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Über dieses Buch

Dieses erfolgreiche, didaktisch ausgereifte Lehrbuch wurde im Bereich der Übungsaufgaben erweitert. Leserhinweise wurden eingearbeitet. Es zeichnet sich durch eine prägnant kurze, mathematisch verständliche und anwendbare Einführung in die Grundlagen aus und hilft dem Leser, sein Verständnis durch Übungen mit kompletten Lösungen zu vertiefen.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einleitung, Überblick und Grundlagen

In der Strömungslehre werden die Bewegungsvorgänge in Flüssigkeiten und Gasen (so genannten Fluiden) behandelt. Anstelle der Bezeichnung Strömungslehre trifft man häufig auch die Begriffe Strömungsmechanik, Fluiddynamik, Aerodynamik u.a.Die Strömungslehre spielt in Naturwissenschaft und Technik eine große Rolle. Die Anwendungen lassen sich grob gesprochen in die zwei Gruppen einteilen:1. Umströmung von Körpern, z.B. Kraftfahrzeugen, Flugzeugen, Gebäuden. Hierbei interessiert das Stromfeld im Außenraum, d.h. Geschwindigkeit, Druck, Dichte und Temperatur in Körpernähe woraus die Kraftwirkung auf den Körper resultiert.2. Durchströmen von Leitungen, Kanälen, Maschinen und ganzen Anlagen. Jetzt interessiert die Strömung im Innenraum, z.B. von Krümmern, Diffusoren und Düsen und die daraus resultierenden Druckverluste durch Reibungseinflüsse.Die quantitative Beschreibung einer Strömung erfolgt durch die Strömungsgrößen Geschwindigkeit, Druck, Dichte und Temperatur, welche durch die Erhaltungssätze und Fluideigenschaften zu bestimmen sind.

Jürgen Zierep, Karl Bühler

2. Eigenschaften von Fluiden

Der molekulare Aufbau und die daraus resultierende Mikrostruktur ist für die makroskopischen Eigenschaften der Strömungsmedien von zentraler Bedeutung. Die Aggregatzustände von Gas, Flüssigkeit und fester Körper werden anhand des molekularen Aufbaues erläutert. Der Widerstand gegen Formänderungen durch Elastizität und Viskosität wird an den Beispielen der festen elastischen Körper und der Fluide aufgezeigt und durch die rheologischen Ersatzmodelle erläutert.Eigenschaften Newtonscher und nicht-Newtonscher Fluide werden über den Zusammenhang zwischen Schubspannung und Deformationsgeschwindigkeit definiert. Das Verhalten der dynamischen und kinematischen Viskosität wird in Abhängigkeit von der Temperatur für Flüssigkeiten und Gase aufgezeigt. Mit der gaskinetischen Erklärung der inneren Reibung wird die kinematische Viskosität auf molekulare Eigenschaften zurückgeführt.Die Zustandsgleichung idealer Gase wird aus der Verbindung des Boyle-Mariotte- mit dem Gay-Lussac-schen Gesetz hergeleitet. Die physikalischen Ursachen der Oberflächen- und Grenzflächenspannung sowie der Kapillarität werden detailliert betrachtet und bei Anwendungsbeispielen erläutert.

Jürgen Zierep, Karl Bühler

3. Hydro- und Aerostatik

Die Hydro- und Aerostatik behandelt die Zustandsgrößen bei fehlender Bewegung. Der Druck p wird durch eine Kräftebilanz für Newtonsche Fluide als skalare Größe nachgewiesen. Der Flüssigkeitsdruck in Kraftfeldern wird mit der hydrostatischen Grundgleichung für das Schwere- und Zentrifugalkraftfeld hergeleitet. In der Atmosphäre liegt ein geschichtetes Medium vor. Die Druck- und Dichteverteilungen werden hergeleitet und für die Troposphäre und Stratosphäre diskutiert.Technisch wichtige Anwendungen werden mit der Berechnung der Druckkraft auf ebene Behälterwände betrachtet. Das hydrostatische Paradoxon wird erläutert. Der Hydrostatische Auftrieb und das damit verbundene Archimedische Prinzip wird hergeleitet und an Beispielen angewandt. Mit einiger Erfahrung können unter Einbeziehung des Archimedischen Prinzips Kräfte auf gekrümmte Oberflächen ermittelt werden. Betrachtungen zur Stabilität schwimmender Körper runden dieses Kapitel ab.

Jürgen Zierep, Karl Bühler

4. Hydro- und Aerodynamik

Die Grundbegriffe der stationärer und instationärer Strömungen werden nach Lagrange für die massen- oder teilchenfesten Betrachtung und Euler für die ortsfeste Betrachtung hergeleitet. Die Stromfadentheorie wird mit den Erhaltungssätzen für Masse, Impuls und Energie betrachtet. Die gasdynamischen Betrachtungen umfassen die Schallgeschwindigkeit, die Strömung in der Lavaldüse und den senkrechten Verdichtungsstoß.Die reibungsfreien, ebenen und räumlichen Strömungen bilden die Grundlage der Potentialtheorie, die an zahlreichen Beispielen ausgeführt wird.Die Strömungen mit Reibung werden mit dem Impulssatz behandelt. Dimensionslose Kennzahlen verdeutlichen den grundsätzlichen Reibungseinfluss beim laminar- turbulenten Umschlag. Die laminar und turbulente Rohrströmung leitet über zu den grundlegenden Eigenschaften turbulenter Strömungen: Prandtlscher Mischungsweg, Reynoldsche scheinbare Schubspannung und Logarithmisches Wandgesetz.Die allgemeine Form der Navier-Stokesschen Gleichungen, die Grenzschichttheorie, der Energiesatz und Ähnlichkeitsbetrachtungen mit der Dimensionsanalyse schließen dieses Kapitel ab.

Jürgen Zierep, Karl Bühler

5. Vertiefende Übungsaufgaben

Vertiefende Übungsaufgaben verdeutlichen quasistationäre und zeitabhängige Strömungen. Reibungsbehaftete Strömungen werden mit mechanischen und energetischen Betrachtungsweisen in Anlagen mit Rohren und Verbindungselementen gelöst. Die Aufgaben umfassen die stationären, quasistationären und zeitabhängige Strömungen. Die turbulente Umströmung der ebenen Platte und das Rayleigh-Stokes Problem werden behandelt. Die kompressiblen Strömungen werden beim Ein- und Ausströmen und anhand der Lavaldüse analysiert. Die Nutzung der Windenergie wird an einer Windenergieanlage und dem Windmesser ausgearbeitet. Der Auftrieb und Widerstand umströmter Körper wird am Beispiel des Fallschirmspringers und bei Flugzeugen beim Start und Reiseflug behandelt. Energetische Aspekte viskoser Potentialströmungen werden am Beispiel der Wirbelströmung im Zylinderspalt analysiert.

Jürgen Zierep, Karl Bühler

Backmatter

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