Die Hydromechanik der Küstengewässer
E-Book, Deutsch, 301 Seiten, eBook
ISBN: 978-3-8348-9764-0
Verlag: Vieweg & Teubner
Format: PDF
Kopierschutz: Wasserzeichen (»Systemvoraussetzungen)
Prof. Dr.-Ing. habil. Dipl.-Phys. Andreas Malcherek lehrt an der Universität der Bundeswehr in München am Lehrstuhl für Hydromechanik und Wasserbau.
Zielgruppe
Professional/practitioner
Autoren/Hrsg.
Weitere Infos & Material
1;Vorwort;5
2;Inhaltsverzeichnis;6
3;Einführung;9
3.1;Küstengewässer;10
3.2;Strömungen in Küstengewässern;11
3.3;Die Hydromechanik der Küstengewässer;12
3.4;Die Mathematik der Küstengewässer;14
3.5;Aufgaben des Küsteningenieurwesen;15
3.5.1;Seeschifffahrt und Verkehrswasserbau;15
3.5.2;Fallbeispiel: Die Verlagerung der Medemrinne;15
3.5.3;Ressourcennutzung und Energiegewinnung;16
3.5.4;Küstenschutz;17
3.5.5;Ökologie und Umweltschutz;17
3.5.6;Tourismus;18
3.5.7;Militärische Anwendungen;18
3.6;Der Bildungsauftrag hinter der Hydromechanik der Küstengewässer;19
4;1 Gravitation, Coriolis- und Gezeitenkräfte;21
4.1;1.1 Die Gravitationskraft;21
4.1.1;Vektorielle Darstellung des Gravitationsgesetzes;23
4.1.2;Die Gravitationsbeschleunigung;23
4.1.3;Integrale Form des Gravitationsgesetzes;24
4.1.4;Das Gravitationspotential;26
4.2;1.2 Die Corioliskraft;27
4.2.1;Der siderische Tag;27
4.3;1.3 Gezeitenerzeugende Kräfte;30
4.3.1;1.3.1 Die Position eines Gestirns am Himmel;34
4.3.2;1.3.2 Die Änderung des Zenitwinkels eines Gestirns;35
4.3.3;1.3.3 Der Erdabstand von Sonne und Mond;38
4.4;1.4 Zusammenfassung;39
5;2 Die Vorhersage des Tidewasserstands;41
5.1;2.1 Pegelmessungen des Wasserstands;41
5.1.1;2.1.1 Schwimmerpege;41
5.1.2;2.1.2 Radarpegel;42
5.2;2.2 Die Partialtidenanalyse;43
5.3;2.3 Der Partialtidenzoo;46
5.3.1;2.3.1 Die fundamentalen Grundfrequenzen;46
5.3.2;2.3.2 Hauptfrequenzen der Gezeiten;47
5.3.3;2.3.3 Flachwasserfrequenzen der Gezeiten;49
5.3.4;2.3.4 Das diskrete Partialtidenspektrum;50
5.4;2.4 Partialtidenamplituden in der Deutschen Bucht;51
5.5;2.5 Die Partialtidensynthese;51
5.5.1;2.5.1 Die astronomischen Korrektionen;52
5.5.2;2.5.2 Der Spring-Nipp-Zyklus;52
5.5.3;2.5.3 Die tägliche Ungleiche;53
5.5.4;2.5.4 Die Asymmetrie der Tide;55
5.6;2.6 Zusammenfassung;61
6;3 Gezeitenwellen;62
6.1;3.1 Das tiefengemittelte Modell der Hydromechanik;63
6.1.1;3.1.1 Die Vertikalgeschwindigkeit unter Tidewellen;63
6.1.2;3.1.2 Die Dynamik des Wasserspiegels;66
6.1.3;3.1.3 Die tiefengemittelte Bilanz des Impulses;70
6.2;3.2 Die Dichte von Meerwasser;72
6.2.1;3.2.1 Temperaturabhängigkeit der Dichte;72
6.2.2;3.2.2 Abhängigkeit vom Salzgehalt;73
6.2.3;3.2.3 Abhängigkeit von gelösten Stoffen;73
6.3;3.3 Wellenfunktion und Wellengleichung;74
6.4;3.4 Die Flachwassertheorie der Tidewellen;75
6.4.1;3.4.1 Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Tidewellen;77
6.4.2;3.4.2 Die Länge von Tidewellen;78
6.4.3;3.4.3 Die Strömungsgeschwindigkeit unter Tidewellen;79
6.4.4;3.4.4 Tidefall und Tidestieg;80
6.5;3.5 Partialtidewellen in der Deutschen Bucht;81
6.6;3.6 Die Entstehung von Flachwassertiden;81
6.7;3.7 Die Entstehung von Tidewellen;85
6.8;3.8 Zusammenfassung;87
