So messen Sie die Strömungsgeschwindigkeit

Abbildung 1. Ein fließender Bergbach.

Durchfluss ist das Gesamtvolumen einer Flüssigkeit, die im Laufe der Zeit an einem festen Punkt in einem Fluss oder Strom vorbeifließt. Sie ist vergleichbar mit der Geschwindigkeit, mit der sich ein Flüssigkeitsvolumen bewegt, wie in Abbildung 1 dargestellt. Volumenströme können in verschiedenen Volumen-/Zeiteinheiten gemessen werden, wie z. B.:

• Liter pro Sekunde (L/s)
• Kubikfuß pro Sekunde (ft³/s)
• Gallonen pro Minute (gal/min)
• Kubikmeter pro Sekunde (m³/s)

Haushaltswerkzeuge oder spezielle Messgeräte können verwendet werden, um Durchflussraten für Rohre, Abwassersysteme und Haushaltsgeräte zu ermitteln. Menschen verwenden Durchflussdaten für Mikrohydrosysteme, Abwassersysteme, Regenwassereinzug, Wasserprüfung, Absetzraten, Grundwasserspiegelstatistiken und andere wasserbezogene Informationen. Um den Durchfluss größerer Gewässer wie großer Flüsse oder hinter Dämmen zu finden, werden Messgeräte verwendet.

Diese Seite beschreibt Low-Tech-Methoden zur Bestimmung des Durchflusses kleiner Bäche und Flüsse sowie andere Werkzeuge, die für diesen Zweck verwendet werden können.

Methode 1: Bucket-Methode

Abbildung 2. Bestimmung der Durchflussrate mit einem Eimer.

Die Bucket-Methode ist eine einfache Methode, um die Durchflussrate mit Haushaltsgegenständen zu messen. Es erfordert eine Stoppuhr, einen großen Eimer und am besten zwei bis drei Personen. So messen Sie die Durchflussrate mit der Bucket-Methode:

1. Messen Sie das Volumen des Eimers oder Behälters. Denken Sie daran, dass ein typischer 5-Gallonen-Eimer oft weniger als 5 Gallonen fasst.
2. Suchen Sie eine Stelle entlang des Baches mit einem Wasserfall. Wenn keiner gefunden werden kann, kann ein Wasserfall mit einem Wehr gebaut werden (siehe Abbildung 4).
3. Messen Sie mit einer Stoppuhr, wie lange der Wasserfall braucht, um den Eimer mit Wasser zu füllen. Starten Sie die Stoppuhr gleichzeitig mit dem Beginn des Füllens des Eimers und stoppen Sie die Stoppuhr, wenn sich der Eimer füllt. Der Eimer sollte nicht gefüllt werden, indem man ihn unter die Oberfläche des Baches hält, da dies nicht die wahre Durchflussrate ist.
4. Notieren Sie die Zeit, die zum Füllen des Eimers benötigt wird.
5. Wiederholen Sie die Schritte zwei und drei etwa sechs- oder siebenmal und nehmen Sie den Durchschnitt. Es ist eine gute Idee, vor der Aufzeichnung von Daten einige Probeläufe durchzuführen, damit man ein Gefühl für das erforderliche Timing und die erforderlichen Messungen bekommt.
6. Löschen Sie Daten nur, wenn größere Probleme auftreten, wie z. B. Trümmer aus dem Strom, die den Fluss stören.
7. Die Durchflussrate ist das Volumen des Eimers dividiert durch die durchschnittliche Zeit, die zum Füllen des Eimers benötigt wurde.

Bucket-Methodendaten für Durchfluss (Beispiel)

Versuchsnummer	Zeit (Sekunden)	Eimervolumen (Gallonen)
1	13.2	5
2	14	5
3	14.5	5
4	13	5
5	13.4	5
6	13.1	5

Hier ist ein Beispiel mit Daten, die für die Durchflussrate des Jolly Giant Creek auf dem Gelände von Cal Poly Humboldt gefunden wurden: Unter Verwendung dieser Daten ist die volumetrische Durchflussrate (Q) gleich dem Volumen des Eimers (V) dividiert durch die durchschnittliche Zeit ( t).

[math]\displaystyle{ Q=v/t }[/math]

wo [math]\displaystyle{ t=\frac{13.2s+14s+14.5s+13s+13.4s+13.1s}{6 trials}=13.5 seconds }[/math]

so [math]\displaystyle{ t = 13.5 seconds }[/math] und [math]\displaystyle{ V = 5 gallons }[/math]

[math]\displaystyle{ Q = \frac{V}{t}= \frac{5 gallons}{13.5 seconds} = 0.37 \frac{gallons}{second} }[/math]

Die Durchflussrate beträgt also 0,37 Gallonen/Sekunde oder Q = 0,37 Gallonen/Sekunde * 60 Sek./Min. = 22,2 Gallonen/Minute.

Daher beträgt die Durchflussrate (Q) 22,2 GPM.

