Strömungsmechanik. <Ö Springer Vieweg. Technische. Sternpin. Aufgaben und 31 Modellklausuren. Silke. Dominik Surek. Für Studium, Examen und Praxis

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1 Dominik Surek Silke Sternpin Technische Strömungsmechanik Für Studium, Examen und Praxis 2, überarbeitete und erweiterte Auflage Mit 557 Abbildungen, 56 Tabellen, 44 Beispielen, 67 Aufgaben und 31 Modellklausuren <Ö Springer Vieweg

2 Inhaltsverzeichnis 1 Grundlagen der Strömungsmechanik 1 11 Stromlinie, Bahnlinie (Trajektorie), Stromfaden und Stromröhre 2 12 Erhaltungssätze der Strömungsmechanik Bewegungsgleichung für ein Fluidelement Euler'sche Bewegungsgleichung in Strömungsrichtung Euler sehe B e wegungsgleichung normal zur Strömungsrichtung Bernoulligleichung Ausflussgleichung von Torricelli Kontinuitätsgleichung Impulssatz und Impulskraft für stationäre Strömungen Drallsatz Starrkörperwirbel Fluid-Struktur-Wechselwirkung Beispiele Aufgaben 27 2 Ähnlichkeitsgesetze der Strömungsmechanik Modellgesetz Reynoldsähnlichkeit Knudsenzahl als Ähnlichkeitskennzahl der Gasdynamik Ähnlichkeitskennzahlen Beispiele 40 3 Stationäre inkompressible Strömung; Hydrodynamik Stationäre Einlaufströmung in Rohrleitungen Stationäre inkompressible reibungsbehaftete Strömung Hydraulischer Radius und hydraulischer Durchmesser Reibungsbehaftete Rohrströmung Hagen-Poiseuille'sche Strömung Strömungsformen in Rohrleitungen 51 XI

3 XII Inhaltsverzeichnis 333 Laminare Rohrströmung Turbulente Rohrströmung Ermittlung des Rohrreibungsbeiwertes Geschwindigkeitsverteilung im zylindrischen Rohr Technisch zulässige Rauigkeiten 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 Strömung in offenen Saugbecken mit freier Oberfläche Rohrverzweigungen und Rohrnetzberechnung Reihenschaltung von Rohrleitungen Laminare Strömung Turbulente Strömung im hydraulisch glatten Rohr Turbulente Strömung bei ausgebildeter Rauigkeitsströmung mit A = f(d/k) Parallelschaltung von Rohrleitungen Beispiele Aufgaben Modellklausuren 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 178

4 Inhaltsverzeichnis XIII 45 Ruhegrößen und kritischer Zustand Definition der Ruhegrößen Kritischer Zustand Geschwindigkeitsdiagramm der Energiegleichung Beschleunigte kompressible Strömung Reibungsbehaftete kompressible Rohrströmung Reibungsbehaftete isotherme kompressible Rohrströmung 473 Reibungsbehaftete adiabate kompressible Rohrströmung 474 Kompressible reibungsfreie Rohrströmung mit Wärmeaustausch 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 zweidimensionalen kompressiblen Potentialströmung Zweidimensionale Überschallströmung um schlanke Profile Zweidimensionale Unterschallströmung um schlanke Profile Beispiele Aufgaben Modellklausuren Zweidimensionale Potentialströmung Differentialgleichung von Laplace Potentialfunktion Stromfunktion Potentialströmung um Kreiszylinder Geschwindigkeits- und Druckverteilung um den Kreiszylinder Singularitätenverfahren Quell-und Senkenströmung Überlagerung von Parallel- und Quellströmung Überlagerung von Parallel- und Senkenströmung 287

5 XIV Inhaltsverzeichnis 534 Gestaltung umströmter Körper mittels Singularitäten Potentialwirbel Wirbelsenke Dipolströmung Strömungskraft auf einen Körper Wellenbewegung Hydraulischer Sprung Oberflächenwellen Beispiele Grenzschichtströmung Begriffe der Grenzschichtströmung Grenzschichtdicke Verdrängungsdicke Impulsverlustdicke Grenzschichtgleichungen Eigenschaften der Grenzschichten Ablösung der Grenzschicht Tangentialspannung an der Wand und Reibungswiderstand Strömungen mit großer Reynoldszahl Plattengrenzschicht Umschlag der Strömung laminar-turbulent Turbulente Grenzschicht Prandtl'scher Mischungsweg Turbulenz und Turbulenzgrad Turbulenzgrad Energietransport in turbulenten Strömungen Beispiele Modellklausuren 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 Einfluss der Reynoldszahl auf die Tragflügelumströmung 365

6 Inhaltsverzeichnis XV 75 Tragflügelumströmung bei hoher Anströmmachzahl Beispiele 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 Beispiele Aufgaben 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 Schallintensitäts- und Schallgeschwindigkeitsmessung Schallleistungs- und Schallleistungspegelmessung Messauswerrung, Frequenzanalyse und spektrale Leistungsdichte Frequenzanalyse Spektrale Schallleistungsdichte Wavelets der Aeroakustik 433

7 XVI Inhaltsverzeichnis 99 Schallmessgeräte Mikrofon Addition von Schallpegeln und Summenregel Aufgaben 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 Ähnlichkeitskennzahlen von Turbomaschinen Lieferzahl Energieübertragungszahl, 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 Beispiele Aufgaben Modellklausuren Grundlagen der Mehrphasenströmung Charakterisierung von Mehrphasenströmungen Partikelform, Sphärizität und Formfaktoren Partikelgrößenverteilung und mittlere Partikelgröße Schüttdichte und Gemischdichte 501

8 Inhaltsverzeichnis XVII 115 Bewegungsverhalten von Feststoffen in Fluiden Kräfte in strömenden Gemischen Sinkgeschwindigkeit eines kugelförmigen Einzelpartikels Kritische Geschwindigkeit Druckverluste in Rohrleitungen und Schüttungen Strömung beim hydraulischen Transport Strömung beim pneumatischen Transport Massenkraftabscheidung 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-2Fokus-Anemometrie (L2FA) Particle-Image Velocimetry (PIV) Laser-Speckle-Anemometrie Optische-und Schlierenmessverfahren Temperaturmessung Widerstandsthermometer Thermoelement Strahlungsthermometer Volumenstrom-und Massestrommessung Messprinzipien Volumenstrommessgeräte Massestrommessgeräte Beispiele Aufgaben Modellklausur Lösungen Lösungen der Aufgaben im Kapitel Lösungen der Aufgaben im Kapitel Lösungen der Modellklausuren im Kapitel 3 571

9 XVIII Inhaltsverzeichnis 134 Lösungen der Aufgaben im Kapitel Lösungen der Modellklausuren im Kapitel Lösungen der Modellklausuren im Kapitel Lösungen der Aufgaben im Kapitel Lösungen der Aufgaben im Kapitel Lösungen der Aufgaben im Kapitel Lösungen der Modellklausuren im Kapitel Lösungen der Aufgaben im Kapitel Lösungen der Modellklausuren im Kapitel Nomenklatur 687 Anhang 693 Sachverzeichnis 719