Name: stormwater detention basin mass balance
Uploaded: 2025-02-13T15:43:21.000Z
Duration: 1 min 14 s
Channel: JoVE

Die Erhaltung der Masse ist entscheidend für das Verständnis des Wasserflusses in einem rotierenden Sprinklersystem, das für die landwirtschaftliche Bewässerung verwendet wird.
Der Regner empfängt Wasser aus einer stationären Quelle und stößt es durch rotierende Düsen aus, um das Feld zu bewässern.
Das Regelvolumen umfasst das Wasser im Inneren des Sprinklerkopfes und der Düsen, wobei die Grenzen durch die Düsenöffnungen und den Einlass der Wasserquelle definiert werden.
Das Wasser fließt stetig durch das System, während sich der Sprinkler dreht und ein kontinuierliches Bewässerungsmuster beibehält.
Die Relativgeschwindigkeit des Wassers wird durch seine Geschwindigkeit beim Austritt aus der Düse im Vergleich zur Bewegung des rotierenden Sprinklerkopfes bestimmt.
Die Differenz zwischen der absoluten Geschwindigkeit des Wassers und der Geschwindigkeit des rotierenden Regners bestimmt, wie schnell das Wasser relativ zur sich bewegenden Düse ausgestoßen wird.
Für einen gleichmäßigen Durchfluss müssen der Wasserzufluss aus der Quelle und der Abfluss durch die Düsen ausgeglichen sein.
Die Düsengröße und die Drehzahl sind so ausgelegt, dass sie eine gleichmäßige Wasserverteilung auf dem Feld gewährleisten und die Bewässerungseffizienz maximieren.

massenerhaltung in beweglichem, nicht verformbarem kontrollvolumen

Conservation of Mass in Moving, Nondeforming Control Volume

Rückhaltebecken für Regenwasser sind für die Abflussbeherrschung bei starkem Regen unverzichtbar, insbesondere in städtischen Gebieten, wo undurchlässige Oberflächen das Überschwemmungsrisiko erhöhen. Das Verständnis der Massenerhaltung in diesen Systemen ermöglicht es Ingenieuren, die Beckenleistung zu optimieren und Zufluss, Abfluss und Wasserspeicherung auszugleichen.

Im Zusammenhang mit einem Rückhaltebecken besagt die Massenerhaltung, dass die Gesamtmasse des in das Becken eintretenden Wassers der Masse entsprechen muss, die das Becken verlässt, zuzüglich aller darin angesammelten Wassermengen. Das Kontrollvolumen besteht aus dem Wasser im Becken, dessen Grenzen durch die Beckenwände, Zuflussrohre und Abflussstrukturen definiert sind. Bei einem Regenereignis erfolgt der Zufluss durch die Rohre und der Abfluss durch die vorgesehenen Auslässe. Die Massenbilanzgleichung wird wie folgt ausgedrückt:

<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/18050/18050_Equation_1.svg" style="text-align: center; height: 33px;">

Wobei

ṁin die Massenzuflussrate ist,

ṁout  die Massenabflussrate ist und

<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/18050/18050_Equation_2.png" style="text-align: center; height: 33px;"> die Massenänderung innerhalb des Kontrollvolumens darstellt.

Bei starkem Regen übersteigt die Zuflussrate häufig die Abflussrate, wodurch sich Wasser im Becken ansammelt. Ingenieure müssen die Abflussstrukturen so konstruieren, dass die Wasserabgabe in einem beherrschbaren Rahmen erfolgt und die nachgelagerten Systeme nicht überlastet werden. Wenn der Sturm nachlässt und der Zufluss abnimmt, wird das angesammelte Wasser allmählich abgelassen. Die Abflussrate wird normalerweise so ausgelegt, dass sie mit steigendem Wasserstand zunimmt und vorgegebenen Abflusskurven folgt, um die Kontrolle über die Abgabe zu behalten.

Die Fähigkeit des Rückhaltebeckens, Wasser vorübergehend zu speichern, ist für die Hochwasserprävention von entscheidender Bedeutung. Richtig konstruierte Rückhaltebecken stellen sicher, dass das Wasser selbst bei den heftigsten Sturmereignissen kontrolliert abgelassen wird, wodurch Überlauf oder Strukturversagen verhindert werden.

Massenerhaltung in beweglichem, nicht verformbarem Kontrollvolumen

Die Erhaltung der Masse ist entscheidend für das Verständnis des Wasserflusses in einem rotierenden Sprinklersystem, das für die landwirtschaftliche Bewässerung verwendet wird.
Der Regner ...

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Lehre

JoVE Core

Civil Engineering

Bauingenieurwesen

Unit 1

Einheit 1

Finite Control Volume Analysis

Finite-Kontrollvolumen-Analyse

KEY TERMS AND CONCEPTS

WICHTIGE BEGRIFFE UND KONZEPTE

stormwater detention basin mass balance

Stormwater detention basins use mass balance to manage runoff during heavy rainfall. These basins are especially important in urban areas, where impervious surfaces can increase flooding risk. Engineers use the conservation of mass to track how water enters, is stored in, and leaves the basin.

In a detention basin, the control volume is the water inside the basin. Its boundaries are the basin walls, the inflow pipes, and the outflow structures. During a rain event, water comes in through the pipes and exits through the outlet system.