Methode 2: Float-Methode

Abbildung 3. Ermitteln der Durchflussrate mit einem Schwimmer und einem Meterstab.

Die Schwimmermethode (auch Querschnittsmethode genannt) wird zur Messung der Durchflussgeschwindigkeit für größere Bäche und Flüsse verwendet. Sie wird ermittelt, indem eine Querschnittsfläche des Stroms mit der Geschwindigkeit des Wassers multipliziert wird. So messen Sie die Durchflussrate mit der Schwebekörpermethode:

1. Suchen Sie eine Stelle im Strom, die als Querschnitt des Stroms dient.
2. Messen Sie mit einem Meterstab oder einem anderen Messmittel die Wassertiefe in gleichen Abständen entlang der Breite des Wasserlaufs (siehe Abbildung 3). Diese Methode ähnelt der manuellen Berechnung einer Riemann-Summe für die Breite des Flusses.
3. Sobald diese Daten gesammelt sind, multiplizieren Sie jede Tiefe mit dem Intervall, in dem sie aufgenommen wurde, und addieren Sie alle Beträge zusammen. Diese Berechnung ist die Fläche eines Querschnitts des Stroms.
4. Entscheiden Sie sich für eine Länge des Baches, normalerweise länger als die Breite des Flusses, um ein schwimmendes Objekt nach unten zu schicken (Orangen funktionieren hervorragend).
5. Messen Sie mit einer Stoppuhr die Zeit, die der Schwimmer benötigt, um ab Schritt 4 die Länge des Stroms hinunterzufahren.
6. Wiederholen Sie Schritt 5 fünf- bis zehnmal und bestimmen Sie die durchschnittliche Zeit, die der Schwimmer benötigt, um den Bach zu durchqueren. Werfen Sie den Schwimmer in unterschiedlichen Entfernungen von der Küste ins Wasser, um einen genaueren Durchschnitt zu erhalten.
7. Teilen Sie die in Schritt 4 gefundene Stromlänge durch die durchschnittliche Zeit in Schritt 6, um die durchschnittliche Geschwindigkeit des Stroms zu bestimmen.
8. Die in Schritt 7 ermittelte Geschwindigkeit muss mit einem Reibungskorrekturfaktor multipliziert werden. Da der obere Teil eines Baches aufgrund der Reibung am Bachbett schneller fließt als der untere, gleicht der Reibungskorrekturfaktor die Strömung aus. Multiplizieren Sie die Geschwindigkeit für rauen oder felsigen Boden mit 0,85. Bei glatten, schlammigen, sandigen oder glatten Grundgesteinsbedingungen multiplizieren Sie die Geschwindigkeit mit einem Korrekturfaktor von 0,9.
9. Die korrigierte Geschwindigkeit multipliziert mit der Querschnittsfläche ergibt den Durchfluss in Volumen/Zeit. (Achten Sie darauf, bei der Messung des Querschnitts und der Geschwindigkeit konsistente Längen-/Abstandseinheiten beizubehalten, z. B. Meter, Fuß)

Methode 3: Wehre

Abbildung 4: Ein Beispiel für ein Wehr mit V-Kerbe.

Wehre sind kleine Dämme, die zur Messung der Durchflussrate für kleine bis mittelgroße Bäche (einige Meter oder breiter) verwendet werden können. Sie lassen den Überlauf des Baches über die Oberseite des Wehrs fließen und erzeugen einen Wasserfall, wie in Abbildung 4 zu sehen. Wehre erhöhen die Höhenänderung, wodurch der Stromfluss gleichmäßiger wird, was die Durchflussmessungen präziser macht. Es ist jedoch sehr wichtig, dass das gesamte Wasser im Bach in das Wehr geleitet wird, damit es den Flussfluss genau darstellt. Es ist auch wichtig zu verhindern, dass sich Sedimente hinter dem Wehr ansammeln. Wehre mit scharfen Hauben funktionieren am besten. Es gibt viele verschiedene Arten von Wehren, darunter Wehre mit breiter Krone, Wehre mit scharfer Krone, Kombinationswehre, V-Kerbwehre und Wehre mit minimalem Energieverlust.

Methode 4: Meter

Messgeräte sind Geräte, die den Stromfluss messen, indem sie direkt den Strom messen. Es gibt viele verschiedene Arten von Zählern, am häufigsten sind der Pygmäenzähler, der Wirbelzähler, die Durchflusssonde und der Stromzähler: Sie werden im Folgenden kurz beschrieben.

• 

  Pygmy meter: a wheel is rotated by water flow and the rate of the rotation signifies the water velocity. It is primarily used in measuring discharge.

• 

  Vortex meter: velocity is proportional to the downstream frequency of the vortex flow and is read on a digital readout. It is used for measuring flow in pipes.

• 

  Flow probe: the flow turns a propeller that sends the water velocity data to a digital readout display in ft/s or m/s

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  Current meter: electronic pulses determine water velocity. Can be used in large bodies of water like oceans to measure the current.

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• Wikipedia:Volumenstrom
• Volumetrische Durchflussmessung