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Strömungsmechanik für Dummies

Strömungsmechanik für Dummies

Peter Hakenesch

ISBN: 978-3-527-70882-6

Dec 2014

395 pages

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Einleitung 21

Über dieses Buch 21

Konventionen in diesem Buch 21

Wie dieses Buch strukturiert ist 21

Anhang 23

Symbole, die in diesem Buch verwendet werden 23

Wie es weitergeht 23

Teil I Methodik, Werkzeuge und Klassifizierung von Strömungen 25

Kapitel 1 Charakteristische Merkmale der Strömungsmechanik 27

Um was geht es denn bei der Strömungsmechanik? 27

Was die Strömungsmechanik von anderen Wissensgebieten unterscheidet 28

Veränderung der Arbeitsweise von Strömungsmechanikern im Verlauf der Geschichte 30

Kapitel 2 So arbeiten Strömungsmechaniker 33

Strömungssimulation in Windkanälen 34

Wozu werden Windkanäle benötigt? 34

Konstruktionsprinzipien von Windkanälen 36

Strömungssimulation mit numerischen Methoden: CFD 39

Historische Entwicklung von CFD 39

Wie die CFD eingesetzt wird 39

Kapitel 3 Gliederung und Begriffsdefinitionen – Ordnung muss sein 41

Fluid oder Festkörper 41

Gliederung der Strömungsmechanik 41

Bahnlinie und Stromlinie 43

Stromfaden und Stromröhre 47

Kapitel 4 Klassifizierung von Strömungen oder wie man sich das Leben einfach gestalten kann 49

