Angewandte Strömungsmechanik

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1 Dominik Surek, Silke Stempin Angewandte Strömungsmechanik für Praxis und Studium Mit 398 Abbildungen, 53 Tabellen und 30 Beispielen Teubner

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Eigenschaften der Fluide Physikalische Zustandsgrößen von Fluiden Dichte Dichte von Gasen KompressibilitätskoefFizient und Elastizitätsmodul Druck Temperatur Viskosität als molekülbedingter Impulstransport Grenzflächenspannung und Kapillarität Thermische Zustandsgrößen 18 3 Hydrostatik und Aerostatik Hydrostatische Grundgleichung Anwendung der hydrostatischen Grundgleichung Statische Saughöhe von Flüssigkeiten in Abhängigkeit der Fluidtemperatur und dem barometrischen Druck Dichtemessung von Flüssigkeiten Überlagerung von zwei Potentialfeldern Hydrostatischer Druck und kommunizierende Gefäße Grundlagen der Hydraulik Druckkraft auf Behälterwand mit Flüssigkeitsfüllung Druckkraft auf Behälterwand mit konstanter Breite Druckkraft auf eine gekrümmte Behälterwand Statischer Auftrieb und Schwimmen Statischer Auftrieb Schwimmen Stabilität von Schwimmkörpern Aerostatik und thermischer Auftrieb 42 4 Grundlagen der Strömungsmechanik Stromlinie, Bahnlinie, Stromfaden und Stromröhre Erhaltungssätze der Strömungsmechanik J Bewegungsgleichung für ein Fluidelement Bernoulligleichung Ausflussgleichung von Torricelli Kontinuitätsgleichung Impulssatz und Impulskraft für stationäre Strömungen 57

3 VIII Inhaltsverzeichnis Drallsatz Starrkörperwirbel Fluid-Struktur-Wechselwirkung 64 5 Ähnlichkeitsgesetze der Strömungsmechanik Modellgesetz Reynoldsähnlichkeit Ähnlichkeitskennzahlen 67 6 Stationäre inkompressible Strömung; Hydrodynamik Stationäre Einlaufströmung in Rohrleitungen Stationäre inkompressible reibungsbehaftete Strömung Reibungsbehaftete Rohrströmung Hagen-Poiseuillesche Strömung Strömungsformen in Rohrleitungen Laminare Rohrströmung Turbulente Rohrströmung Ermittlung des Rohrreibungsbeiwertes Geschwindigkeitsverteilung im zylindrischen Rohr Technisch zulässige Rauhigkeiten von umströmten Oberflächen Druckverluste in Formstücken und Rohrbögen Druckverluste in Armaturen Strömung im ebenen Spalt mit geringer Reynoldszahl Strömung in keilförmigen Axial- und Radialspalten von Lagern Strömung im keilförmigen Axiallagerspalt Strömung im radialen Gleitlager Düsen- und Diffusorströmung Düsenströmung Kegeldiffusoren Verluste und Wirkungsgrad von Diffusoren Radiale Diffusoren Freistrahl Strömung in Kanälen mit freier Oberfläche / Reibungsbeiwerte für die Gerinneströmung Rohrnetzberechnung Reihenschaltung von Rohrleitungen Laminare Strömung Turbulente Strömung im hydraulisch glatten Rohr Turbulente Strömung bei ausgebildeter Rauhigkeitsströmung mit X,=f(d/k) Parallelschaltung von Rohrleitungen 139

4 Inhaltsverzeichnis IX 7 Stationäre kompressible Strömung; Gasdynamik Einführung Thermodynamische Grundlagen Thermische Zustandsgieichung idealer Gase Kalorische Zustandsgieichungen Isentropengleichung Schallgeschwindigkeit und Schallausbreitung Schallgeschwindigkeit Schallausbreitung und Machzahl Energiegleichung der kompressiblen eindimensionalen Strömung Formen der Energiegleichung der Gasdynamik Ruhegrößen und kritischer Zustand Definition der Ruhegrößen Kritischer Zustand Geschwindigkeitsdiagramm der Energiegleichung Beschleunigte kompressible Strömung Reibungsbehaftete kompressible Rohrströmung Reibungsbehaftete isotherme kompressible Rohrströmung Reibungsbehaftete adiabate kompressible Rohrströmung Aus- und Durchflussfunktion für Gase Berechnung der Durchflussfunktion Isentrope Strömung in Düsen und Blenden Flächen-Geschwindigkeits-Beziehung Betriebsverhalten von Überschalldüsen Verdichtungsstoß Senkrechter Verdichtungsstoß Schiefer Verdichtungsstoß Schiefer Verdichtungsstoß in der Hodographenebene Expansion von Überschallströmungen und Prandtl-Meyer-Strömung Zweidimensionale kompressible Potentialströmung Potentialgleichung der zweidimensionalen Strömung Linearisierung der zweidime^isionalen kompressiblen Potentialströmung «3 Zweidimensionale Überschallströmung um schlanke Profile Zweidimensionale Unterschallströmung um schlanke Profile Zweidimensionale Potentialströmung Differentialgleichung von Laplace > Potentialfunktion Stromfunktion 227

