In der Hydraulik des offenen Kanals ist die Froude-Zahl ein sehr wichtiger dimensionsloser Parameter.

Die Froude-Zahl ist ein dimensionsloser Parameter, der das Verhältnis der „Trägheitskraft auf ein Flüssigkeitselement zum Gewicht des Flüssigkeitselements“ misst – die Trägheitskraft geteilt durch die Gravitationskraft.

Die Froude-Zahl kann ausgedrückt werden als

Fr = v / (g hm)1/2 (1)

wobei

Fr = Froude-Zahl

v = Geschwindigkeit (m/s)

g = Erdbeschleunigung (9.81 m/s2)

hm = mittlere hydraulische Tiefe oder charakteristische Länge (m)

Die Froude-Zahl ist bei strömungsdynamischen Problemen von Bedeutung, bei denen die Gewichtskraft (Schwerkraft) des Fluids eine wichtige Rolle spielt.

Im Allgemeinen ist dies die Situation bei freien Oberflächen wie kalten Fenstern und heißen Heizkörpern – oder bei Strömungen in offenen Kanälen wie Wasserkanälen, Abwasserrohren . Sie wird bei der Berechnung der Impulsübertragung im Allgemeinen und der Strömung in offenen Kanälen sowie des Wellen- und Oberflächenverhaltens im Besonderen verwendet.

Die Froude-Zahl ist wichtig bei der Analyse der Strömung in Überläufen, Wehren, Kanälen, Flüssen und bei der Schiffskonstruktion.

Bei der Wassermessung in offenen Kanälen muss die Froude-Zahl im Allgemeinen kleiner als 0,5 sein, um zu verhindern, dass Wellen die genauen Höhenmessungen stören.

Wenn die Froude-Zahl 1 beträgt, ist die Geschwindigkeit gleich der Wellenausbreitungsgeschwindigkeit, und stromabwärts gerichtete Wellen oder Druckstörungen können sich nicht stromaufwärts ausbreiten. Eine Froude-Zahl von 1 definiert die kritische mittlere Tiefe gegenüber der kritischen Geschwindigkeit.

Hydraulische mittlere Tiefe

Die hydraulische mittlere Tiefe kann berechnet werden als

hm = A / T (2)

wobei

hm = hydraulische mittlere Tiefe (m)

T = Breite des Kanals oder der offenen Oberfläche (m)

A = Querschnittsfläche der gefüllten Strömung in der Leitung oder im Kanal (m2)

Beachten Sie, dass der hydraulische Radius (oder Durchmesser) in der Strömungsmechanik allgemein verwendet wird und die Strömungsfläche mit dem benetzten Umfang in Beziehung setzt.

Beispiel – Hydraulische mittlere Tiefe in einem offenen rechteckigen Kanal

Die Breite eines offenen Kanals beträgt 10 m. Die Wassertiefe im Kanal beträgt 2 m. Die mittlere Tiefe kann wie folgt berechnet werden

hm = ((10 m) * (2 m)) / (10 m)