7;4 Tidedynamik in Ästuaren;88
7.1;4.1 Die Dämpfung von Tidewellen;89
7.1.1;4.1.1 Eindimensionale, kanalartige Strömungen;89
7.1.2;4.1.2 Das Energieliniengefälle in Ästuaren;90
7.1.3;4.1.3 Die Wellengleichung mit Dämpfung;91
7.1.4;4.1.4 Die Eindringtiefe von Tidewellen in Ästuaren;93
7.1.5;4.1.5 Tidewehre;94
7.2;4.2 Reflektion von Tidewellen;95
7.2.1;4.2.1 Reflektion ohne Dämpfung;96
7.2.2;4.2.2 Reflektion mit Dämpfung;99
7.3;4.3 Sedimenttransport unter Tidewellen;102
7.3.1;Morphodynamik und Tidewellenreflektion;103
7.4;4.4 Der Einfluss von Querschnittsänderungen;104
7.5;4.5 Tidekennwerte und ihre Analyse;105
7.5.1;4.5.1 Tidekennwerte des Wasserstandes;106
7.5.2;4.5.2 Tidekennwerte der Strömungsgeschwindigkeit;108
7.5.3;4.5.3 Zeitliche Schwankungen der Tidekennwerte;110
7.5.4;4.5.4 Tidekennwertanalyse;110
7.6;4.6 Der Ausbau der Tideästuare;110
7.6.1;4.6.1 Vertiefungen;112
7.6.2;4.6.2 Verbreiterungen;113
7.6.2.1;Verbreiterung im Unterlauf;113
7.6.2.2;Verbreiterung im Oberlauf;114
7.6.3;4.6.3 Verengungen;114
7.7;4.7 Zusammenfassung;116
8;5 Die Theorie idealer Wellen;117
8.1;5.1 Die ideale rotationsfreie Strömung;117
8.1.1;5.1.1 Die Kontinuitätsgleichung;117
8.1.2;5.1.2 Druckkräfte;119
8.1.3;5.1.3 Die rotationsfreie Strömung;121
8.2;5.2 Lineare Theorie langer Wellen kleiner Amplitude;123
8.2.1;5.2.1 Die Form der freien Oberfläche;126
8.2.2;5.2.2 Die Orbitalgeschwindigkeiten;127
8.2.3;5.2.3 Der Druck unter Airywellen;129
8.2.4;5.2.4 Phasen- und Gruppengeschwindigkeit von Airywellen;130
8.3;5.3 Wellenausbreitung in beliebige Richtungen;132
8.3.1;5.3.1 Die Phasenfunktion;133
8.3.2;5.3.2 Das Gesetz von der Erhaltung derWellengipfel;134
8.4;5.4 Advektion, Orbitalbahnen und Driftbewegungen;135
8.4.1;5.4.1 Die Orbitalbahnen unter Airywellen;136
8.4.2;5.4.2 Die Stokessche Driftgeschwindigkeit;136
8.4.3;5.4.3 Advektion;139
8.4.4;5.4.4 Die Eulergleichungen;140
8.5;5.5 Stokeswellen;140
8.6;5.6 Hydromechanische Belastungen von Offshore-Anlagen;142
8.6.1;5.6.1 Die Morison-Formel;144
8.6.1.1;5.6.1.1 Der Widerstandsanteil;144
8.6.2;5.6.2 Die Kräfte der Gezeitenströmungen;145
8.6.3;5.6.3 Wellenkräfte auf Pfeilerbauwerke;146
8.7;5.7 Die Tide als ideale Welle;149
8.8;5.8 Zusammenfassung;149
9;6 Die Transformation der Welleneigenschaften;151
9.1;6.1 Die Veränderung von Wellenzahl und Wellenlänge;151
9.2;6.2 Die Energie von Oberflächenwellen;153
9.2.1;6.2.1 Die Wellenenergiedichte;153
9.2.2;6.2.2 Der Energiebegriff der Hydromechanik;153
9.3;6.3 Die Bilanzierung der Wellenenergie;156
9.3.1;6.3.1 Der Wellenenergiefluss;156
9.3.2;6.3.2 Energie aus Seegang und Gezeiten;157
9.3.3;6.3.3 Die Bilanzgleichung für die Wellenenergie;159
9.3.4;6.3.4 Shoaling;160
9.3.5;6.3.5 Shoaling und Sohlreibung;161
9.3.6;6.3.6 Refraktion;162
9.4;6.4 Die Propagation der Tidewellenenergie;164
9.5;6.5 Das Brechen der Wellen;165
9.5.1;6.5.1 Das Kriterium von Miche;165
9.5.2;6.5.3 Der Auflaufbereich;169
9.5.3;6.5.2 Brecherarten;167
9.6;6.6 Zusammenfassung;169
10;7 Windinduzierte Strömungen in Küstengewässern;170
10.1;7.1 Die atmosphärischen Zirkulationen;170
