gemindert werden. Dabei ist es möglich, dass an mehreren Punkten in das Netz eingespeist wird. Derartige Systeme sind jedoch komplizierter zu berechnen (z. B. mit der Finite-Elemente-Methode oder dem Verfahren nach Cross, das auch in der Baustatik zur Berechnung von Rahmen eingesetzt werden kann).
