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3.3 Geohydraulik
Bei kleinen Fließgeschwindigkeiten und großer
Viskosität, also bei kleinen REYNOLDS-Zahlen,
bewegen sich die Flüssigkeitsteilchen parallel zu-
einander. Diese Strömungsform heißt
laminar
.
Es handelt sich um eine geordnete Schichtenströ-
mung (lat. lamina = Schicht) der Flüssigkeitsteil-
chen. Die Stromlinien verlaufen nebeneinander
und vermischen sich nicht (J
OGWICH
, A. & J
OG
-
WICH
, M. 2009). Die Strömung durch Rohre wird
durch die Flüssigkeitsreibung beeinflusst, sodass
die Teilchen von den Wänden abgebremst wer-
den. Es entsteht ein parabolisches Geschwindig-
keitsprofil.
Die Voraussetzung für eine laminare Strö-
mung ist angenähert in Locker-, oder Porenge-
steinen gegeben, die aus einem Gemenge mehr
oder weniger feiner Körner bestehen. Zwar ist
auch hier die mathematisch zu fordernde Homo-
genität des durchströmten Körpers in aller Regel
nicht gegeben, da diese Gesteine (geogenetisch
bedingt) immer verschieden zusammengesetzt
sind. Im Grundwasser kann sich die laminare in
eine turbulente Strömung umwandeln. Hierbei
ist für die „charakteristische Länge“ der mittlere
Korndurchmesser einzusetzen.
In Kluftgesteinen dagegen ist die Strömung
meist
turbulent
: Bei hohen Geschwindigkeiten,
also bei großen R
EYNOLDS
-Zahlen, stoßen die
Teilchen auch quer zur Strömungsrichtung anei-
nander. Hier überlagern viele Querbewegungen
die Hauptbewegung. Daher werden Teilchen mit
großer Geschwindigkeit abgebremst, Teilchen
mit kleiner Geschwindigkeit dagegen beschleu-
nigt, sodass der Geschwindigkeitsunterschied
über die gesamte Strömungsquerschnittsfläche
gering ist.
Die Klüfte folgen zwar bestimmten, auch ge-
setzmäßigen Anordnungen, doch diese bleiben
nach Häufigkeit und Öffnungsweite gerade in
kleinen Raumeinheiten nicht gleich, bedingt
durch unterschiedliche Gesteinsausbildung,
Schichtung, Haupt- und Nebenstörungszonen.
Besonders in Karstgesteinen ändern sich die Öff-
nungsweiten von Klüften auf kurzen Entfernun-
gen. Dieses anisotrope Klufthohlraumnetz führt
dazu, dass die Strömungsgeschwindigkeiten auf
engstem Raum wechseln. Damit wird die
R
EYNOLDS
-Zahl für laminare Strömung meistens
überschritten, sodass es hier zur turbulenten
Strömung kommt. Nur wenn die Klüftung inten-
siver ist, sodass der Gesteinsaufbau einem Poren-
Voraussetzung für das Strömen von Wasser im
Untergrund ist ein vorhandenes Druckgefälle.
Daraus ergeben sich die Geschwindigkeit und die
Strömungsrichtung des Wassers. Eine Kenngröße
für das Verhalten in Rohren sowie in Poren und
Klüften ist die dimensionslose
R
EYNOLDS
-Zahl
Re
(O
SBORNE
R
EYNOLDS
, britischer Physiker und In-
genieur; 1842 bis 1912). Sie ermöglicht auch die
Kennzeichnung des Übergangs von der lamina-
ren in die turbulente Strömung.
Die dimensionslose REYNOLDS-Zahl in ihrer
allgemeinen Form wird durch die folgende Glei-
chung ermittelt:
lv
Fl
Fl
Re
Gl. 11
Re =
R
EYNOLDS
-Zahl (1),
l
= für das betreffende Strömungsmodell
charakteristische Länge (z.B. Rohrdurch-
messer oder Korndurchmesser) (m),
ν
FL
= charakteristische Strömungsgeschwin-
digkeit (z.B. mittlere Geschwindigkeit)
des Fluids (m/s),
ν
FL
= temperaturabhängige kinematische Vis-
kosität des Fluids (m
2
/s).
(Bedingt durch den Schrifttyp kann es zu Ver-
wechslungen kommen:
v
= v (kursiv) = Ge-
schwindigkeit, nicht zu verwechseln mit
(ny =
griechischer Buchstabe) = kinematische Viskosi-
tät).
Die
kinematische Viskosität
ν
ν
FL
setzt sich zu-
sammen aus den beiden Stoffkenngrößen:
η
Fl
= dynamische Viskosität des Fluids
(Pa·s = kg/(s·m),
ρ
Fl
= Dichte des Fluids (kg/m
3
)
Fl
Fl
v
Fl
Gl. 12
So ergibt sich
Re
lv
Fl
Gl. 13
Fl