10.1.1;7.1.1 Die vertikale Druckverteilung in der Atmosphäre;171
10.1.2;7.1.2 Hadleyzonen;173
10.1.3;7.1.3 Die Wirkung der Corioliskraft;174
10.1.4;7.1.4 Der geostrophische Wind;175
10.1.5;7.1.5 Hoch- und Tiefdruckgebiete;175
10.2;7.2 Windschubspannungen;176
10.2.1;7.2.1 Spannungen;176
10.2.2;7.2.2 Innere Spannungen in Newtonschen Fluiden;178
10.2.3;7.2.3 Innere Spannungen in der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft;178
10.2.4;7.2.4 Die untere Grenzschicht der Atmosphäre;180
10.2.5;7.2.5 Parametrisierungen derWindschubspannung;181
10.3;7.3 Der Windstau;183
10.3.1;7.3.1 Die Neigung des Wasserspiegels unter Windbelastung;183
10.3.2;7.3.2 Die windinduzierte Zirkulationsströmung;184
10.3.3;7.3.3 Windwirklänge und Windstau;187
10.4;7.4 Sturm.uten;188
10.5;7.5 Der Bemessungswasserstand;190
10.5.1;7.5.1 Bestimmungsverfahren;190
10.5.2;7.5.2 Das Einzelwertverfahren;191
10.5.3;7.5.3 Anwendung im Küstenschutz;192
10.6;7.6 Zusammenfassung;192
11;8 Seegang;194
11.1;8.1 Die Erfassung des Seegangs;195
11.2;8.2 Die Stochastik des Seegangs;197
11.2.1;8.2.1 Die Rayleigh-Verteilung der Wellenhöhe;198
11.2.2;8.2.2 Die kumulative Verteilung oder Summenkurve der Wellenhöhen;199
11.3;8.3 Die spektrale Verteilung der Seegangsenergie;200
11.3.1;8.3.1 Die spektrale Energiedichte;200
11.3.2;8.3.2 Empirische Bestimmung des Energiedichtespektrums;201
11.4;8.4 Modellfunktionen für Seegangsspektren;204
11.4.1;8.4.1 Die Phillipsfunktion;204
11.4.2;8.4.2 Das Pierson-Moskowitz-Spektrum;205
11.4.3;8.4.3 Das JONSWAP-Spektrum;206
11.4.4;8.4.4 Bestimmung der JONSWAP-Peakfrequenz;207
11.4.5;8.4.5 Die Kitaigorodskiifunktion;210
11.4.6;8.4.6 Das TMA-Spektrum;211
11.4.7;8.4.7 Die Richtungsabhängigkeit der Energieverteilung;212
11.4.8;8.4.8 Signifikante Seegangsparameter;213
11.4.8.1;8.4.8.1 Die Wellenperiode;215
11.4.8.2;8.4.8.2 Die Wellensteilheit;215
11.5;8.5 Numerische Seegangssimulation;216
11.5.1;8.5.1 Die dreidimensionale Simulation;217
11.5.2;8.5.2 Boussinesq-Wellenmodelle;219
11.5.3;8.5.3 Mild-Slope-Modelle;223
11.5.4;8.5.4 Wave Action Modelle;225
11.6;8.6 Zusammenfassung;227
12;9 Turbulente Strömungen in Küstengewässern;229
12.1;9.1 Messung und Auswertung turbulenter Geschwindigkeitsfelder;229
12.2;9.2 Navier-Stokesund Reynoldsgleichungen;232
12.2.1;9.2.1 Die Kraftwirkung von inneren Spannungen;232
12.2.2;9.2.2 Die dreidimensionalen Bewegungsgleichungen mit inneren Spannungen;234
12.2.3;9.2.3 Reynoldsmittlung und Reynoldsspannungen;235
12.2.4;9.2.4 Das Prinzip derWirbelviskosität;236
12.2.4.1;Die Wirbelviskosität in Fließgewässern;236
12.3;9.3 Das logarithmische Grenzschichtpro.l;237
12.3.1;9.3.1 Das vertikale Profil der Scherspannung;239
12.3.2;9.3.2 Das stationäre Geschwindigkeitsprofil in Fließgewässern;239
12.3.3;9.3.3 Das logarithmische Geschwindigkeitsprofil als Datenmodell;240
12.3.4;9.3.4 Die Intensität der Turbulenz;242
12.3.5;9.3.5 Einbeziehung der Grenzschicht zur Atmosphäre;243
12.4;9.4 Die Rauheit der Sohle;244
12.4.1;9.4.1 Die Kornrauheit;245
12.4.2;9.4.2 Die Riffelrauheit;246
12.4.3;9.4.3 Transportrauheit;247
12.4.4;9.4.4 Die Dünenrauheit;247
