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Robert Freimann
Hydraulik für Bauingenieure
Grundlagen und Anwendungen
Vorwort zur 3. Auflage
6
Inhalt
8
1 Einführung
12
1.1 Bedeutung der Hydraulik
12
1.2 Eigenschaften des Wassers
13
1.2.1 Dichte
14
1.2.2 Viskosität oder Zähigkeit
14
1.2.3 Volumenelastizität
15
1.2.4 Schallgeschwindigkeit
15
1.2.5 Oberflächenspannung und Kapillarität
15
1.2.6 Dampfbildung
16
2 Hydrostatik
17
2.1 Flüssigkeitsdruck
17
2.1.1 Druckeinheiten
18
2.1.2 Bezugsdruck
19
2.1.3 Kommunizierende Gefäße und Röhren
20
2.2 Grundlegendes zum Druck auf Flächen
22
2.3 Druck auf ebene Flächen
23
2.4 Tabellarische Ermittlung der Druckkraft
28
2.5 Druck auf gekrümmte und polygonartig zusammengesetzte Berandung
31
2.6 Auftrieb
32
2.7 Schwimmstabilität
34
3 Hydrodynamik
36
3.1 Allgemeine Begriffe
36
3.2 Bewegungsarten von Flüssigkeiten
38
3.2.1 Stationäre und instationäre Bewegung
38
3.2.2 Gleichförmige und ungleichförmige Bewegung
38
3.2.3 Kontinuierliche und diskontinuierliche Bewegung
39
3.2.4 Beispiel zu den Bewegungsarten
39
3.3 Fließverhalten realer Flüssigkeiten
40
3.3.1 Laminares und turbulentes Fließen
40
3.3.2 Schubspannung
41
3.3.3 Reynoldszahl
42
3.4 Kontinuitätsbedingung
42
3.5 Energiegleichung von Bernoulli
44
3.5.1 Bernoulligleichung für ideale Flüssigkeiten
44
3.5.2 Bernoulligleichung für reale Flüssigkeiten
49
3.5.3 Messung und Beobachtung der Energieanteile
50
3.6 Impulssatz
51
3.6.1 Allgemeine Betrachtungen
51
3.6.2 Stützkraft bei Druckrohrleitungen
52
3.6.3 Stützkraft bei Gerinneströmungen
56
3.6.4 Stützkraft bei freien Strahlen
57
3.7 Potenzialströmungen
58
3.7.1 Überblick
58
3.7.2 Einfache Potenzialströmungen
58
4 Ausfluss und Überfall
61
4.1 Allgemeines
61
4.2 Ausfluss aus Bodenöffnungen
62
4.3 Ausfluss aus Seitenöffnungen
64
4.3.1 Ausfluss aus großer Öffnung
64
4.3.2 Ausfluss aus kleiner Öffnung
66
4.3.3 Ausfluss unter Gegendruck
66
4.4 Ausfluss unter Planschütz
67
4.4.1 Freier Ausfluss
67
4.4.2 Rückgestauter Ausfluss
69
4.5 Abfluss über Wehre
71
4.5.1 Bezeichnungen und Einteilungen
71
4.5.2 Abflussberechnung
73
4.5.3 Unvollkommener Überfall
75
4.6 Abfluss über Streichwehre
77
4.7 Abfluss über Tiroler Wehre
80
5 Rohrhydraulik
83
5.1 Vorbemerkungen
83
5.2 Reibungsverluste
84
5.2.1 Ermittlungskonzept
84
5.2.2 Laminare Strömung
85
5.2.3 Turbulente Strömung
85
5.2.4 Nichtkreisförmige Querschnitte
90
5.3 Einzelverluste
91
5.3.1 Grundlagen
91
5.3.2 Rohreinlauf
92
5.3.3 Querschnittsänderung
92
5.3.4 Richtungsänderung
93
5.3.5 Rohrtrennungen und -vereinigungen
94
5.3.6 Armaturen
97
5.3.7 Rohrauslauf
97
5.4 Pumpen- und Turbinenleistung
99
5.5 Zusammenfassung Energieplan
103
5.6 Betriebliche bzw. integrale Rauheit
106
6 Pumpenhydraulik
111
