Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Thematik des hydraulischen Feststofftransports in Druckrohrleitungen zur Bestimmung der hydraulischen Energieverluste des Wasser-Feststoff-Gemisches und der wirtschaftlichen Gemischgeschwindigkeit (der s.g. kritischen Geschwindigkeit) vcrit. Zu diesem Zweck wurde der Transportvorgang in verschiedenen Rohrkonfigurationen (horizontal, schräg und z. T. vertikal) an einem physikalischen Modell im Hubert-Engels-Labor des Instituts für Wasserbau und Technische Hydromechanik der Technischen Universität Dresden untersucht. Dabei kamen drei Sandfraktionen zum Einsatz (0,1 - 0,5 mm; 0,71 - 1,25 mm und 1,4 - 2,2 mm). Die Partikel weisen eine Dichte von ρF=2650 kg/m³ auf. Ziel der Untersuchungen war, mithilfe der Messdaten eine Formel zur Berechnung des Verlustanteils der dispersen Phase an dem gesamten Energieverlust besonders für das heterogene und das quasi-homogene Transportregime in Abhängigkeit von den Einflussgrößen (Dichte, Konzentration, Partikeldurchmesser etc.) abzuleiten. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit war, die kritische Gemischgeschwindigkeit genauer zu betrachten und einen entsprechenden Rechenansatz aufzustellen. Diese Geschwindigkeit stellt den Übergang von dem Transport mit beweglicher Sohle zum heterogenen Feststofftransport dar. Nach Abschluss der physikalischen Versuche wurde der Feststofftransport mit der Software ANSYS-Fluent numerisch untersucht. Im Fokus der Modellierung stand die Festsetzung der Wandrandbedingung für die disperse Phase, mit Hilfen derer die physikalisch gemessenen Energieverluste erreicht werden konnten. Die Simulationen wurden mit dem Euler-Granular-Modell durchgeführt. Hierbei wird der Feststoff als zweites Kontinuum betrachtet und seine rheologischen Eigenschaften wurden durch die Erweiterung der kinetischen Theorie der Gase auf die disperse Phase (eng. kinetic theory of granular flow KTGF) berechnet. Das angewendete zwei-Fluid-Modell (TFM) eignet sich sehr gut für alle möglichen vorkommenden Feststoffkonzentrationen und liefert gute Übereinstimmung mit den Messergebnissen im Gegensatz zu dem Euler-Lagrange-Modell (DPM), welches lediglich bei niedrigen Feststoffkonzentrationen Anwendung findet.:Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Symbolverzeichnis Indexverzeichnis 1 Einleitung und Zielsetzung 2 Grundlagen des hydraulischen Feststofftransports in Rohrleitungen 2.1 Das Energiegesetz 2.2 Feststofftransport in Rohrleitungen 2.3 Partikeleigenschaften 2.4 Typisierung der Partikelbewegung mit der Strömung 2.5 Einfluss der Turbulenz auf die Partikelbewegung in horizontaler Rohrleitung 2.6 Transportzustände in horizontaler Rohrleitung 2.7 Transportzustände in vertikaler Rohrleitung 2.8 Stopfgrenze 2.9 Kräftebilanz an einem Feststoffpartikel 2.10 Dimensionsanalyse 2.10.1 Auflistung der Einflussgrößen 2.10.2 Anzahl der dimensionslosen π-Parameter 2.10.3 Auswahl der Hauptvariablen 2.10.4 Ermittlung der π-Parameter 2.10.5 Form des funktionellen Zusammenhangs 3 Bemessungsansätze des hydraulischen Transports 3.1 Stand des Wissens 3.1.1 Feststofftransport in horizontaler Rohrleitung 3.1.2 Feststofftransport in geneigter Rohrleitung 3.1.3 Feststofftransport in vertikaler Rohrleitung 3.1.4 Die kritische Gemischgeschwindigkeit in horizontaler Rohrleitung 3.1.5 Die kritische Gemischgeschwindigkeit in geneigter Rohrleitung 3.1.6 Weitere Rechenmodelle 3.2 Erweiterung des Energiegesetzes auf Gemischströmung 3.2.1 In horizontaler Rohrleitung 3.2.2 In geneigter Rohrleitung 3.2.3 In vertikaler Rohrleitung 4 Experimentelle Untersuchungen 4.1 Aufbau der ersten Versuchsanlage 4.2 Messtechnik 4.3 Umbau der Versuchsanlage 4.4 Untersuchungsmaterial 4.5 Experimentelles Verfahren 5 Numerische Simulationen mit ANSYS-Fluent 5.1 Grundlagen der Mehrphasenströmungen 5.2 Auswahl des numerischen Modells 5.3 Das Granular-Euler-Modell 5.3.1 Die Erhaltungsgleichung 5.3.2 Die kinetische Theorie der dispersen Phase 5.4 Modellvalidierung 6 Vorstellung der Untersuchungsergebnisse 6.1 Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen in horizontaler Leitung 6.1.1 Experimentelle Untersuchungen zum Energieverlust 6.1.2 Experimentelle Untersuchung zu der kritischen Geschwindigkeit 6.2 Ergebnisse der hydronumerischen Untersuchungen in horizontaler Rohrleitung 6.2.1 Randbedingungen 6.2.2 Numerische Lösung und Konvergenz 6.2.3 Parameteranalyse anhand eigener Versuche 6.2.4 