Reibung – reale und ideale Fluide 49

Zeitverhalten – stationäre, instationäre und quasistationäre Strömungen 52

Dimensionen – ein-, zwei- oder dreidimensionale Strömungen 54

Kompressibilität – kompressible und inkompressible Strömungen 55

Mach-Zahl im Strömungsfeld 56

Fließverhalten 64

Teil II Hydrostatik 67

Kapitel 5 Druck oder was uns alle belastet 69

Druck als Zustandsgröße 71

Druckbegriffe – alles nur eine Frage des Standpunkts 72

Druck als physikalische Größe 73

Hydrostatischer Druck 74

Hydrostatisches oder Pascalsches Paradoxon 76

Verbundene Gefäße oder kommunizierende Röhren 77

Begrenzung der Saugwirkung einer Pumpe 79

Kavitation 81

Druckmessung 82

Korrekturen: Einfluss von Temperatur und Luftfeuchte 84

Einbau von Drucksonden – statische Größen und Totalgrößen 86

Kapitel 6 Statischer Auftrieb oder das tragische Ende eines Goldschmiedes 91

Statischer Auftrieb nach dem Prinzip des Archimedes 91

Warum Ihre Badezimmerwaage lügt 93

Statischer Auftrieb als Ergebnis von Druckdifferenzen 93

Die Problematik des Schiffshebewerks 96

Grenzen des archimedischen Auftriebs 98

Kapitel 7 Oberflächenspannung – warum der Wasserläufer nicht versinkt 101

Teilchenkräfte – was den Regentropfen zusammenhält 101

Kapillarwirkung 105

Einfache Methoden zur Bestimmung der Oberflächenspannung 106

Kapillarmethode 106

Tropfen- oder Stalagmometermethode 107

Ringmethode 108

Kapitel 8 Druckkräfte auf Begrenzungsflächen 109

Belastung einer ebenen horizontalen Fläche 109

Belastung einer ebenen senkrechten Fläche 110

Betrag der KraftF 110

Lage des KraftangriffspunktesD 111

Belastung einer ebenen geneigten Fläche 114

Belastung einer gekrümmten, abwickelbaren Fläche 114

Abwickelbare Flächen 115

Berechnung der horizontalen Kraftkomponente 115

Berechnung der vertikalen Kraftkomponente 116

Berechnung der resultierenden Gesamtkraft 116

Belastung einer nicht-abwickelbaren Fläche 117

Berechnung der horizontalen Kraftkomponenten 117

Berechnung der vertikalen Kraftkomponente 118

Berechnung der resultierenden Gesamtkraft 119

Kapitel 9 Fluide unter Beschleunigung 121

Niveauflächen – überall der gleiche Druck 121

Fluide unter dem Einfluss einer translatorischen Beschleunigung 122

Fluide unter dem Einfluss einer rotatorischen Beschleunigung 122

Druck im Inneren eines rotierenden Fluids 125

Kraft auf einen Deckel infolge eines rotierenden Fluids 126

Kapitel 10 Stabilität schwimmender oder schwebender Körper 129

Prinzip der statischen Stabilität 129

Berechnung des Stabilitätsmaßes 131

Teil III Aerostatik 133

Kapitel 11 Aufbau der Erdatmosphäre 135

Die Erdatmosphäre als Wärmekraftmaschine 135

Der Systembegriff der Thermodynamik 135

Wetter als Ergebnis von Wärmeaustauschprozessen 137

Chemische Zusammensetzung der Erdatmosphäre 138

Aufbau der Erdatmosphäre 138

Luftdruck als Funktion der Höhe 143

Hydrostatische Grundgleichung 143

Polytrope Zustandsänderung 143

Zusammenhang zwischen Höhe, Druck, Temperatur und Dichte 144

Kapitel 12 Internationale Standardatmosphäre ISA – eine Norm, die nie erfüllt wird 147

