Fluidmechanik

Strömungstechnische Aufgaben kommen in den verschiedensten Bereichen von Naturwissenschaft und Technik vor. Bei den strömenden Medien, allgemein Fluide genannt, kann es sich um Flüssigkeiten, Dämpfe oder Gase handeln. Im Bauwesen bestehen die Hauptanwendungen in der Ermittlung von Wasserkräften auf Unterwasserbauwerke sowie von Windkräften auf Gebäude, in der Erfassung von Strömungsabläufen in wassergefüllten Rohrleitungen, Kanälen, Flüssen (einschließlich der vielfältigen Einbauten, wie z. B. Überfall und Wasserschloß) sowie im Talsperrenbau, in der Beschreibung von Grundwasser- und Sickerströmung sowie von Geschiebebewegungen. Im Maschinenwesen stellen neben einigen bereits beim Bauwesen genannten Anwendungen (Rohrleitungen) die Energieumsetzung, die Vermischung sowie die Wärmeübertragung bei Strömungsmaschinen (Pumpe, Verdichter, Turbine, Verbrennungsmotor) die Hauptanwendungen dar. Neben der Lüftungs- und Klimatechnik gehören auch die hydraulischen Getriebe, die Lagerschmierung sowie die fluidmechanischen Steuerelemente (Fluidiks) hierzu. Im Verkehrswesen sind Fragen der Umströmung bei Land-, Wasser- und insbesondere Luftfahrzeugen von großer Bedeutung. In der Verfahrenstechnik (Chemie-Ingenieurwesen) sind die strömungstechnischen Probleme besonders verwickelt, da es sich hierbei im allgemeinen um das Zusammenwirken mehrerer Aggregatzustände (fest, flüssig, dampf- und gasförmig) handelt. Flüssigkeits- und Gasströmungen sind oft Träger von Fremdstoffen (schmutzige Strömung, Staubbewegung).

In Kap. 1 wurden einige grundlegende Erkenntnisse der Fluidmechanik besprochen. Dabei handelt es sich in Kap. 1.2 um die physikalischen Eigenschaften und Stoffgrößen der Fluide und in Kap. 1.3 um das physikalische Verhalten von Strömungsvorgängen. Aufgabe dieses Kapitels soll es sein, die Grundgesetze der Mechanik ruhender und bewegter Fluide abzuleiten. Diese bestehen im wesentlichen aus den Bilanzgleichungen für die Masse, den Impuls, die Energie und die Entropie. Zur Ableitung und Anwendung der Grundgesetze der Fluid- und Thermofluidmechanik wird auf die Bibliographie in Band 2, insbesondere Abschnitt A Grundlagen der Fluidmechanik, hingewiesen.

Nachdem in den Kapiteln 1 und 2 über die Grundlagen und Grundgesetze der Fluidmechanik ausführlich berichtet wurde, mögen jetzt die Anwendungen im Vordergrund stehen. Hierbei sollen einfach zu übersehende elementare Strömungsvorgänge behandelt werden. Während sich in diesem Kapitel die Untersuchungen zunächst auf ein dichtebeständiges Fluid beschränken, erfolgt die Erweiterung auf ein dichteveränderliches Fluid (Flüssigkeit) im anschließenden Kapitel.¹ Zunächst beschreibt Kap. 3.2 das dichtebeständige Fluid im Ruhezustand (Hydrostatik) als Grenzfall einer Strömung mit verschwindender Geschwindigkeit. Sodann wird in Kap. 3.3 die eindimensionale Strömung eines reibungslosen Fluids, d. h. die Stromfadentheorie, besprochen. Anschließend befassen sich Kap. 3.4 und 3.5 mit quasi-eindimensionalen Strömungen eines reibungsbehafteten Fluids, wie sie bei der Rohr- und Gerinne Strömung auftreten. Abschließend werden in Kap. 3.6 einfache mehrdimensionale Vorgänge sowohl bei reibungsloser als auch bei reibungsbehafteter Strömung behandelt.