Technische Strömungsmechanik I

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1 Technische Strömungsmechanik I Lehrbuch Autoren: Prof. Dr.-Ing. habil. Gert Naue, Merseburg (federführender Autor) Prof. Dr. sc. teehn. Friedrich Liepe, Köthen Doz. Dr.-Ing. habil. Hans-Joachim Mascheck, Dresden Prof. Dr. sc. techn. Ernst-Otto Reher, Merseburg Doz. Dr. sc. techn. Rainer Schenk, Zittau 4., durchgesehene Auflage Mit 129 Bildern und 16 Tabellen VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie Leipzig

2 Inhaltsverzeichnis Verzeichnis der wichtigsten Symbole 11 Einleitung Grundbegriffe der Strömungsmechanik Stoffeigenschaften Dichte Viskosität Grundbegriffe der Hydrostatik Der hydrostatische Druck Druckverteilung in einem rotierenden Behälter Druckverteilung in ruhenden Gasen Druckkräfte an ebenen Flächen Auftrieb Grundbegriffe der Kinematik Integralsätze der Bewegung Massenerhaltungssatz Energieerhaltungssatz Impulserhaltungssatz Eindimensionale reibungsfreie Strömung inkompressibler Fluide Anwendung des Masseerhaltungssatzes auf stationäre Strömungen Anwendung des Energieerhaltungssatzes auf stationäre Strömungen Ausfluß aus Behältern mit konstanter Füllhöhe Saug- und Falleitungen Strömung von Gasen bei kleinen Dichtedifferenzen Messung des statischen Druckes und des Staudruckes Anwendung des Masse- und Energieerhaltungssatzes auf instationäre Strömungen Eindimensionale reibungsbehaftete Strömung inkompressibler Medien Grundlagen Laminare Strömung im kreiszylindrischen Rohr Turbulente Strömung im kreiszylindrischen Rohr 62 6

3 Geschwindigkeitsprofil und Druckverlust in glatten Rohren Druckverlust in rauhen Rohren Druckverlust in Kanälen mit nichtkreisförmigem Querschnitt.. 67 Druckverlust bei Querschnittsänderungen Unstetige Querschnittserweiterung Düsen, Einlaufe, Blenden Drosselorgane Siebe, Lochplatten Meßblenden Diffusoren 77 Druckverluste in Krümmern und Kniestücken 78 Rohrverzweigungen und Rohrvereinigungen 80 Berechnung von Rohrleitungen Bestimmung des Rohrdurchmessers Druckverlust in unverzweigten Rohrleitungen ohne Energiezufuhr Berechnung gasdurchströmter Rohrleitungen Förderung durch Pumpen Förderung durch Gebläse Quasistationäres Entleeren eines Behälters 87 Stationäre eindimensionale Strömung kompressibler Fluide 88 Grundlagen 88 Reibungsfreie Strömungsvorgänge Ausström vor gang aus einem Druckbehälter Erzeugung von Überschallströmungen in LAVAL-Düsen 92 Der senkrechte Verdichtungsstoß Die Ausbreitung starker Störungen Herleitung der Stoßgleichungen 96 Reibungsbehaftete Strömungsvorgänge Adiabatische reibungsbehaftete Rohrströmung Isotherme Rohrströmung 100 Differentialgleichungen der Bewegung 103 Zweidimensionale inkompressible wirbelfreie Strömungen 108 Kinematik und Dynamik der wirbelfreien Strömung 108 Komplexes Strömungspotential 112 Lösungen der LAPLACEschen Differentialgleichung Parallelströmung Quellströmung Potentialwirbel Wirbelsenke 116 7

