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
Inhaltsverzeichnis 1 Grundlagen der Strömungsmechanik 1 11 Stromlinie, Bahnlinie (Trajektorie), Stromfaden und Stromröhre 2 12 Erhaltungssätze der Strömungsmechanik 3 121 Bewegungsgleichung für ein Fluidelement 4 122 Euler'sche Bewegungsgleichung in Strömungsrichtung 5 123 Euler sehe B e wegungsgleichung normal zur Strömungsrichtung 7 124 Bernoulligleichung 11 125 Ausflussgleichung von Torricelli 14 126 Kontinuitätsgleichung 16 127 Impulssatz und Impulskraft für stationäre Strömungen 17 128 Drallsatz 21 129 Starrkörperwirbel 23 13 Fluid-Struktur-Wechselwirkung 24 14 Beispiele 25 15 Aufgaben 27 2 Ähnlichkeitsgesetze der Strömungsmechanik 31 21 Modellgesetz 31 22 Reynoldsähnlichkeit 32 23 Knudsenzahl als Ähnlichkeitskennzahl der Gasdynamik 34 24 Ähnlichkeitskennzahlen 36 25 Beispiele 40 3 Stationäre inkompressible Strömung; Hydrodynamik 43 31 Stationäre Einlaufströmung in Rohrleitungen 43 32 Stationäre inkompressible reibungsbehaftete Strömung 45 321 Hydraulischer Radius und hydraulischer Durchmesser 46 33 Reibungsbehaftete Rohrströmung 47 331 Hagen-Poiseuille'sche Strömung 48 332 Strömungsformen in Rohrleitungen 51 XI
XII Inhaltsverzeichnis 333 Laminare Rohrströmung 52 334 Turbulente Rohrströmung 54 335 Ermittlung des Rohrreibungsbeiwertes 59 336 Geschwindigkeitsverteilung im zylindrischen Rohr 62 337 Technisch zulässige Rauigkeiten von umströmten Oberflächen 64 34 Druckverluste in Formstücken und Rohrbögen 66 35 Druckverluste in Armaturen 74 36 Strömung im ebenen Spalt mit geringer Reynoldszahl 79 37 Strömung in keilförmigen Axial- und Radialspalten von Lagern 82 371 Strömung im keilförmigen Axiallagerspalt 82 372 Strömung im radialen Gleitlager 88 38 Düsen- und Diffusorströmung 92 381 Düsenströmung 92 382 Kegeldiffusoren 94 383 Verluste und Wirkungsgrad von Diffusoren 95 384 Radiale Diffusoren 98 39 Freistrahl 100 310 Strömung in Kanälen mit freier Oberfläche 106 3101 Reibungsbeiwerte für die Gerinneströmung 113 3102 Strömung in offenen Saugbecken mit freier Oberfläche 114 311 Rohrverzweigungen und Rohrnetzberechnung 120 3111 Reihenschaltung von Rohrleitungen 123 3112 Laminare Strömung 125 3113 Turbulente Strömung im hydraulisch glatten Rohr 125 3114 Turbulente Strömung bei ausgebildeter Rauigkeitsströmung mit A = f(d/k) 126 3115 Parallelschaltung von Rohrleitungen 126 312 Beispiele 128 313 Aufgaben 137 314 Modellklausuren 143 4 Stationäre kompressible Strömung; Gasdynamik 161 41 Einführung 161 42 Thermodynamische Grundlagen 163 421 Thermische Zustandsgieichung idealer Gase 163 422 Kalorische Zustandsgieichungen 165 423 Isentropengleichung 168 43 Schallgeschwindigkeit und Schallausbreitung 170 431 Schallgeschwindigkeit 170 432 Schallausbreitung und Machzahl 172 44 Energiegleichung der kompressiblen eindimensionalen Strömung 176 441 Formen der Energiegleichung der Gasdynamik 178
Inhaltsverzeichnis XIII 45 Ruhegrößen und kritischer Zustand 180 451 Definition der Ruhegrößen 180 452 Kritischer Zustand 182 46 Geschwindigkeitsdiagramm der Energiegleichung 183 47 Beschleunigte kompressible Strömung 185 471 Reibungsbehaftete kompressible Rohrströmung 186 472 Reibungsbehaftete isotherme kompressible Rohrströmung 473 Reibungsbehaftete adiabate kompressible Rohrströmung 474 Kompressible reibungsfreie Rohrströmung mit 188 191 Wärmeaustausch 197 475 Aus-und Durchflussfunktion für Gase 199 476 Berechnung der Durchflussfunktion 201 477 Isentrope Strömung in Düsen und Blenden 203 478 Flächen-Geschwindigkeits-Beziehung 203 479 Betriebsverhalten von Überschalldüsen 216 48 Verdichtungsstoß 218 481 Senkrechter Verdichtungsstoß 220 482 Schiefer Verdichtungsstoß 227 483 Schiefer Verdichtungsstoß in der Hodographenebene 233 484 Expansion von Überschallströmungen