5 X Inhaltsverzeichnis 8.2 Potentialströmung um Kreiszylinder Geschwindigkeits- und Druckverteilung um den Kreiszylinder Singularitätenverfahren Quell-und Senkenströmung Überlagerung von Parallel- und Quellströmung Überlagerung von Parallel-und Senkenströmung Gestaltung umströmter Körper mittels Singularitäten Potentialwirbel Dipolströmung Strömungskraft auf einen Körper Grenzschichtströmung Begriffe der Grenzschichtströmung Grenzschichtdicke Verdrängungsdicke Impulsverlustdicke Grenzschichtgleichungen Eigenschaften der Grenzschichten Ablösung der Grenzschicht Tangentialspannung an der Wand und Reibungswiderstand Abhängigkeit der Grenzschicht von der Reynoldszahl Plattengrenzschicht Umschlag der Strömung laminar-turbulent Turbulente Grenzschicht Prandtlscher Mischungsweg Turbulenz und Turbulenzgrad Turbulenzgrad Energietransport in turbulenten Strömungen Stationäre Umströmung von Körpern und Profilen Widerstand umströmter Körper Entstehung und Berechnung von Widerstand Änderung von Druck- und Reibungswiderstand an Körpern.' Kugelumströmung und Auftrieb, Tragflügelprofile und Auftrieb Tragflügel unendlicher Spannweite Auftrieb und Profilwiderstand Tragflügel endlicher Spannweite Induzierter Widerstand an Tragflächen und Axialschaufeln Profilpolare für Tragflügel und Schaufelprofile 283

6 Inhaltsverzeichnis XI 10.4 Einfluss der Reynoldszahl auf die Tragflügelurnströmung Tragflügelumströmung bei hoher Anströmmachzahl Instationäre Strömung Bewegungs- und Energiegleichung der eindimensionalen instationären Strömung Instationärer Ausfluss aus einem Behälter mit variabler Spiegelhöhe Flüssigkeitsschwingungen Schwingung der Flüssigkeit in einem U-Rohr Periodische Behälterentleerung Druckstoß in Rohrleitungen Druckstoß in elastischen Leitungen unter Berücksichtigung der Kompressibilität der Flüssigkeit Druckstoß bei Ausfluss aus einem offenen Behälter Wirbelablösung hinter umströmten Körpern Kärmänsche Wirbelstraße Grundlagen der Akustik und Aeroakustik Tonskala und Frequenzen von Tönen Hörbereich und Schalldruck Schallfeld und Schallfeldgrößen Schalldruck und Schalldruckpegel Schallschnelle und Schallschnellepegel Schallintensität Schallleistung und Schallleistungspegel Schallquellen Aeroakustische Schallquellen Akustische Wellengleichung Analogie von Lighthill Inhomogene akustische Wellengleichung Akustische Umsetzung von Strömungen Schallmessung Schallmessgrößen Schalldruck- und Schalldruckpegelmessung Schallintensitätsmessung...: Schallleistungs-und Schallleistungspegelmessung Messauswertung, Frequenzanalyse und spektrale Leistungsdichte Frequenzanalyse Spektrale Schallleistungsdichte Schallmessgeräte 326

7 XII Inhaltsverzeichnis Mikrofon Addition von Schallpegeln und Summenregel Grundlagen der Strömung in Turbomaschinen Bauarten von Turbomaschinen Strömung im rotierenden radialen Laufrad Absolut- und Relativgeschwindigkeit Geschwindigkeitsdreiecke am Laufradein- und Austritt Eulergleichung der Turbomaschinen Drehmomentensatz für Turbomaschinen Strömung in Axialmaschinen Axiale ebene Schaufelgitter Belastungszahl von Schaufelgittern Belastungszahl und Widerstandsbeiwert unter Berücksichtigung der Reibung Ahnlichkeitskennzahlen von Turbomaschinen Lieferzahl Druckzahl Spezifische Drehzahl und Schnelllaufzahl Durchmesserzahl Cordierdiagramm Leistungszahl Radseitenreibung Verluste in inneren und äußeren Dichtspalten Nutzleistung und Wirkungsgrad Leiteinrichtungen (Diffusoren) Radialdiffusor Strömung im Spiralgehäuse Kavitation Blasendynamik in Kavitationsströmungen Kennlinien von Strömungsmaschinen Grundlagen der Mehrphasenströmung Charakterisierung von Mehrphasenströmungen * Korngröße und Kenngrößen Sphärizität von Feststoffen.' Schüttdichte und Gemisehdichte Bewegungsverhalten von Feststoffen in Fluiden Kräfte in strömenden Gemischen Sinkgeschwindigkeit Kritische Geschwindigkeit 368

8 Inhaltsverzeichnis XIII 14.9 Druckverluste in Rohrleitungen und Schüttungen Strömung beim hydraulischen Transport Strömung beim pneumatischen Transport Massekraftabscheidung von Staub Schwerkraftabscheidung Fliehkraftabscheidung (Zyklonabscheidung) Strömungstechnische Messtechnik Druckmesstechnik Hydraulische Druckmessgeräte Mechanische Druckmessgeräte Elektromechanische Drucksensoren Instationäre Druckmessung Geschwindigkeitsmessung Staudrucksonden und Prandtlrohr Hitzdrahtsonden und Heißfolienanemometer Laser-Anemometer Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) Laser-2 Focus-Anemometrie (L2FA) Particle-Image-Velocimetry (PIV) Laser-Speckle-Anemometrie Optische- und Schlierenmessverfahren Temperaturmessung Widerstandsthermometer Thermoelement Strahlungsthermometer Volumenstrom-und Massenstrommessung Messprinzipien Volumenstrommessgeräte Massenstrommessgeräte Literaturverzeichnis Nomenklatur..' Anhang ^ Sachwortverzeichnis 428