Numerische Untersuchungen zur Wechselwirkung zwischen den hydraulischen Kenngrößen 6.3 Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen in vertikaler Leitung 6.4 Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen in geneigter Rohrleitung 6.4.1 Experimentelle Untersuchungen zum Energieverlust 6.4.2 Experimentelle Untersuchung zu der kritischen Gemischgeschwindigkeit 6.5 Ergebnisse der numerischen Untersuchungen in geneigter Rohrleitung 7 Fehleranalyse und weitere Betrachtungen 7.1 Degradierung des Feststoffes 7.2 Die Abnutzung der Pumpe 7.3 Abrieb und Durchbruch der Rohrleitungen 7.4 Die Instabilität des Systems bei geringen Geschwindigkeiten 7.5 Messabweichung des Durchflussmessers 7.6 Fehlerquelle bei der Untersuchung der kritischen Gemischgeschwindigkeit 7.7 Fortbewegung der Feststoffe bei Geschwindigkeiten unterhalb vcrit 7.8 Einfluss der Transportkonzentration auf den Arbeitspunkt der Pumpe 8 Zusammenfassung Literaturverzeichnis Anhang / The present work deals with the hydraulic transport characteristics of sand-water mixtures in pipelines to determine hydraulic gradients and the deposition-limit velocity (critical velocity). For this purpose, the transport process in various pipe configurations (horizontal, inclined and vertical) was investigated on a physical model at the Hubert Engels Laboratory of the Institute of Hydraulic Engineering and Technical Hydromechanics of the Technical University of Dresden. Three sand fractions were used (0.1 - 0.5 mm, 0.71 - 1.25 mm and 1.4 - 2.2 mm) with particles density of ρF = 2650 kg/m³. The aim of the investigations was to develop a model for calculating the head loss percent-age of the disperse phase in terms of total energy loss, especially for the heterogeneous and quasi-homogeneous transport regime correlating to the influence quantities (density, concentration, particle diameter, etc.). Another important aspect for this work was to consider the critical velocity and to set up a corresponding calculation approach for this parameter. The deposition-limit velocity represents the transition from sliding Bed transport to heterogeneous transport. In the next step, the solids transport process was investigated numerical with ANSYS-Fluent. The focus of the modeling was the determination of the wall boundary condition for the disperse phase, with help of which the physically measured energy losses could be re-stored. The simulations were performed with the Euler Granular model. Here, the solid is considered to be the second continuum, and its rheological properties were calculated by expanding the kinetic theory of gases to disperse phase (KTGF).:Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Symbolverzeichnis Indexverzeichnis 1 Einleitung und Zielsetzung 2 Grundlagen des hydraulischen Feststofftransports in Rohrleitungen 2.1 Das Energiegesetz 2.2 Feststofftransport in Rohrleitungen 2.3 Partikeleigenschaften 2.4 Typisierung der Partikelbewegung mit der Strömung 2.5 Einfluss der Turbulenz auf die Partikelbewegung in horizontaler Rohrleitung 2.6 Transportzustände in horizontaler Rohrleitung 2.7 Transportzustände in vertikaler Rohrleitung 2.8 Stopfgrenze 2.9 Kräftebilanz an einem Feststoffpartikel 2.10 Dimensionsanalyse 2.10.1 Auflistung der Einflussgrößen 2.10.2 Anzahl der dimensionslosen π-Parameter 2.10.3 Auswahl der Hauptvariablen 2.10.4 Ermittlung der π-Parameter 2.10.5 Form des funktionellen Zusammenhangs 3 Bemessungsansätze des hydraulischen Transports 3.1 Stand des Wissens 3.1.1 Feststofftransport in horizontaler Rohrleitung 3.1.2 Feststofftransport in geneigter Rohrleitung 3.1.3 Feststofftransport in vertikaler Rohrleitung 3.1.4 Die kritische Gemischgeschwindigkeit in horizontaler Rohrleitung 3.1.5 Die kritische Gemischgeschwindigkeit in geneigter Rohrleitung 3.1.6 Weitere Rechenmodelle 3.2 Erweiterung des Energiegesetzes auf Gemischströmung 3.2.1 In horizontaler Rohrleitung 3.2.2 In geneigter Rohrleitung 3.2.3 In vertikaler Rohrleitung 4 Experimentelle Untersuchungen 4.1 Aufbau der ersten Versuchsanlage 4.2 Messtechnik 4.3 Umbau der Versuchsanlage 4.4 Untersuchungsmaterial 4.5 Experimentelles Verfahren 5 Numerische Simulationen mit ANSYS-Fluent 5.1 Grundlagen der Mehrphasenströmungen 5.2 Auswahl des numerischen Modells 5.3 Das Granular-Euler-Modell 5.3.1 Die Erhaltungsgleichung 5.3.2 Die kinetische Theorie der dispersen Phase 5.4 Modellvalidierung 6 Vorstellung der Untersuchungsergebnisse 6.1 Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen in horizontaler Leitung 6.1.1 Experimentelle Untersuchungen zum Energieverlust 6.1.2 Experimentelle Untersuchung zu der kritischen Geschwindigkeit 6.2 Ergebnisse der hydronumerischen Untersuchungen in horizontaler Rohrleitung 6.2.1 Randbedingungen 6.2.2 Numerische Lösung und Konvergenz 6.2.3 Parameteranalyse anhand eigener Versuche 6.2.4 Numerische Untersuchungen zur Wechselwirkung zwischen den hydraulischen Kenngrößen 6.3 Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen in vertikaler Leitung 6.4 Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen in geneigter Rohrleitung 6.4.1 Experimentelle Untersuchungen zum Energieverlust 6.4.2 Experimentelle Untersuchung zu der kritischen Gemischgeschwindigkeit 6.5 Ergebnisse der numerischen Untersuchungen in geneigter Rohrleitung 7 Fehleranalyse und weitere Betrachtungen 7.1 Degradierung des Feststoffes 7.2 Die Abnutzung der Pumpe 7.3 Abrieb und Durchbruch der Rohrleitungen 7.4 Die Instabilität des Systems bei geringen Geschwindigkeiten 7.5 Messabweichung des Durchflussmessers 7.6 Fehlerquelle bei der Untersuchung der kritischen Gemischgeschwindigkeit 7.7 Fortbewegung der Feststoffe bei Geschwindigkeiten unterhalb vcrit 7.8 Einfluss der Transportkonzentration auf den Arbeitspunkt der Pumpe 8 Zusammenfassung Literaturverzeichnis Anhang

Un des enjeux de la Directive Cadre sur l'Eau (2000) est de rétablir la migration piscicole aval à travers notamment une baisse de la mortalité des poissons au niveau des turbines des centrales hydroélectriques. Les grilles ichtyocompatibles constituent une des solutions possibles grâce à un arrêt physique des poissons couplé à un guidage vers un exutoire de contournement. Dans ce contexte, nous avons mené une étude expérimentale et numérique afin de caractériser différents types de grilles en termes de pertes de charge et de courantologie. Cela a permis de déterminer d'une part les pertes d'énergie liées à la proximité des barreaux pour diverses configurations et d'autre part les vitesses que les poissons sont susceptibles de rencontrer le long des grilles jusqu'à l'exutoire. Ces deux sujets complémentaires ont été abordés via l'utilisation de deux installations hydrauliques couplées à plusieurs systèmes de mesure adaptés à nos modèles de grille. Des mesures de hauteur d'eau ont permis d'établir des nouvelles lois de pertes de charge tandis que des mesures de vitesse avec des systèmes de vélocimétrie acoustique par effet Doppler (ADV) et de vélocimétrie par images de particules (PIV) ont permis de déterminer les angles pour lesquels les grilles satisfont les critères d'ichtyocompatibilité. Certains points de l'étude, liés à la caractérisation des exutoires notamment, ont été résolus grâce à des simulations numériques avec le logiciel OpenFOAM. L'ensemble des résultats obtenus a permis de dimensionner et de comparer les différentes solutions de grilles dans un cas de prise d'eau réel, soulignant ainsi les avantages et problématiques inhérents à chacune des solutions. / The Water Framework Directive (2000) particularly aimed at restoring the fish downstream migration and at preventing fish from being injured or killed in hydropower plant turbines. Fish-friendly trashracks, which physically stop fish and guide them towards bypasses, are one of the possible solutions.In this context, we have carried out an experimental and numerical study focused on the characterization of head losses and velocity distributions for various kinds of trashrack. This helped to quantify the energy loss due to the narrow bar spacing and to assess the magnitude of velocities that fish may face in different trashrack configurations. Two hydraulic installations coupled with several measurement devices allowed the study of both topics on model trashracks. Water depth measurements resulted in new head loss equations while velocity measurements with acoustic Doppler velocimetry (ADV) and particle image velocimetry (PIV) systems allowed the determination of fish-friendly angles in different trashrack configurations. Some other points of the thesis, concerning for instance bypasses, have been investigated with numerical simulations using OpenFOAM software. All the results allowed the conception and the comparison of various trashrack solutions for a real water intake case, highlighting the advantages and drawbacks relative to each of these solutions.