und Prandtl- Meyer-Strömung 236 49 Zweidimensionale kompressible Potentialströmung 238 491 Potentialgleichung der zweidimensionalen Strömung 241 492 Linearisierung der zweidimensionalen kompressiblen Potentialströmung 242 493 Zweidimensionale Überschallströmung um schlanke Profile 243 494 Zweidimensionale Unterschallströmung um schlanke Profile 245 410 Beispiele 247 411 Aufgaben 256 412 Modellklausuren 261 5 Zweidimensionale Potentialströmung 271 51 Differentialgleichung von Laplace 276 511 Potentialfunktion 276 512 Stromfunktion 277 52 Potentialströmung um Kreiszylinder 279 521 Geschwindigkeits- und Druckverteilung um den Kreiszylinder 281 53 Singularitätenverfahren 283 531 Quell-und Senkenströmung 284 532 Überlagerung von Parallel- und Quellströmung 285 533 Überlagerung von Parallel- und Senkenströmung 287
XIV Inhaltsverzeichnis 534 Gestaltung umströmter Körper mittels Singularitäten 288 535 Potentialwirbel 290 536 Wirbelsenke 293 537 Dipolströmung 293 54 Strömungskraft auf einen Körper 296 55 Wellenbewegung 298 551 Hydraulischer Sprung 299 552 Oberflächenwellen 300 56 Beispiele 304 6 Grenzschichtströmung 309 61 Begriffe der Grenzschichtströmung 311 611 Grenzschichtdicke 311 612 Verdrängungsdicke 312 613 Impulsverlustdicke 313 62 Grenzschichtgleichungen 315 63 Eigenschaften der Grenzschichten 318 631 Ablösung der Grenzschicht 319 632 Tangentialspannung an der Wand und Reibungswiderstand 321 64 Strömungen mit großer Reynoldszahl 323 65 Plattengrenzschicht 325 66 Umschlag der Strömung laminar-turbulent 327 67 Turbulente Grenzschicht 329 671 Prandtl'scher Mischungsweg 330 68 Turbulenz und Turbulenzgrad 334 681 Turbulenzgrad 335 682 Energietransport in turbulenten Strömungen 338 69 Beispiele 339 610 Modellklausuren 340 7 Stationäre Umströmung von Körpern und Profilen 345 71 Widerstand umströmter Körper 345 711 Entstehung und Berechnung von Widerstand 348 712 Änderung von Druck- und Reibungswiderstand an Körpern 351 713 Kugelumströmung und Auftrieb 352 72 Tragflügelprofile und Auftrieb 354 721 Tragflügel unendlicher Spannweite 355 722 Auftrieb und Profilwiderstand 357 723 Tragflügel endlicher Spannweite 359 724 Induzierter Widerstand an Tragflächen und Axialschaufeln 360 73 Profilpolare für Tragflügel und Schaufelprofile 362 74 Einfluss der Reynoldszahl auf die Tragflügelumströmung 365
Inhaltsverzeichnis XV 75 Tragflügelumströmung bei hoher Anströmmachzahl 367 76 Beispiele 370 8 Instationäre Strömung 375 81 Bewegungs- und Energiegleichung der eindimensionalen instationären Strömung 375 82 Instationärer Ausfluss aus einem Behälter mit variabler Spiegelhöhe 377 83 Flüssigkeitsschwingungen 378 831 Schwingung der Flüssigkeit in einem U-Rohr 379 832 Periodische Behälterentleerung 381 84 Druckstoß in Rohrleitungen 384 841 Druckstoß in elastischen Leitungen unter Berücksichtigung der Kompressibilität der Flüssigkeit 385 842 Druckstoß bei Ausfluss aus einem offenen Behälter 387 85 Wirbelablösung hinter umströmten Körpern 388 851 Kärmänsche Wirbelstraße 389 86 Beispiele 390 87 Aufgaben 395 9 Grundlagen der Akustik und Aeroakustik 399 91 Tonskala und Frequenzen von Tönen 399 92 Hörbereich und Schalldruck 401 93 Schallfeld und Schallfeldgrößen 403 931 Schalldruck und Schalldruckpegel 403 932 Schallschnelle und Schallschnellepegel 405 933 Schallintensität 406 934 Schallleistung und Schallleistungspegel 407 94 Schallquellen 407 941 Aeroakustische Schallquellen 408 942 Akustische Wellengleichung 409 943 Analogie von Lighthill 411 944 Inhomogene akustische Wellengleichung 412 95 Akustische Umsetzung von Strömungen 415 96 Schallmessung 416 961 Schallmessgrößen 418 962 Schalldruck- und Schalldruckpegelmessung 418 963 Schallintensitäts- und Schallgeschwindigkeitsmessung 422 964 Schallleistungs- und Schallleistungspegelmessung 424 97 Messauswerrung, Frequenzanalyse und spektrale Leistungsdichte 426 971 Frequenzanalyse 428 972 Spektrale Schallleistungsdichte 432 98 Wavelets der Aeroakustik 433
