Von der Bananenflanke zu den Ingenieurmethoden des Brandschutzes
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- Innozenz Hase
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1 Von der Bananenflanke zu den Ingenieurmethoden des Brandschutzes 1
2 Einleitung Was ist eine Bananenflanke? Manni Kalz, 1981 Deisler, 2000 Zitat Hrubesch: Manni flanke, ich Kopf, Tor 2
3 Wieso fliegen Bälle bananenförmig? Welchen Einfluss hat die Oberfläche? Worin besteht der Zusammenhang zu den Ingenieurmethoden des Brandschutzes? 3
4 Grundlagen Aerodynamik des glatten Balles 350 < Re < (laminare G.S.) langsam schnell < Re kritisch < (krit. Zustand) < Re < 10 6 (überkritischer, turbulenter Zustand) 4
5 F = ( p cos θ )da + ( τ sin θ)da D A Grundlagen Aerodynamik des glatten Balles A ρ ρ = [c (Re) + c (Re)] A u = c (Re) A u P F Q D Q c D 24 3 c D = (1+ Re) Re 16 (Oseen,1911) 24 cd = Re (Stokes,1856) cd f(re) NumerischeErgebnisse(Fornberg,1988) Re 5
6 Grundlagen Aerodynamik des glatten Balles c D Re 2, Re krit Glatter Ball, Re= (van Dyke, 1982) Re krit 3, Re krit Reynoldszahlbereich für Sportbälle: Re Golfball: 4, <Re<3, Tennisball: 8, <Re<3, Fußball: 9, <Re<4, Volleyball: 8, <Re<4, Ball mit Transitionsstreifen, Re=
7 Grundlagen Einfluss der Balloberfläche Golfball Rauer Ball (Achenbach, 1974) c D Glatter Ball (Achenbach, 1974) Re 0,5 Rekrit = 6000 (k / d) Grenze bei k =δ (Achenbach,1974) 7
8 Aerodynamik des Golfballes Wie viel weiter fliegt ein Golfball verglichen mit einem glatten Ball? Mit Federn gefüllter Lederball (ca. 1400) Glatter Harzball ( Guttie, ca. 1860) Bälle mit Noppen (ca. 1880) Frühes Dimple(=Grübchen)- Muster Aktuelles Dimplemuster 392-Dual-Dimple- Icosahedron-Muster 416-Quadrilateral- Muster Ultra Ziel: optimales Maß an Widerstand F D und Auftrieb F L unter Einhaltung der Richtlinien (d>42,67 mm, m<45,39 g etc.) 8
9 Aerodynamik des Golfballes Wie viel weiter fliegt ein Golfball verglichen mit einem glatten Ball? Abschlagweite [m] Glatter Ball Golfball Tiefe der Kerben [mm] Einfluss der quadratischen Kerbtiefe auf die Abschlagweite (Cochran & Stobbs, 1988) 9
10 Grundlagen Magnuseffekt F D F L (unsym. Strö.) F D Grenzschichtprofil Re=1, , ohne bei dp/dx>0, Rotation mitrotierende Oberfläche Re=1, , Slice (ω=4/s) F L F D F L (unsym. Strö.) Golfball, Re=2000, ω=0,5/sec Re=1, , Topspin (ω=4/s) 10
11 Aerodynamik des Baseball Rückwärtsdrall, Re=5000 S=ωr/u =2,5 Seitenkraft-Variationen (F Q /mg) große Kraft-Fluktuationen Kleine Kraft-Fluktuationen Orientierung des Balles zur Strömungsrichtung φ [ ] Seitliche Ablenkung [m] Entfernung vom Werfer zum Schläger [m] 11
12 Aerodynamik des Tennisballes c D U=20m/s (Re=1, ) Re U=60m/s (Re=2, ) Re Filzhaar 8 24: c D 3,0 1,7 (stark unterkritsch, f(re)) Kombinierter Effekt für Reduzierung des Widerstandsbeiwertes c D : Reynoldszahleffekt der einzelnen Filzhaare + Anlegen des Filzes 12
13 Aerodynamik des Tennisballes Widerstandskraftmessungen im Windkanal des NASA Ames Research Centers (Dämpfungssystem) Widerstandsbeiwert c D glatter Ball (Kugel) Golfball neuer Tennisball alter Tennisball Fußball Volleyball Kricketball Baseball Re 13
14 Aerodynamik des Fußballes Fußball besteht aus 20 Hexagons und 12 Pentagons: c D Typische Re-Zahlen: <Re<4, Re Windkanalmessungen für nichtrotierenden Fußball (Carré, 2002) Re krit 1, u krit 9 m/s 14
15 Aerodynamik des Fußballes Strömungsvisualisierungen Laminare Umströmung bei Re=90.000, u =6 m/s (Carré, 2002) Turbulente Umströmung bei Re krit = , u =9 m/s (Carré, 2002) 15
16 Aerodynamik des Fußballes 3D Flugbahnanalyse (Carré, 2002): F L F D u F Q F G ω c L ~ω r/u 16
17 Grundlagen Simulationsrechnungen CFD (Computational Fluid Dynamics) Grundlagen: Massenerhaltung Navier-Stokes-Gleichungen Energieerhaltungsgleichung (für Temperaturfeld) Geometrische Diskretisierung Strukturiertes Gitter Zusätzliche Gleichungen für Beschreibung des Turbulenzfeldes, Strahlungstransport, Speziesverteilung etc. 17
18 Sport-Aerodynamik Originalversuche zur Strömungsvisualisierung Numerische Simulation (CFD) 18
19 Kraftfahrzeug- und Flugaerodynamik Originalversuche zur Strömungsvisualisierung www2.mech.kth.se Numerische Simulation (CFD) 19
20 Gebäudeaerodynamik Lüftungs- und Klimatechnik Lokale Absaugung über einem Tisch mit einem Saugrohr (ca. 800 m3/h) Verschiedene Absaughauben für eine Optimierungsstudie Der kleine Konzertsaal "Luzern" mit Konzertbestuhlung Detailliertes CFD Modell des Luzern-Saals. Duftwolken breiten sich von der Decke her aus.
21 Gebäudeaerodynamik Emissionen und Immissionen Plume Strömungsvisualisierung Numerische Simulation (CFD) 21
22 Ingenieurmethoden des Brandschutzes Realität und Virtualität Zweigeschossiges Seminargebäude mit offener Verbindung der Geschosse Rettungswege ausreichend sicher? CFD-Simulation einer offenen Eingangshalle Variante mit Rauchschürze Simulierte Temperaturverteilung vor den Notausgängen in der oberen Ebene Rauchversuch zur Überprüfung des Rauchmanagements 22
23 Von der Bananenflanke zu den Ingenieurmethoden des Brandschutzes Numerische Strömungssimulationen mittels CFD von der Bananenflanke - - zu den Ingenieurmethoden des Brandschutzes bft COGNOS 23
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4.7 Kugelumströmung... 4.7. Ideale reibungsfreie Umströmung der Kugel (Potentialströmung)... 4.7. Reibungsbehaftete Umströmung der Kugel... 4.8 Zylinderumströmung... 4.9 Rohrströmung... 5 4.9. Laminare
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