6.1 Pumpenarten
111
6.1.1 Unterscheidung nach Arbeitsprinzip
111
6.1.2 Bauformen von Kreiselpumpen
112
6.2 Charakteristik von Kreiselpumpen
113
6.2.1 Pumpenkennlinie
113
6.2.2 Anlagenkennlinie
113
6.2.3 Betriebspunkt
113
6.3 Kombination von Kreiselpumpen
116
6.4 NPSH-Berechnung
118
7 Gerinnehydraulik
122
7.1 Allgemeine Beziehungen
123
7.2 Strömen und Schießen
126
7.3 Gleichförmige Strömung
129
7.3.1 Fließformel nach Darcy-Weisbach
130
7.3.2 Fließformel nach Gauckler-Manning-Strickler
131
7.3.3 Normalabfluss
132
7.4 Grenzverhältnisse
134
7.5 Fließwechsel
137
7.5.1 Vom strömenden zum schießenden Abfluss
137
7.5.2 Vom schießenden zum strömenden Abfluss
138
7.5.3 Wechselsprung
139
7.5.4 Tosbecken
140
7.6 Ungleichförmige Strömung
141
7.6.1 Ohne Fließwechsel
141
7.6.2 Mit Fließwechsel
143
7.7 Querschnittsänderungen
144
7.7.1 Querschnittserweiterung
144
7.7.2 Querschnittsverringerung
147
7.7.3 Lokale Verluste bei Querschnittsverringerung
149
7.8 Wasserspiegellinienberechnung
152
7.8.1 Allgemeine Zusammenhänge
152
7.8.2 Hydraulische Kontrollquerschnitte
154
7.8.3 Vorgabe einer Abschnittslänge
154
7.8.4 Vorgabe einer Wasserspiegeldifferenz Qh
156
7.9 Abfluss in natürlichen Fließgewässern
157
7.9.1 Unterschiedliche Rauheiten im Querschnitt
157
7.9.2 Gegliederte Fließquerschnitte
158
7.9.3 Querschnitte mit Großbewuchs
160
8 Sickerströmungen
161
8.1 Grundlagen
161
8.2 Druckhöhen und Standrohrspiegelhöhen
163
8.3 Anwendung von Potenzialliniennetzen
164
8.3.1 Unterströmung von Bauwerken
165
8.3.2 Dammdurchsickerung
167
8.4 Anströmung von Brunnen und Gräben
168
8.4.1 Vertikaler Brunnen
169
8.4.2 Entwässerungsgraben
171
9 Ergänzende Themen
173
9.1 Instationärer Beckenausfluss
173
9.1.1 Freier Ausfluss
173
9.1.2 Ausfluss unter Gegendruck
176
9.2 Berechnung von Rohrnetzen
178
9.2.1 Rohrsysteme
178
9.2.2 Berechnung von Ringnetzen
179
9.3 Druckstoß
183
9.3.1 Veranschaulichung der Problematik
183
9.3.2 Schnelles Schließen am Rohrleitungsende
185
9.3.3 Langsames Schließen am Rohrleitungsende
189
9.3.4 Weitere Ursachen für Druckstöße
189
9.4 Schwall und Sunk
189
9.5 Berechnung von Wasserspeichern
192
9.5.1 Grundlagen
192
9.5.2 Retentionsraum
193
9.5.3 Trinkwasserspeicher
195
10 Lösungen
198
10.1 Lösungen zu Aufgaben in Kapitel 1
198
10.2 Lösungen zu Aufgaben in Kapitel 2
199
10.3 Lösungen zu Aufgaben in Kapitel 3
207
10.4 Lösungen zu Aufgaben in Kapitel 4
211
10.5 Lösungen zu Aufgaben in Kapitel 5
216
10.6 Lösungen zu Aufgaben in Kapitel 6
221
10.7 Lösungen zu Aufgaben in Kapitel 7
224
10.8 Lösungen zu Aufgaben in Kapitel 8
233
10.9 Lösungen zu Aufgaben in Kapitel 9
235
Literaturverzeichnis
240
Verzeichnis englischer Fachbegriffe
241
Index
245
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