Theoriefragen für das Labortestat und die Prüfung Fluidmechanik II

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1 Theoriefragen für das Labortestat und die Prüfung Fluidmechanik II 1) Wie stellt sich der Druck p E im Austrittsquerschnitt beim Austritt eines Gases aus einem Kessel durch eine stetig konvergente Mündung, wenn der Umgebungsdruck p u = 10 5 Pa ist? Wie groß ist der Gegendruck? Welcher Betriebszustand herrscht in der Düse? p 0 = 1, Pa ) Wie stellt sich der Druck p E im Austrittsquerschnitt beim Austritt eines Gases aus einem Kessel durch eine stetig konvergente Mündung, wenn der Umgebungsdruck p u = 10 5 Pa ist? Wie groß ist der Gegendruck? Welcher Betriebszustand herrscht in der Düse? p 0 = 1, Pa 3) Wie stellt sich der Druck p E im Austrittsquerschnitt beim Austritt eines Gases aus einem Kessel durch eine stetig konvergente Mündung, wenn der Umgebungsdruck p u = 10 5 Pa ist? Wie groß ist der Gegendruck? Welcher Betriebszustand herrscht in der Düse? p 0 = Pa 4) Welche Austrittsgeschwindigkeit im Vergleich zu Schallgeschwindigkeit herrscht dabei? Wie groß ist die Ma-Zahl? p 0 = 1, Pa 5) Welche Austrittsgeschwindigkeit im Vergleich zu Schallgeschwindigkeit herrscht dabei? Wie groß ist die Ma-Zahl? p 0 = 1, Pa 6) Welche Austrittsgeschwindigkeit im Vergleich zu Schallgeschwindigkeit herrscht dabei? Wie groß ist die Ma-Zahl? p 0 = Pa 7) Anhand der Energie-Gleichung erklären Sie die Begriffe: statische Zustandsgrößen, Ruhegrößen, Gesamtgrößen, Totalgrößen. 8) Wie werden der statische Druck und wie der Gesamtdruck im Unterschall gemessen? 9) Welcher der Annahmen ist für eine isentrope Strömung eines idealen Gases in einer konvergenten Düse richtig? a) Der statische Druck ist konstant b) Der Gesamtdruck ändert sich sehr langsam c) Die Ruhetemperatur ist konstant d) Die Ruhedichte ist konstant e) Die maximale Mach-Zahl ist gleich 1 f) Die Entropie ist konstant g) Bei steigender Geschwindigkeit nimmt die Temperatur zu h) Bei steigender Geschwindigkeit nimmt die Temperatur ab i) Die Gesamtenergie ist konstant 1

2 10) Zur Messung der Geschwindigkeit in der stationären isentropen Gasströmung wurde eine Prandtl-Sonde angewandt. Wie ändert sich der Druck, die Dichte und die die Temperatur des Gase im Staupunkt der Sonde? 11) Welche der Annahmen müssen erfüllt werden damit die unten dargestellte BERNOULLI-Gleichung angewandt werden darf: Die richtige Antwort ankreuzen a) die Strömung ist adiabat b) der Strömungsanfang (1) und das Strömungsende () müssen auf der gleichen Stromlinie liegen c) das Fluid ist ein ideales Gas d) die potenzielle Energie ist vernachlässigbar e) Die Strömung ist stationär f) Die Entropie ist konstant g) Es erfolgt keine Energiezufuhr w 1 κ p1 w κ p + κ 1ρ 1 = + κ 1ρ 1) Skizzieren Sie die Betriebszustände in der LAVAL-Düse! 13) Verlauf des statischen Druckes in der LAVAL-Düse im ausgelegten Zustand! 14) Verlauf der Gesamt-Strömungsgrößen über die LAVAL-Düse! 15) Welcher der Annahmen ist für eine isentrope Strömung eines idealen Gases in einer LAVAL-Düse richtig? a) Der statische Druck ist konstant b) Der Gesamtdruck ändert sich sehr langsam c) Die Ruhetemperatur ist konstant d) Die Totaldichte ist konstant e) Die maximale Mach-Zahl ist gleich 1 f) Die Entropie ist konstant g) Bei steigender Geschwindigkeit nimmt die Temperatur zu h) Die Gesamtenergie ist konstant 16) Benennen Sie die Therme der Energiegleichung in den verschiedenen Formen (Energie, Temperatur, Druck, Dichte) 17) Zur Messung der Geschwindigkeit in der stationären isentropen Gasströmung wurde eine Prandtl-Sonde angewandt. Wie ändert sich der Druck, die Dichte und die die Temperatur des Gase im Staupunkt der Sonde?

