Integration von Ortsgrößen zu Bereichsgrößen

Transkript

1 Integation von Otsgößen zu Beeichsgößen 1 Integation von Otsgößen zu Beeichsgößen Stömungen sind Bewegungen von Teilchen innehalb von Stoffen. Ihe wesentlichen Gesetzmäßigkeiten gehen aus Zusammenhängen zwischen Otsgößen hevo. Zu den Otsgößen gehöen die beiden Kaftdichten Schubspannung und Duck, die Massendichte und die Geschwindigkeit. Von technischem Inteesse sind neben den Otsgößen auch ihe Mittelwete und die zugehöigen Beeichsgößen. Schubspannungen und Dücke weden übe Flächenbeeiche integiet, um eibungs- und Duckkäfte zu ehalten. Aus de Integation de Dichte übe einen äumlichen Beeich geht die Masse hevo. Und die Integation de Geschwindigkeit übe eine Duchtittsfläche liefet einen Volumenstom. Mittelwete von Otsgößen ehält man in vielen Fällen einfach schon, indem man die zugehöige Beeichsgöße duch den Beeichsinhalt teilt. In einem äumlichen Beeich egibt sich die mittlee Dichte aus Division de Masse des Beeichs duch das Volumen des Beeichs. In einem oh egibt sich die mittlee Geschwindigkeit aus Division des Volumenstoms duch den Queschnitt des ohes. Volumenstom und mittlee Geschwindigkeit de laminaen ohstömung 0 u u max Bild 1: laminae ohstömung, links: Geschwindigkeitspofil, echts: Seitenansicht Das Geschwindigkeitspofil eine laminaen ohstömung ist gegeben duch: (1) Dain sind und de ohadius und die Geschwindigkeit in de ohmitte. Aus dem Geschwindigkeitspofil (intensive Göße bzw. Otsgöße) soll de Volumenstom (extensive Göße bzw. Beeichsgöße) bestimmt weden. De Beeich ist die Queschnittsfläche. echts in Bild 1 ist die Queschnittsfläche A in 5 Keisingflächen mit j = 1 bis 5 aufgeteilt. Sie weden duch Linien gleiche Geschwindigkeit (Isotachen von giechisch tachys: die Geschwindigkeit) begenzt. Bild 2 zeigt die Teilflächen einzeln. Die Teilfläche 1 kann fomal als eine Keisingfläche mit Innenadius 0 aufgefaßt weden Pof. D. Mathias Faaß

2 2 Integation von Otsgößen zu Beeichsgößen DA 5 DA 4 DA 3 DA 2 DA 1 = 1 0,8 0,8 0,6 0,6 0,4 0,4 0,2 0,2 0 Bild 2: Teilflächen De Flächeninhalt de Teilflächen ist (2). Dain sind und de Außen- und de Innenadius de j-ten Teilfläche. Ih Volumenstom egibt sich aus dem Podukt (3). Dain ist die mittlee Geschwindigkeit de j-ten Teilfläche. Sie egibt sich aus Gleichung 1, wenn man dot fü den mittleen adius de Teilfläche einsetzt. Fü die Teilfläche 1, z.b., ist de mittlee Duchmesse. Ihe Fläche ist. Die mittlee Geschwindigkeit betägt in diese Teilfläche. Das egibt auf zwei Stellen geundet einen Teilvolumenstom von fü die Teilfläche 1. Beechnet man alle Teilvolumenstöme in diese Weise und addiet sie, egibt sich folgende Tabelle: Teilfläche i m a u m 1 0 0,1 0,2 0,99 u max 0,04*² π u max 2 0,2 0,3 0,4 0,91 u max 0,11*² π u max 3 0,4 0,5 0,6 0,75 u max 0,15*² π u max 4 0,6 0,7 0,8 0,51 u max 0,14*² π u max 5 0,8 0,9 1 0,19 u max 0,07*² π u max Gesamt 0,51*² π u max Tabelle 1: Summation de Teilvolumenstöme Eine bessee At de Dastellung ist diese: Teilfläche i / m / a / u m /u max 1 0 0,1 0,2 0,99 0,04 2 0,2 0,3 0,4 0,91 0,11 3 0,4 0,5 0,6 0,75 0,15 4 0,6 0,7 0,8 0,51 0,14 5 0,8 0,9 1 0,19 0,07 Gesamt 0,51 Tabelle 2: Summation de Teilvolumenstöme in nomiete Weise 2006 Pof. D. Mathias Faaß

