@phdthesis{,
    author = {Chmiel, Oliver},
    title = {Zur Interaktion der Turbulenz und der Schwebstoffkonzentration in Oberflächengewässern - Möglichkeiten und Herausforderungen experimenteller und numerischer Untersuchungen zur Dynamik von Flüssigschlick},
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    keywords = {Flüssigschlick, Turbulenz, Schwebstoffkonzentration, Viskosität, Partikel-Partikel-Interaktion},
    abstract = {Flüssigschlick ist eine Mischung aus Wasser, Feinstsedimenten und organischen Bestandteilen und weist Feststoffkonzentrationen von 10 g/l bis 250 g/l auf, sodass es durch nicht-Newtonsches, viskoplastisches Fließverhalten gekennzeichnet ist. Es kommt typischerweise in Küstengewässern vor, die durch die Gezeiten und durch feinkörnige Sedimente geprägt sind, führt jedoch auch in Binnengewässern zu ökologischen und ökonomischen Problemstellungen. An der Unteren Ems als Beispiel, führt die Schlickproblematik, die sich durch anthropogene Eingriffe in der Vergangenheit verschärft hat, zur Beeinflussung der Tidedynamik, des Abflussverhaltens, der Schifffahrt und letztendlich der Flora und Fauna. Die Bedeutung der dortigen Schlickproblematik für das Ökosystem und für die regionale Wirtschaft spiegelt sich im Masterplan Ems 2050 wieder, der im Jahr 2015 als langfristiges Maßnahmenprogramm zum ökologischen Erhalt der Ems beschlossen wurde. Im Binnenland sind hingegen meist die Staubereiche der Flüsse und die Seen von Schlickansammlungen betroffen, wie beispielsweise der Altmühlsee und der Eixendorfer Stausee in Bayern. Dort lagerten sich entlang der strömungsberuhigten Bereiche Feinstsedimente ab, die die Retentionswirkung sowie die Gewässerstruktur nachteilig beeinflussen. Aufgrund dessen müssen aufwändige Unterhaltungsmaßnahmen geplant und durchgeführt werden, um den Schlick zu entfernen und zu verwerten. In Teil I - Flüssigschlick dieser Arbeit wird anhand des Ems-Ästuars erläutert, wie es dort zur heutigen Schlickproblematik gekommen ist. Des weiteren wird in Kapitel 2 beschrieben, was im Speziellen unter Flüssigschlick zu verstehen ist, um in Kapitel 3 die Messkampagnen zur Schlickentnahme an der Ems und am Altmühlsee darzustellen. Um das Strömungsverhalten von Schlicksuspensionen für ingenieurtechnische Fragestellungen modellieren zu können, wurde im Rahmen dieser Arbeit das Konzept des erweiterten kontinuierlichen Modellansatzes erarbeitet und in das numerische MudEstuary1DV-Modell implementiert. Die Grundlage dieses Ansatzes ist der kontinuierliche Übergang vom turbulenten zum laminaren Strömungsbereich, der aufgrund der hohen Schwebstoffkonzentrationen durch rheologische Modelle beschrieben wird. Dafür wurde die sogenannte effektive Viskosität eingeführt, die als Bindeglied der turbulenten und der rheologischen Viskosität zu verstehen ist. Der Modellansatz ist in Teil II - Der kontinuierliche Modellansatz dargestellt, wobei Kapitel 4 einen Überblick alternativer numerischer Modellansätze gibt. In Kapitel 5 werden die spezifischen Erweiterungen des kontinuierlichen Modellansatzes, insbesondere der Turbulenzmodellierung, dargestellt um in Kapitel 6 die 1D-Simulationsergebnisse zu diskutieren. Zur Validierung des erweiterten kontinuierlichen Modellansatzes wurde der experimentelle Versuchsstand MudEstuaryExp auf Grundlage früherer experimenteller Untersuchungen konzipiert, geplant und aufgebaut. In Kapitel 7 aus Teil III - Die Konzeption und Planung des Versuchsstands ist ein Literaturüberblick bereits durchgeführter Laborversuche gegeben. Aufgrund dessen wurden zwei Experimente ausgewählt, auf deren Grundlage die Detailplanung und die Konstruktion des Versuchs MudEstuaryExp erfolgte, siehe Kapitel 8. Um die Turbulenz-Schwebstoff-Interaktion im Versuch MudEstuaryExp messen zu können, war eine Messmethode nötig, die es ermöglichte, die Strömungsgeschwindigkeit, die Turbulenz und die Schwebstoffkonzentration simultan messen zu können. Nur unter der Bedingung der zeit- und ortsgleichen Messungen können die Effekte der Schwebstoffe auf das Turbulenzverhalten ausgewertet werden. In Teil IV - Die Messung der Schwebstoffkonzentration wird die Entwicklung einer akustischen Methode zur Messung der Schwebstoffkonzentration aufgezeigt. Die Methode basiert auf der Sonar-Theorie und der Messung des Signal-Rausch-Verhältnisses (engl.: signal-to-noise-ratio, SNR) mit einer ADV-Sonde. Durch Kalibrierversuche im Rahmen der Messreihe MudEstuarySNR konnte die SNR der ADV-Sonde bis zu Schwebstoffkonzentrationen von 50 g/l angepasst werden. Im darauffolgenden Teil V - Das Turbulenzverhalten in Suspensionen sind die Messergebnisse des Versuchs MudEstuaryExp dargestellt. In Kapitel 10 wird auf die Aufbereitung und die Filterung der Messdaten eingegangen, da die Verfahren zur Datenverarbeitung maßgeblich Einfluss auf die weitere Auswertung haben. In Kapitel 11 werden die Messergebnisse als vertikale Profile über die Messstrecke ausgewertet und über die neu eingeführten Modell-Reynoldsspannungen analysiert. Um den Einfluss der Schwebstoffkonzentration auf die Sohlrauigkeit und somit auf das Turbulenzverhalten darzustellen, wurden die vertikalen Geschwindigkeitsprofile in Kapitel 12 anhand der turbulenten Grenzschichttheorie ausgewertet. Mit Zunahme der Schwebstoffkonzentration konnte eine Reduzierung der Sohlreibung nachgewiesen werden. Da der Versuch MudEstuaryExp mit rein mineralischem Sediment in Leitungswasser durchgeführt wurde, hatte die für Flüssigschlick typische Flockenbildung aufgrund organischer und saliner Wechselwirkungen dabei keinen Einfluss. Die Partikel-Partikel-Wechselwirkungen, die in natürlichen Gewässern zur Flockenbildung führen und für die Bildung von Flüssigschlick mitverantwortlich sind, wurden in den experimentellen Untersuchungen MudEstuaryRheo untersucht, die in Teil VI - Das partikuläre Zusammenspiel mechanischer, chemischer und biologischer Einflüsse beschrieben sind. Dabei wurde insbesondere die anorganische Flockenbildung aufgrund der Salinität anhand rheometrischer Messungen betrachtet. Mit Zunahme der Salinität konnte eine Verringerung der Fließgrenze von Schlick beobachtet werden, wobei die Salinität insgesamt keinen dominanten Einfluss auf das generelle Fließverhalten von Schlick hat. Im letzten Teil dieser Arbeit, Teil VII - Fazit, sind die zehn Haupterkenntnisse dieser Forschungsarbeit zusammengefasst.},
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    school = {Universität der Bundeswehr München},
    
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