The mass balance equation states that the mass flowing into the basin must equal the mass flowing out plus any water that builds up inside. Here, m-dot in is the mass inflow rate, m-dot out is the mass outflow rate, and the change in mass shows how much water is accumulating in the control volume. When heavy rain causes inflow to exceed outflow, water storage in the basin increases.

Engineers design the outlet structures to release water at a manageable rate so downstream systems are not overwhelmed. As the storm weakens and inflow drops, the stored water is released more slowly. The outflow rate is often designed to rise as the water level rises, following preset discharge curves. This controlled storage is what helps detention basins prevent overflow and structural failure during intense storms.

Stormwater Detention Basin Mass Balance

conservation of mass in finite cotrol volume

conservation-of-mass-in-finite-cotrol-volume

Continuity Equation for a Fixed Control Volume

The continuity equation describes conservation of mass for a fixed control volume. In fluid mechanics, a system is a collection of the same contents over time, and its mass stays constant. That idea is the starting point for deriving the equation. To analyze flow, a fixed, non-deforming control volume is chosen so it matches the system at one instant. The Reynolds transport theorem then links the system to the control volume. It shows that the rate of change of system mass has two parts: mass...

conservation of mass in fixed, nondeforming control volume

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Continuity and Velocity in Pipe Flow

Conservation of mass explains how fluid moves through a fixed control volume such as a pipe or duct. In a fixed, nondeforming control volume, the total mass stays constant unless mass enters or leaves through the control surfaces. For steady, incompressible flow, the mass entering the system equals the mass leaving it. A sewer pipe is a useful example of this idea. It can be treated as a fixed control volume with inlet and outlet control surfaces around the flow region. Because the fluid is...

conservation of mass in moving, nondeforming control volume

Stormwater detention basins use mass balance to manage runoff during heavy rainfall. These basins are especially important in urban areas, where impervious surfaces can increase flooding risk. Engineers use the conservation of mass to track how water enters, is stored in, and leaves the basin. In a detention basin, the control volume is the water inside the basin. Its boundaries are the basin walls, the inflow pipes, and the outflow structures. During a rain event, water comes in through the...

linear momentum in control volume

Momentum Balance for Fluid Control Volumes

Linear momentum balance for a fluid control volume links Newton’s second law to moving fluid. The law says that the rate of change of linear momentum equals the sum of the external forces acting on the system. In a fluid system, this idea helps explain how motion and force are related. A control volume can match the fluid system at a specific moment. When that happens, the forces on the control volume and the system are the same. Reynolds transport theorem explains this connection by splitting...

application of the linear momentum equation

application-of-the-linear-momentum-equation

Forces in a 180° Pipe Bend

Forces in a 180-degree pipe bend can be found by applying the linear momentum equation to flowing water. The pipe has a constant cross-sectional area of 0.01 square meters, and the water moves at 15 meters per second. The pressure at the inlet is 0.2 megapascals, and the pressure at the outlet is 0.16 megapascals. The goal is to find the force components in the x and y directions that hold the bend in place. In this case, the flow is only in the y direction at both the entrance and the exit.

moment-of-momentum equation

Wind Turbine Torque and Angular Momentum

The moment-of-momentum equation helps explain how wind turbine blades create torque. Torque is the turning effect of a force around an axis. In rotating systems, this equation links the motion of the wind with the force acting on it. The equation begins with Newton's second law for a fluid particle. That law says the rate of change of linear momentum equals the external force on the particle. To find torque, the position of the particle relative to the rotation axis is combined with that force.

conservation of energy in control volume

Turbine Work from Energy Changes

A turbine can turn fluid energy into shaft work when flow passes through a control volume. The fluid enters the turbine at one point and leaves at another. Under steady-flow conditions, there is no energy buildup inside the control volume, so the stored energy does not change with time. This steady-flow setup makes the energy equation simpler. The turbine is treated as doing mechanical work, and heat transfer is taken as negligible, so Q̇ is approximately zero. The flow at the inlet and outlet...

application of the energy equation

Centrifugal Pump Flow Rate Calculation

Centrifugal pump flow rate can be calculated with the energy equation. In this problem, water moves between two reservoirs at different elevations, and the pump provides the energy needed for the transfer. The pump input is 7500 joules per second, the elevation difference is 10 meters, and the head loss from friction and other resistances is 5 meters. Both reservoirs are open to the atmosphere, so the pressure at the inlet and outlet is the same. That means the pressure terms in the energy...

design example: forces in sluice gate

Sluice Gate Water Pressure and Reaction Force

Sluice gates control water flow in channels, reservoirs, and irrigation systems. They work as vertical barriers with an opening that can be raised or lowered. Changing the opening height changes the water velocity and pressure below the gate. The forces on a sluice gate depend on the water depths upstream and downstream, written as z1 and z2. When the gate is closed, the upstream water depth is greater. That creates a strong pressure difference across the gate and a net force toward the...

key terms and concepts

See how stormwater detention basins use conservation of mass to balance inflow, outflow, and storage during heavy rain to reduce flooding.

Stormwater Detention Basin Mass Balance | JoVE K12

JoVE Core Civil Engineering provides a foundational exploration of essential construction materials in civil engineering, focusing on bricks, stones, steel, wood, and concrete through easy-to-understand animated videos. This collection covers the properties, manufacturing processes, and practical applications of these materials. Additionally, the accompanied science-in-action videos demonstrate the research experiments performed in laboratories.

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Stormwater Detention Basin Mass Balance

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