Heinz Herwig. Strömungsmechanik. Einführung in die Physik von technischen Strömungen Mit 83 Abbildungen und 13 Tabellen STUDIUM VIEWEG+ TEUBNER

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1 Heinz Herwig Strömungsmechanik Einführung in die Physik von technischen Strömungen Mit 83 Abbildungen und 13 Tabellen STUDIUM VIEWEG+ TEUBNER

2 vii 0 Das methodische Konzept dieses Buches 1 A Einführung in wichtige Aspekte und Phänomene der Strömungsmechanik 3 1 Anschauliche Beispiele aus Natur und Technik Strömungen im Alltag Strömungen in Natur und Technik 6 2 Strömungsaspekte und -phänomene Aspekte zur Charakterisierung von Strömungen Strömungsaspekt: Fluidverhalten Strömungsaspekt: Umströmung oder Durchströmung Strömungsaspekt: Erzwungene oder natürliche Konvektion Strömungsaspekt: Laminare oder turbulente Strömungen Strömungsaspekt: Stationäre oder instationäre Strömungen Strömungsaspekt: Kompressible oder inkompressible Strömungen Strömungsaspekt: Reibungsbehaftete oder reibungsfreie Strömungen Strömungsaspekt: Drei-, zwei-oder eindimensionale Strömungen Kinematische Beschreibung von Strömungen Kinematische Beschreibung turbulenter Strömungen Stromlinien Bahnlinien Streichlinien Strömungsphänomene Strömungsphänomen: Wandeinfluss Strömungsphänomen: Grenzschichten Strömungsphänomen: Ablösung Strömungsphänomen: Drehung Strömungsphänomen: Verdichtungsstoß Illustrierende Beispiele IB-1 bis IB Quasi-Strömungsmechanik: Hydro- und Aerostatik Hydrostatische Druckverteilung Bestimmung der Druckkraft auf eine Wand Hydrostatischer Auftrieb Druckverteilung in einem gleichmäßig rotierenden Fluid Aerostatische Druckverteilung Anwendungsbeispiele AB-1, AB Illustrierende Beispiele IB-4, IB-5 40

3 viii B Methodisches Vorgehen in der Strömungsmechanik 43 4 Berechnung, Simulation und Messung von Strömungsgrößen Physikalisch/mathematische Modellbildung Messen von Strömungsgrößen Geschwindigkeitsmessungen Druckmessungen 49 5 Dimensionsanalyse Das Pi-Theorem der Dimensionsanalyse Auswahl der Einflussgrößen (Modellbildung) Bestimmung der dimensionslosen Kennzahlen Anwendungsbeispiele AB-3, AB Illustrierendes Beispiel IB Untersuchungen im Modellmaßstab Physikalische Ähnlichkeit Probleme bei Modelluntersuchungen Anwendungsbeispiele AB-5, AB Illustrierende Beispiele IB-7, IB Berücksichtigung des Turbulenzeinflusses Zur Physik turbulenter Strömungen Simulation, Modellierung und pauschale Erfassung des Turbulenzeinflusses Simulation des Turbulenzeinflusses (DNS) Modellierung des Turbulenzeinflusses (RANS) Pauschale Erfassung des Turbulenzeinflusses Illustrierendes Beispiel IB-9 76 C Technische Strömungen 79 C1 Eindimensionale physikalisch/mathematische Modelle 8 Grundgleichungen der eindimensionalen Modellierung Erläuterungen zur Kontinuitätsgleichung Erläuterungen zur Gesamtenergiegleichung Ungleichverteilung der Strömungsgrößen im Querschnitt 86 9 Inkompressible eindimensionale Stromröhrentheorie Bestimmung der spezifischen Dissipation q> Berücksichtigung der spezifischen technischen Arbeit w t Einsatz der thermischen Energiegleichung Druck- und Geschwindigkeitsmessungen auf der Basis der Bernoulli-Gleichung Strömungskräfte auf die Berandung von Stromröhren Anwendungsbeispiele AB-7 bis AB Illustrierende Beispiele IB-10, IB

4 ix 10 Kompressible eindimensionale Stromröhrentheorie Lösungsstrategie Strömungsformen Anwendungsbeispiele AB-10, AB Illustrierende Beispiele IB-12, IB C2 Mehrdimensionale physikalisch/mathematische Modelle 11 Physikalisch/mathematische Modelle mit und ohne Gebietszerlegung Grenzschichttheorie: Eine hierarchische Gebietszerlegung Reibungsfreie Umströmung von Körperoberflächen Grundgleichungen für reibungsfreie Strömungen (Euler-Gleichungen) Das ortsfeste Koordinatensystem (Eulersche Betrachtungsweise) Euler-Gleichungen (2D) Einführung der Stromfunktion Drehungsfreie Strömungen (Potenzialströmungen) Bestimmungsgleichungen für Potenzialströmungen Elementare und zusammengesetzte Potenzialströmungslösungen Anwendungsbeispiele AB-12, AB Illustrierende Beispiele IB-14, IB Strömung in Grenzschichten Zwölf Grenzschichteigenschaften Laminare Grenzschichten Grenzschichtgleichungen Grenzschichttransformation Turbulente Grenzschichten Grenzschichtgleichungen Turbulenzmodellierung Grenzschichttransformation, Zweischichtenstruktur Anwendungsbeispiele AB-14, AB Illustrierende Beispiele IB-16 bis IB Durchströmung schlanker Kanäle Begriffsbestimmung Ebener Kanal, Rohr, hydraulischer Durchmesser Hydrodynamische Einlauflänge Ausgebildete Strömungen Das Konzept des hydraulischen Durchmessers Schlankkanalgleichungen Anwendungsbeispiele AB-16, AB Illustrierende Beispiele IB-19, IB

5 x 15 Grundgleichungen für Newtonsche Fluide Grundgleichungen Grundgleichungen für turbulente, inkompressible Strömungen Illustrierende Beispiele IB-21,IB D Sonderkapitel Widerstand und Auftrieb Widerstand und Auftrieb bei umströmten Körpern Widerstand umströmter Körper Auftrieb umströmter Körper Verluste bei Durchströmungen Illustrierende Beispiele IB-23, IB Spezielle Strömungssituationen Natürliche Konvektion Charakteristische Geschwindigkeit u c Boussinesq-Approximation Schleichende Strömungen Strömung in porösen Medien Strömung in offenen Kanälen (Gerinnen) Oberflächenwellen Einfluss der Oberflächenspannung Spezifische Oberflächenenergie CT Oberflächenspannung o Kapillarität Anwendungsbeispiele AB-18,AB Illustrierende Beispiele IB-25, IB Zehn mal warum...? 217 Verzeichnis der Anwendungsbeispiele 221 Verzeichnis der illustrierenden Beispiele 222 Verzeichnis wichtiger Symbole und Formelzeichen 223 Häufig verwendete Indizes und Kennzeichnungen 225 Literaturverzeichnis / Monographien 227 Index 231