Aufbau der Standardatmosphäre 147

Temperaturverteilung 148

Weitere sinnvolle Parameter, die Sie berechnen könnten 150

Kapitel 13 Höhendefinitionen 153

Geometrische und absolute Höhe 153

Geopotentielle Höhe 154

Druckhöhe 155

Höhenmessung 155

Verfahren während des Fluges 156

Bedeutung der Druckhöhe für den Flugverkehr 157

Dichtehöhe 158

Teil IV Strömung von Fluiden – es kommt Bewegung ins System 161

Kapitel 14 Basisgleichungen der Strömungsmechanik 163

Kontinuitätsgleichung – die Leitung ist dicht 163

Volumenstrom 163

Massestrom 164

Energieerhaltungssatz 165

Drei gute Gründe, den Kabineninndruck in einem Flugzeug niedrig zu halten 167

Enthalpie und innere Energie 169

Kalorische Zustandsgleichungen 169

Innere Energie und Enthalpie fester und flüssiger Phasen 170

Innere Energie und Enthalpie idealer Gase 170

Vom ersten Hauptsatz der Thermodynamik zur Bernoulligleichung 171

Was Herr Bernoulli alles nicht berücksichtigt 171

Kapitel 15 Ausfluss aus Behältern – die (fast) verdorbene Feier 177

Verlustfreies Ausströmen aus Behältern 177

Verlustbehaftetes Ausfließen aus Behältern 179

Verlusthöhe und Druckverlust 181

Verlustziffer und Ausflusskoeffizient 181

Kapitel 16 Strömungen mit Energietransport 183

Berücksichtigung von Arbeitsmaschinen in der Bilanz 183

Sinn und Unsinn eines Kraftwerks mit negativer Energiebilanz 184

Turbinenbetrieb 185

Pumpbetrieb 188

Kapitel 17 Modellgesetze 191

Die Simulationsproblematik oder die Quadratur des Kreises 191

Dimensionsanalyse 194

Kennzahlen, die Sie wirklich benötigen 196

Mach-Zahl 196

Reynolds-Zahl 196

Froude-Zahl 199

Kapitel 18 Rohrströmung 201

Unterschiedliche Strömungsqualitäten 201

Laminare Rohrströmung 201

Turbulente Rohrströmung 202

Druckverlust bei Rohrströmungen 203

Druckverlust infolge des Rohrreibungswiderstands 203

Berechnung der Rohrreibungszahl 205

Hydraulisch glatte Rohre 206

Vollständig raue Rohre 207

Übergangsgebiet zwischen glatt und rau 207

Druckverlust infolge von Einbauten 208

Richtungsänderung 209

Eintrittsverluste 211

Austrittsverluste 212

Stufendiffusor 213

Konischer Diffusor 213

Stufendüse 214

Konische Düse 215

Druckverlust im Gesamtsystem 216

Hydraulischer Ersatzdurchmesser 216

Normblenden 217

Kapitel 19 Grenzschichtströmungen 221

Entstehung einer Grenzschicht 222

Strömungsgrenzschicht 223

Temperaturgrenzschicht 224

Grundzüge der Prandtlschen Grenzschichttheorie 227

Laminare Strömungsgrenzschicht 227

Laminare Temperaturgrenzschicht 229

Turbulente Strömungsgrenzschicht 230

Turbulente Temperaturgrenzschicht 234

Ablösung der Grenzschicht 235

Entstehung eines Ablösegebiets 235

Die Kármánsche Wirbelstraße – hübsch anzuschauen, aber auch lästig 236

Nachlaufdelle 237

Transition 238

Natürliche Transition 238

Erzwungene Transition 239

Kapitel 20 Widerstand von Körpern: Willkommen in der realen Welt! 245

Ursache des Widerstands – ein Makel der realen Welt 245

Reibungswiderstand 246

Druck- oder Formwiderstand – alles nur eine Frage der Formgebung 247

Entstehung des Druckwiderstands 247

Verringerung des Druckwiderstands oder warum der Golfball Dellen hat 248

Induzierter Widerstand – auch bei reibungsfreier Strömung 251

Entstehung des induzierten Widerstands 251

Einflussfaktoren auf den induzierten Widerstand 252

Auswirkungen des induzierten Widerstands – erfreulich als auch unerfreulich 253

Interferenzwiderstand – des einen Freud, des anderen Leid 256

Gesamtwiderstand und quadratisches Widerstandsgesetz 257

Dimensionslose Beiwerte in der Strömungsmechanik 259

Kapitel 21 Umströmung stumpfer Körper – einfache Lösungen für den täglichen Gebrauch 263

Kugelumströmung 263

Ideale, reibungsfreie Umströmung einer Kugel (Potentialströmung) 263

Reibungsbehaftete Umströmung der Kugel 263

Einfluss der Rauheit 265

Turbulenzfaktor 266

Turbulenzgrad 266

Zylinderumströmung 268

Ideale reibungsfreie Umströmung eines Zylinders (Potentialströmung) 268

Reibungsbehaftete Umströmung eines Zylinders 268

Teil V Impuls und Drall in Strömungen 271

Kapitel 22 Impuls – was uns alle antreibt 273

Auswirkung einer Strömung auf ein durchströmtes System 274

Definition eines Kontrollraums 274

Folgen aus dem dynamischen Grundgesetz 274

Analyse der auftretenden Kräfte 276

Vorgehensweise zur Lösung von Impulsaufgaben 278

Kapitel 23 Drallerhaltung – warum wir (fast) alle beim Reckturnen so schlecht waren 281

Drallerhaltung beziehungsweise Drehimpulserhaltung 281

Starrer Körper in Rotation 282

Gesamtdrehimpuls des starren Körpers 282

Analogie zwischen Impuls und Drehimpuls 283

Drehimpulserhaltung 285

Einfluss der Drehimpulserhaltung bei Wetterphänomenen – Tornado 287

Anwendung des Drallsatzes auf Strömungsmaschinen 288

Drall am Beispiel einer axialen Strömungsmaschine 288

Drall am Beispiel einer radialen Strömungsmaschine 289

Teil VI Kompressible Strömungen – vergessen Sie (fast) alles bis dato Gelernte 291

Kapitel 24 Vom Unterschall zum Überschall 293

Thermodynamische Grundbegriffe und Annahmen 293

Ideales Gas 293

Innere Energie und Enthalpie 294

Entropie und zweiter Hauptsatz der Thermodynamik 295

Zustandsänderungen 297

Isentrope Strömungen 297

Statische Größen und Totalgrößen 299

Kesselgleichungen 302

Stoßwellen 304

Mach-Kegel 304

Charakteristische Mach-Zahl 304

Senkrechter Verdichtungsstoß 306

Schräger Verdichtungsstoß 313

Expansionsströmungen im Überschall – Prandtl–Meyer-Expansion 318

Düsenströmungen 319

Arbeitsprinzip einer Düse 320

Laval-Düse 324

Nicht-Angepasste Düse 327

Verdichtungs- und Verdünnungswellen in Überschallfreistrahlen 328

Ausströmgeschwindigkeit 329

Diffusorströmungen 331

Teil VII Top Ten Teil 333

Kapitel 25 Zehn Ratschläge, um Spaß an der Strömungsmechanik zu haben 335

Grau ist alle Praxis - schön ist nur die Theorie. 335

Lassen Sie sich nicht von der scheinbaren Komplexität eines Problems beeindrucken. 335

Beschäftigen Sie sich mit Wetterphänomenen. 335

Betreiben Sie strömungsmechanische Archäologie. 336

Trainieren Sie Ihre Fähigkeit, Größenordnungen abzuschätzen. 336

Begeistern Sie Ihr Umfeld für strömungsmechanische Aspekte. 336

Studieren Sie die Biographien berühmter Forscher auf demGebiet der Strömungsmechanik. 336

Lesen Sie! 337

Programmieren Sie! 338

Nehmen Sie das Ganze nicht zu ernst! 338

Anhang A: Lösungen der Beispiele 339

Anhang B: In diesem Buch verwendete Symbole 385

Stichwortverzeichnis 391