3 Integation von Otsgößen zu Beeichsgößen 3 Die Summe alle Teilvolumenstöme ist de Gesamtvolumenstom. E betägt. Teilt man ihn duch die Queschnittsfläche, ehält man die mittlee Geschwindigkeit im ohqueschnitt. Sie betägt nach diese echnung. Wegen de Flächenunteteilung ist das eine Näheungslösung. Ihe Genauigkeit wid höhe, wenn die Flächen noch feine unteteilt weden. Allgemein gilt fü eine Aufteilung in n Teilflächen: (4). Dain sind und de mittlee adius und die Queschnittsfläche de j-ten Teilfläche. Integation bedeutet, daß man n in einem Genzübegang gegen Unendlich füht. Daduch weden die Teilflächen zu unendlich kleinen Flächenstückchen da. Es egibt sich: (5). Dain bedeutet, daß übe die gesamte Fläche zu integieen ist. da +d d Bild 3: Unendlich kleine Keisingfläche da stellt eine unendlich kleine Keisingfläche im Abstand vom Mittelpunkt des Keises da. Sie hat einen endlichen Umfang. Ihe Stäke stellt eine unendlich kleine Diffeenz des adius da. Deswegen ist es uneheblich, ob ih Umfang an de Innenseite des Keisings, an de Außenseite ode igendwo dazwischen gebildet wid. Ih Flächeninhalt ist: (6). Andes als bildet eine lauffähige Vaiable entlang eine Koodinatenachse, läuft von bis. Gleichung 6 wid nun in Gleichung 5 eingesetzt. Es egibt sich: (7). Die Wete und bilden jetzt die Integationsgenzen eines bestimmten Integals. geht aus Gleichung 1 hevo. Eingesetzt in Gleichung 7 egibt sich: (8). Weil konstant ist, läßt sich diese Ausduck vo das Integal ziehen. Die Umfomung egibt: (9) Pof. D. Mathias Faaß

4 4 Integation von Otsgößen zu Beeichsgößen Dain bildet den Integanden. zeigt an, daß die Integationsvaiable ist. Man löst ein Integal, indem man eine Stammfunktion de Integand ist. Es muß also gelten: findet, deen Ableitung nach de Integationsvaiablen (10). Eine Funktion, die das leistet, ist (11). Dain ist C eine Integationskonstante. Ihe Ableitung nach ist Null. Bei einem bestimmten Integal wid fü zunächst die obee Integationsgenze, hie, in eingesetzt und davon das Egebnis fü die untee Integationgenze, hie, abgezogen: (12). Damit ist das Integal gelöst und kann in Gleichung 9 eingesetzt weden. Fü den Volumenstom egibt sich: (13). Teilt man jetzt wiede duch die Fläche, ekennt man, daß die mittlee Geschwindigkeit de laminaen ohstömung genau halb so goß ist wie die maximale Geschwindigkeit in ohmitte. Volumenstom und mittlee Geschwindigkeit de Schestömung y b d U d d 0 U u Bild 4: Schestömung, links: Geschwindigkeitspofil, echts: Ansicht von echts Die Schestömung ist hie zwischen zwei planpaallelen Platten im Abstand gezeigt. Die obee Platte wid mit de Geschwindigkeit gegen die untee veschoben. Technisch elevante Schestömungen velaufen zwischen Zylinden, die gegeneinande gedeht weden, ode sich dehenden Keisscheiben Pof. D. Mathias Faaß

5 Integation von Otsgößen zu Beeichsgößen 5 echts sind wiede Isotachen in de Seitenansicht gezeigt. Gesucht sind de Volumenstom und die mittlee Geschwindigkeit in de Queschnittsfläche. Man liest aus Bild 4 ab, daß sie und betagen. Zu demselben Egebnis muß die Integation von übe fühen. De Geschwindigkeitsvelauf de Schestömung ist (14). Ih Volumenstom egibt sich zunächst ganz allgemein wiede als (15). y b y+dy y dy 0 Bild 5: Unendlich kleine echteckfläche Das Flächenstück ab: ist wiede so zu legen, daß es von Isotachen begenzt wid. Aus Bild 5 liest man (16). Andes als ist eine lauffähige Integationsvaiable. Sie läuft von bis. Gleichung 16 wid nun zusammen mit Gleichung 14 in Gleichung 15 eingesetzt. Daaus entsteht: (17). Das Integal escheint nun als bestimmtes Integal mit den Beeichsgenzen und. De Integand hat die Stammfunktion. Damit egibt sich (18) woaus sich als mittlee Geschwindigkeit wiede das bekannte Egebnis egibt Pof. D. Mathias Faaß

6 6 Integation von Otsgößen zu Beeichsgößen Übungsaufgabe p 0 p 0 0 p 0 F h h h z Bild 6: Hoizontalkaft auf eine Behältewand Ein zylindefömige Behälte ist flüssigkeitsgefüllt. Sein Duchmesse ist. De Füllstand ist. An de Obefläche de Flüssigkeit und außehalb des Behältes hescht de Umgebungsduck. Die beiden Pofile zeigen Duckveteilungen. An de Außenseite besteht das Pofil aus dem konstanten Umgebungsduck. Im Behälte ist die Duckveteilung gegeben duch (19). Dain ist nach unten geichtet. Gesucht ist die esultieende Hoizontalkaft auf die Behältewand. Sie soll duch Integation des Übeducks übe die Behältewand emittelt weden. Lösung: Pof. D. Mathias Faaß