Geschwindigkeitsrekord bei Messung von Wasser-Luft-Strömungen

Wasser-Luft Strömungen mit hohen Geschwindigkeiten treten oft in hydraulischen Bauwerken wie Hochwasserentlastungen oder Tiefauslässen an Talsperren auf. Der Lufteintrag beeinflusst die Fliesseigenschaften des Wasser-Luft-Gemisches und muss daher bei der Bemessung solcher Bauwerke berücksichtigt werden. Bestehende Bemessungsrichtlinien basieren in erster Linie auf kleinmassstäblichen Modellversuchen. Da sich gewisse relevante Prozesse aber nicht beliebig skalieren lassen, treten dann in echten Anlagen sogenannte Massstabseffekte auf. Für die sichere Nutzung von Talsperren und Wasserkraftanlagen sind daher Vergleichsdaten aus Feldversuchen umso wichtiger.

Aufgrund des hohen Aufwands sind solche in-situ-Messungen von Wasser-Luft-Strömungen aber recht selten. Die letzten vergleichbaren Messungen stammen aus den 1970er Jahren. Dabei wurden Geschwindigkeiten von rund 20m/s erreicht – ein Bereich, der mittlerweile auch in kleinmassstäblichen Modellen untersucht werden kann. Im Zuge einer dreijährigen Studie entwickelten Forschende der Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie gemeinsam mit Partnern des Wasserforschungslabors der Universität von New South Wales (UNSW), Australien, spezielle Messinstrumente. Die beiden Messkampagnen fanden 2019 und 2020 im Hochwasserentlastungstunnel der Talsperre Luzzone in der Schweiz statt.

Die Studie ist ein wichtiger Schritt in Richtung eines besseren Verständnisses der Massstabseffekte für Wasser-Luft-Strömungen. Sie bestätigt die grundlegende Anwendbarkeit von empirischen Bemessungsgleichungen für aggregierte Parameter wie beispielsweise die mittlere Luftkonzentration, zeigt jedoch auch deutliche Skalierungseffekte bei Wasser-Luft Strömungseigenschaften wie der Tropfengrösse auf. Somit leistet die Studie einen wichtigen Beitrag zur Verbesserung von Bemessungsrichtlinien für hydraulische Anlagen wie Hochwasserentlastungen und Tiefauslässe an Talsperren.