XVI Inhaltsverzeichnis 99 Schallmessgeräte 436 991 Mikrofon 437 910 Addition von Schallpegeln und Summenregel 437 911 Aufgaben 439 10 Grundlagen der Strömung in Turbomaschinen 441 101 Bauarten von Turbomaschinen 441 102 Strömung im rotierenden radialen Laufrad 444 1021 Absolut-und Relativgeschwindigkeit 445 1022 Geschwindigkeitsdreiecke am Laufradein- und Austritt 445 103 Eulergleichung der Turbomaschinen 446 104 Drehmomentensatz für Turbomaschinen 447 105 Strömung in Axialmaschinen 448 1051 Axiale ebene Schaufelgitter 448 1052 Belastungszahl von Schaufelgittern 451 1053 Belastungszahl und Widerstandsbeiwert unter Berücksichtigung der Reibung 452 106 Ähnlichkeitskennzahlen von Turbomaschinen 454 1061 Lieferzahl 455 1062 Energieübertragungszahl, Druckzahl 456 1063 Spezifische Drehzahl und Schnelllaufzahl 458 1064 Durchmesserzahl 459 1065 Cordierdiagramm 459 1066 Leistungszahl 461 107 Radseitenreibung 462 108 Verluste in inneren und äußeren Dichtspalten 466 109 Nutzleistung und Wirkungsgrad 468 1010 Leiteinrichtungen (Diffusoren) 469 10101 Radialdiffusor 469 10102 Strömung im Spiralgehäuse 469 1011 Kavitation 470 10111 Blasendynamik in Kavitationsströmungen 471 1012 Kennlinien von Strömungsmaschinen 473 1013 Beispiele 475 1014 Aufgaben 482 1015 Modellklausuren 485 11 Grundlagen der Mehrphasenströmung 495 111 Charakterisierung von Mehrphasenströmungen 495 112 Partikelform, Sphärizität und Formfaktoren 497 113 Partikelgrößenverteilung und mittlere Partikelgröße 499 114 Schüttdichte und Gemischdichte 501
Inhaltsverzeichnis XVII 115 Bewegungsverhalten von Feststoffen in Fluiden 502 116 Kräfte in strömenden Gemischen 506 117 Sinkgeschwindigkeit eines kugelförmigen Einzelpartikels 509 118 Kritische Geschwindigkeit 510 119 Druckverluste in Rohrleitungen und Schüttungen 511 1110 Strömung beim hydraulischen Transport 513 1111 Strömung beim pneumatischen Transport 516 1112 Massenkraftabscheidung von Staub 516 11121 Schwerkraftabscheidung 517 11122 Fliehkraftabscheidung (Zyklonabscheidung) 518 12 Strömungstechnische Messtechnik 523 121 Druckmesstechnik 523 1211 Hydraulische Druckmessgeräte 525 1212 Mechanische Druckmessgeräte 527 1213 Elektromechanische Drucksensoren 528 1214 Instationäre Druckmessung 529 122 Geschwindigkeitsmessung 533 1221 Staudrucksonden und Prandtlrohr 533 1222 Hitzdrahtsonden und Heißfolienanemometer 535 1223 Laser-Anemometer 536 1224 Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) 537 1225 Laser-2Fokus-Anemometrie (L2FA) 538 1226 Particle-Image Velocimetry (PIV) 539 1227 Laser-Speckle-Anemometrie 540 1228 Optische-und Schlierenmessverfahren 541 123 Temperaturmessung 543 1231 Widerstandsthermometer 544 1232 Thermoelement 545 1233 Strahlungsthermometer 547 124 Volumenstrom-und Massestrommessung 548 1241 Messprinzipien 548 1242 Volumenstrommessgeräte 549 1243 Massestrommessgeräte 550 125 Beispiele 553 126 Aufgaben 558 127 Modellklausur 559 13 Lösungen 561 131 Lösungen der Aufgaben im Kapitel 1 561 132 Lösungen der Aufgaben im Kapitel 3 563 133 Lösungen der Modellklausuren im Kapitel 3 571
XVIII Inhaltsverzeichnis 134 Lösungen der Aufgaben im Kapitel 4 597 135 Lösungen der Modellklausuren im Kapitel 4 611 136 Lösungen der Modellklausuren im Kapitel 6 634 137 Lösungen der Aufgaben im Kapitel 8 643 138 Lösungen der Aufgaben im Kapitel 9 645 139 Lösungen der Aufgaben im Kapitel 10 646 1310 Lösungen der Modellklausuren im Kapitel 10 654 1311 Lösungen der Aufgaben im Kapitel 12 683 1312 Lösungen der Modellklausuren im Kapitel 12 685 Nomenklatur 687 Anhang 693 Sachverzeichnis 719