3 18) Geben Sie das Verhältnis der Strömungsgrößen in den verschiedenen geometrischen Konfigurationen bei einer Expansion oder Kompression der Strömung an 19) Bei welchen Betriebszuständen ist der Druck am Austritt gleich dem Gegendruck? 0) Welche Strömungskenngrößen kennen Sie! Wie verändern sie sich in einer realen kompressiblen Strömung in einer Lavaldüse? 1) Wie stellt sich bei der Lavaldüse der Druck im Austrittsquerschnitt p E verglichen mit dem Gegendruck p U (Umgebungsdruck) für folgende Betriebszustände ein? Stellen sie den Druckverlauf grafisch dar? a) Ausgelegter Zustand b) reine Unterschallströmung c) überall Unterschallströmung, nur im engsten Querschnitt Ma = 1 d) Verdichtungsstöße im divergenten Teil der Düse e) Austritt eines unterexpandierten Strahls aus der Düse f) Austritt eines überexpandierten Strahls aus der Düse ) Wie ändern sich die Strömungsgrößen T, p, ρ, w, Ma über den senkrechten Verdichtungsstoß? 3) Skizzieren Sie den Druck- und Geschwindigkeitsverlauf in einer Lavaldüse! 4) Skizzieren Sie den Druck- und Geschwindigkeitsverlauf in einer konvergenten Düse! 5) Welche unterschiedlichen Bereiche des Ausströmens gibt es bei der kompressiblen Strömung zwischen zwei Behältern! 6) Stellen sie die Beziehungen (Energie, Masse, Impuls) zwischen den kompressiblen und inkompressiblen Strömungen dar und gehen sie auf die Unterschiede ein! 7) Welche Beziehungen für kompressible Strömungen gelten nicht in der Realität und warum? 8) Aus einem Kessel strömt isentrop ein ideales Gas durch die Lavaldüse ins Freie. a) Welche maximale Geschwindigkeit ist beim Ausströmen von Luft aus einem Druckkessel (0) hinter der Düse (1) erreichbar, wenn die Temperatur im Kessel 0 C beträgt? b) Wie groß ist bei maximaler Auströmgeschwindigkeit die Machzahl der Strömung? c) Wie groß müssen Druck und Dichte außerhalb des Kessels sein, damit die maximale Auströmgeschwindigkeit erreicht werden kann? (κ = 1,4 und R = 87 J/(kg. K) 3

4 9) Wie stellt sich der Druck p E im Austrittsquerschnitt beim Austritt eines Gases aus einem Kessel durch eine stetig konvergente Mündung verglichen mit dem Gegendruck p u = 10 5 Pa (Umgebungsdruck) für folgende Kesseldrücke p 0 ein? Welche Austrittsgeschwindigkeit im Vergleich zu Schallgeschwindigkeit herrscht dabei? Zeichnen Sie den Druckverlauf in der Mündung für a) p 0 = 1, Pa b) p 0 = 1, 10 5 Pa c) p 0 = Pa 30) Erklären Sie die Begriffe: statische Zustandsgrößen, Ruhegrößen, Gesamtgrößen. Wie werden der statische Druck und wie der Gesamtdruck im Unterschall gemessen? 31) Zeichnen Sie schematisch den Verlauf von Druck und Machzahl in der Lavaldüse bei einem senkrechten Verdichtungsstoß. Kennzeichnen Sie die relevanten Stellen vor und nach dem Stoß (p s, p^ s, Ma s, Ma ^ S). 4

5 3) Welche Zustandsänderungen erfolgen in der dargestellten Lavaldüse mit einem Verdichtungsstoß zwischen den Stellen a) (0) (i) b) (i) (j) c) (j) (k) d) (k) (E) e) (0) (E) 33) Wie ändern sich die Ruhegrößen über den Stoß? 5

6 34) Zwei Flugzeuge fliegen mit Geschwindigkeiten, die einer Mach-Zahl = 0,8 entsprechen. Das eine Flugzeug fliegt auf 10 km Höhe, das andere nahe der Erdoberfläche. Welches Flugzeug fliegt schneller und warum? 35) Wodurch drücken sich Verluste im VS aus? 36) Was passiert mit der Energie im VS? 37) Wie groß ist der Exponent für isentrope ZÄ? 38) Beweisen Sie, dass ist; wie ändert sich die Schallgeschwindigkeit, der Gesamtdruck über den VS? 39) Welche Aussagen sind bei einem Verdichtungsstoß richtig? a) das Druckverhältnis pˆ S /p 0 ist größer als das kritische Druckverhältnis p * /p 0? b) das Druckverhältnis p S /p 0 ist kleiner als das kritische Druckverhältnis p * /p 0 c) das Druckverhältnis p E /p 0 kann kleiner sein als das kritische Druckverhältnis p*/p0 d) das Druckverhältnis p E / 0 ˆp ist größer sein als das kritische Druckverhältnis p * /p 0 6