Luft- und wasserseitige Strömungsverhältnisse im ringförmigen Heidelberger Wind-Wellen-Kanal (Aeolotron)

In dieser Arbeit wurden erstmalig die luft- und wasserseitigen Strömungsverhältnisse im Heidelberger Aeolotron, einem ringförmigen Wind-Wellen-Kanal mit 10m Durchmesser, durch systematische Strömungsmessungen charakterisiert. Die windinduzierte Schubspannungsgeschwindigkeit, welche einen zentralen Parameter darstellt, wurde mit einer erweiterten Impulsbilanzmethode bestimmt. Dazu wurden die Reibungsverhältnisse an den Kanalwänden anhand von Geschwindigkeitsmessungen mit einer akustischen Strömungsmesssonde genauer untersucht. Für die Windmessung wurde ein Pitotrohr an einer dafür entworfenen automatischen Verschiebeeinheit angebracht. Die Messungen weisen eine schraubenförmige Strömung nach, die sich von oben hinter dem Windantrieb an der äußeren Kanalwand entlang nach unten verlagert und sich dann an der Wasseroberfläche bis zur inneren Kanalwand ausbreitet. Eine Abschätzung der räumlichen Verteilung der Schubspannungsgeschwindigkeit liefert lokale Abweichungen bis zu 20%. Das Strömungsfeld im Wasser besitzt eine ausgeprägte Sekundärströmung und stark erhöhte Geschwindigkeiten an der äußeren Wand. Die Struktur des Strömungsfeldes hängt von den Windverhältnissen ab, was sich auf nicht triviale Weise auf die Wandreibung auswirkt. Um den zusätzlichen Einfluss der Wellen zu untersuchen, wurde ein empirischer Parameter eingeführt. Die Impulsbilanzmethode wurde um eine instationäre Lösung erweitert und damit die Schubspannungsgeschwindigkeit bestimmt. Durch systematische Messungen konnte die geschwindigkeitsabhängige Wandreibung im Wasser ermittelt und durch die Wassergeschwindigkeit parametrisiert werden. Anhand von Messungen der Wellenhöhe und Wassergeschwindigkeit, die einen großen Bereich an Windgeschwindigkeiten abdecken, wurde der Einfluss von zwei Konzentrationen der oberflächenaktiven Substanz TritonX-100 auf die Wellenhöhe und auf die Schubspannungsgeschwindigkeit dargestellt