12.4.5;9.4.5 Wie bestimmt man die Sohlverhältnisse?;248
12.5;9.5 Das Querpro.l der Tidegeschwindigkeit;249
12.5.1;9.5.1 Die tiefengemittelten Impulsgleichungen mit turbulenter Viskosität;249
12.5.2;9.5.2 Der Ansatz von Elder;250
12.5.3;9.5.3 Numerische Lösung der Impulsgleichung über den Querschnitt;250
12.5.4;9.5.4 Von der tiefengemittelten Geschwindigkeit zum vertikalen Profil;250
12.6;9.6 Zusammenfassung;252
13;10 Die Grenzschicht unter Wellen;253
13.1;10.1 Die Grenzschichtgleichung für Wellen;253
13.1.1;Die Definition der Sohlschubspannung;256
13.2;10.2 Die oszillierende laminare Grenzschichtströmung;258
13.3;10.3 Die oszillierende turbulente Grenzschicht;259
13.3.1;10.3.1 Die turbulente Viskosität in der Grenzschicht unter Wellen;260
13.3.2;10.3.2 Das turbulente Geschwindigkeitsprofil über glatter und rauer Sohle;262
13.3.3;10.3.3 Die Sohlschubspannungsformel von Bagnold;264
13.3.4;10.3.4 Die Grenzschichtdicke;266
13.3.5;10.3.5 Der Maximalwert der Wellensohlschubspannung;267
13.3.6;10.3.6 Wellenenergieverluste durch Sohlschubspannungen;268
13.4;10.4 Die Kombination von Strömung und Welle;268
13.4.1;10.4.1 Die kombinierte Sohlschubspannungsgeschwindigkeit;269
13.4.2;10.4.2 Die Beeinflussung der mittleren Strömung durchWellen;270
13.4.3;10.4.3 Die kombinierte Sohlschubspannung unter Strömung und Welle;272
13.5;10.5 Zusammenfassung;274
14;11 Strömungen, Turbulenz und Wellen;275
14.1;11.1 Die Zerlegung des Strömungsfeldes;276
14.1.1;11.1.1 Die Impulsgleichungen des mittleren Geschwindigkeitsfelds;277
14.1.2;11.1.2 Das Prinzip der Wirbelviskosität;279
14.1.3;11.1.3 Die Impulsgleichungen der Wellenorbitalgeschwindigkeiten;279
14.1.4;11.1.4 Die Impulsgleichungen der turbulenten Geschwindigkeitsfluktuationen;280
14.2;11.2 Die Wellenwirkung auf die vertikale Strömungsstruktur;281
14.2.1;11.2.1 Die Wellenwirkung auf die vertikale Druckverteilung;282
14.2.2;11.2.2 Das Vertikalprofil der mittleren Strömung unter Wellen;283
14.3;11.3 Das Wirbelviskositätsprinzip für die Wellengleichung;285
14.3.1;11.3.1 Die Wirbelviskosität unter Wellen;285
14.3.2;11.3.2 Der Mischungswegansatz;286
14.3.3;11.3.3 Der Mischungsweg unter Wellen;286
14.3.4;11.3.4 Die Trübe der Küstengewässer;287
14.3.5;11.3.5 Die Dissipation von Wellenenergie;289
14.3.6;11.3.6 Der Energieeintrag durch den Wind;289
14.3.7;11.3.7 DasWindseespektrum im Tiefwasser bei Gleichgewichtsbedingungen;290
14.4;11.4 Welleninduzierte Strömungen am Strand;292
14.4.1;11.4.1 Die tiefengemittelten Radiation Stresses;292
14.4.2;11.4.2 Die Impulsgleichungen in Strandnähe;293
14.4.3;11.4.3 Der Brandungsstau;294
14.4.4;11.4.4 Die Küstenlängsströmung;294
14.5;11.5 Zusammenfassung;296
15;Anhang;297
15.1;Literaturverzeichnis;298
15.2;Sachverzeichnis;302
Einführung.- Gravitation, Coriolis- und Gezeitenkräfte.- Die Vorhersage des Tidewasserstands.- Gezeitenwellen.- Tidedynamik in Ästuaren.- Die Theorie idealer Wellen.- Die Transformation der Welleneigenschaften.- Windinduzierte Strömungen in Küstengewässern.- Seegang.- Turbulente Strömungen in Küstengewässern.- Die Grenzschicht unter Wellen.- Strömungen, Turbulenz und Wellen.