4 Kreiszylinder in einem Parallelstrom Ebene Staupunktströmung Rotierender Kreiszylinder in einem Parallelstrom 119 Laminare Strömungsfelder 122 CouETTE-Strömung und Kanalströmung 123 Strömung zwischen zwei rotierenden Zylindern 124 HAGEN-PoisEuiLLE-Strömung 126 Der OsEENsche Wirbel 126 Kugelumströmung 128 Turbulente Strömungsfelder 130 Allgemeine Beschreibung der Turbulenz Die Erscheinung der Turbulenz Die Ursachen der Turbulenz Die Struktur der turbulenten Bewegung Wirkungen der Turbulenz 132 Statistische Turbulenzgrößen und ihre Messung Zweck der Einführung statistischer Turbulenzgrößen Der Turbulenzgrad Turbulenzmessung Turbulenzmaßstäbe 136 Turbulente Reibung Die REYNOLDS-Spannungen Die Turbulenzviskosität Dimensionslose Reibungskoeffizienten Die Mischungswegtheorie 140 Freie Turbulenz Typen freier turbulenter Strömungen Reibungsgesetze der freien Turbulenz Die Ausbreitung freier turbulenter Strömungen 143 Wandturbulenz Turbulente Reibung in Wandnähe Das Wandgesetz für glatte Wände Das Wandgesetz für rauhe Wände Turbulente Rohr- und Kanalströmungen 149 Nachlaufturbulenz 150 Mischung in turbulenten Strömungen 151 Strömungsgrenzschichten 153 Bedingungen für das Auftreten von Strömungsgrenzschichten 153 Vereinfachte Bewegungsgleichungen für ebene Grenzschichten 155 Laminare Grenzschichten 156

5 Die laminare Plattengrenzschicht Genäherte Berechnung laminarer Grenzschichten bei beliebigem Druckverlauf Turbulente Grenzschichten Nicht-NEWTOKsche Kontinua Einführung zur Rheologie Gegenstand und Aufgabe der Rheologie Ausgewählte phänomenologische Spannungsansätze für Nicht- NEWTONsche Fluide Klassifizierung Mcht-NFWTONscher Kontinua Schergeschwindigkeits- und Deformationsdauerbereich ausgewählter technischer Prozesse in der Stoffwirtschaft Die Bewegungsgleichungen für nichtlineaireinviskose und plastische Kontinua Ausgewählte Beispiele laminarer isothermer stationärer eindimensionaler Theologischer Strömungen Der axialdurchströmte Ringspalt für ein plastisches Kontinuum nach BINGHAM Strömung im Kreisrohr Durchfluß und Schergeschwindigkeit Durchfluß und Geschwindigkeitsverteilung für ein plastisches Kontinuum nach BINGHAM Durchfluß und Geschwindigkeitsverteilung für ein pseudoplastisches Kontinuum nach OSTWALD und DE WAELE Kritische REYNOLDS-Zahl für die Rohrströmung Turbulente Rohrströmung Das turbulente Geschwindigkeitsprofil für ein pseudoplastisches Kontinuum Der Druckverlust für eine OsTWALD-DE-WAELE-Flüssigkeit Eine Näherungsmethode zur Berechnung komplizierter Theologischer Strömungen am Beispiel des Rührprozesses (Methode der prozeßbestimmenden äquivalenten Zähigkeit) Mehrphasenströmungen Grundzüge der Behandlung von Mehrphasenströmungen Abgrenzung und Einteilung von Mehrphasenströmungen Statistische Beschreibung von Mehrphasenströmungen Gas-Flüssigkeits-Strömungen in Rohren Strömungen mit einer dispersen Phase Eigenschaften der betrachteten Strömungen Relativgeschwindigkeit einzelner starrer Partikeln Relativgeschwindigkeit von Blasen und Tropfen Bewegung von Partikelschwärmen Dynamik fluider Phasengrenzen Bedeutung der Grenzflächendynamik für Mehrphasenströmungen Randwerte und Anschlußbedingungen an fluiden Phasengrenzen 200 9

6 Spezielle Probleme Innendruck von Blasen und Tropfen Blasenbildung an Öffnungen Blasenbildung in Rohren 204 Literaturverzeichnis 205 Sachwörterverzeichnis