Gezeiten und Wellen (eBook)

Die Hydromechanik der Küstengewässer

Andreas Malcherek (Autor)

eBook Download: PDF

2010 | 2010
IX, 301 Seiten
Vieweg & Teubner (Verlag)
978-3-8348-9764-0 (ISBN)

Infos

Das Fachbuch vermittelt alle Grundlagen der Hydromechanik am Beispiel der Küstengewässer. Der Autor wendet sich dabei an alle Ingenieure, die sich mit Küstenströmungen im Ökosystem Wattenmeer, Klimafolgen, dem Meeresspiegelanstieg, dem Küstenschutz und Offshoreanlagen beschäftigen.

Prof. Dr.-Ing. habil. Dipl.-Phys. Andreas Malcherek lehrt an der Universität der Bundeswehr in München am Lehrstuhl für Hydromechanik und Wasserbau.

Inhalt

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

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 1.11.2010
• Zusatzinfo: IX, 301 S.
• Verlagsort: Wiesbaden
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Naturwissenschaften ► Physik / Astronomie
• Themenwelt: Technik ► Bauwesen
• Schlagworte: Ästuar • Ästuar • Gezeiten • Gezeitenwelle • Grenzschicht • Hydromechanik • Küste • Küsten • Küste • Küsten • Rhe • Strömung • Strömung • Tide • Tidedynamik • Water Quality and Water Pollution
• ISBN-10: 3-8348-9764-7 / 3834897647
• ISBN-13: 978-3-8348-9764-0 / 9783834897640