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2013 | Buch

Einleitung und Grundlagen Kapitel lesen Erstes Kapitel lesen

Fluidmechanik

Einführendes Lehrbuch

verfasst von: Peter von Böckh, Christian Saumweber

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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Über dieses Buch

Dieses Lehrbuch liegt jetzt in der 3. Auflage vor. Es behandelt u.a.

- die wichtige Berechnung des Druckverlustes bei der Strömung von Flüssigkeits-/Gasgemischen in Rohren

- die kritische Strömung von Gasen und Flüssigkeits-/Gasgemischen

- die Strömung kompressibler Fluide mit hoher Geschwindigkeit (Fanno-Linie)

- Reibungsdruckverluste in quer angeströmten Rohrbündeln

- Grundlagen der numerischen Lösungsmethoden

- Strömungsmesstechnik und Fehlerrechnung

- in Mathcad erstellte Beispiele, die im Internet abgerufen werden können.

Die Studierenden lernen, mit Hilfe des Buches anspruchsvolle Apparate, wie z.B. Raketenbrennkammer, Verdampfer oder Kondensatoren für Wärmepumpen, selbständig auszulegen.

Der Aufbau des Buches zeichnet sich durch eine praxisnahe, klar strukturierte und systematische Darstellung aus. Zahlreiche durchgerechnete Beispiele erleichtern das Verständnis.

Die Zielgruppen

Studierende des Maschinenbaus und der Verfahrenstechnik an Universitäten und Fachhochschulen

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
1. Einleitung und Grundlagen
Zusammenfassung
Dieses Kapitel vermittelt grundlegende Konzepte und Begriffe der Fluidmechanik für Maschinenbau- und Verfahrensingenieure. Die Anwendung des Systembegriffs, welcher aus der Thermodynamik stammt, wird in der Strömungslehre eingeführt. Am Schluss des Kapitels wird die Methodik zur Behandlung von Problemen, die in diesem Buch eingesetzt wird, besprochen.
Peter von Böckh, Christian Saumweber
2. Ruhende Fluide
Zusammenfassung
Dieses Kapitel behandelt die Gesetze ruhender Fluide. Zwei Beispiele demonstrieren die Ausbildung freier Oberflächen durch Krafteinwirkung. Das Druckfortpflanzungsgesetz in Fluiden wird bei hydraulischen Pressen, kommunizierenden Gefäßen und Flüssigkeitsmanometern angewendet. Die Druckverteilung und Eigenschaften der Erdatmosphäre werden für den technisch relevanten Bereich mit verschiedenen Modellen berechnet. Der Auftrieb und das Schwimmverhalten von Körpern wird diskutiert.
Peter von Böckh, Christian Saumweber
3. Bewegte Fluide
Zusammenfassung
Im Gegensatz zur Hydrostatik, die ruhende Fluide behandelt, werden hier bewegte Fluide besprochen und die zu ihrer Behandlung benötigten Grundbegriffe eingeführt. Wir behandeln den Massenerhaltungssatz bei Strömungsvorgängen (Kontinuitätsgleichung). Zur Sichtbarmachung von Strömungsvorgängen und verschiedenen Strömungsformen werden Methoden aufgezeigt. Die Anwendung des Kontrollraums, der in den nachfolgenden Kapiteln zur Behandlung der Impuls und Energieerhaltung von Wichtigkeit ist, wird demonstriert.
Peter von Böckh, Christian Saumweber
4. Energieerhaltungssatz
Zusammenfassung
In diesem Kapitel wird zunächst der allgemeine Energieerhaltungssatz formuliert und auf die inkompressiblen reibungsfreien Strömungen angewendet, woraus dann die Bernoulli-Gleichung resultiert. Ihre Anwendung wird bei verschiedenen Problemen demonstriert. Die hier hergeleiteten Ergebnisse für ideale Fluide werden als Vergleichsgrößen bei reibungsbehafteten Strömungen in Kap. 6 verwendet.
Peter von Böckh, Christian Saumweber
5. Impulssatz
Zusammenfassung
In diesem Kapitel wird zunächst der allgemeine Impulssatz formuliert, der die Grundlagen für die Beziehungen liefert, die später die Berechnung von Triebwerken und Strömungsmaschinen ermöglichen. Der Impulssatz erlaubt auf einfache Weise die Bestimmung der Strömungskräfte durch die Analyse des Strömungszustands an den Ein- und Austritten eines Systems. An Beispielen mit inkompressiblen Fluiden wird der Impulssatz veranschaulicht. Die spezielle Anwendung auf rotationssymmetrische Körper liefert den Drallsatz und die Euler’sche Strömungsmaschinenhauptgleichung.
Peter von Böckh, Christian Saumweber
6. Reibungsdruckverlust inkompressibler Fluide in Rohren
Zusammenfassung
Dieses Kapitel behandelt die Ähnlichkeitsgesetze und Kriterien für Modellversuche. Die Strömungsbereiche bestimmt man mit der Reynolds- und Froudezahl. Bei reibungsbehafteter Strömung inkompressibler Fluide wird die Energiebilanzgleichung aufgestellt. Für den Reibungsdruckverlust bei laminarer und turbulenter Strömung in glatten und rauen geraden Rohrleitungen kreisförmigen Querschnitts werden Gleichungen hergeleitet und angewendet. Die Berechnung der Rohrreibungskoeffizienten wird auf gerade Leitungen nicht kreisförmiger Querschnitte erweitert.
Peter von Böckh, Christian Saumweber
7. Druckverlust in Rohrleitungselementen
Zusammenfassung
Reibungsdruckverluste in Rohrleitungssystemen können mit den Grundlagen aus Kap. 6 nicht berechnet werden, weil außer geraden Rohren viele Rohrleitungselemente wie Rohrbögen, Ventile, Siebe etc. vorhanden sind. Hier werden die Widerstandszahlen der gebräuchlichsten Komponenten angegeben und die Anwendung an Beispielen demonstriert. Quellen werden aufgezeigt, in denen Widerstandszahlen gesammelt sind.
Peter von Böckh, Christian Saumweber
8. Strömung kompressibler Fluide
Zusammenfassung
Bei kompressiblen Fluiden muss die Druckabhängigkeit der Dichte berücksichtigt werden. Die Gesetzmäßigkeiten für Druckverlust, Ausströmvorgänge und Anströmung von Körpern verändern sich. Kompressibiltätseffekte können bei der Berechnung von Gas- und Dampfturbinen und bei Sicherheitsproblemen von Druckbehältern eine maßgebliche Rolle spielen.
Peter von Böckh, Christian Saumweber
9. Strömung von Gas-Flüssigkeitsgemischen
Zusammenfassung
In technischen Apparaten, in denen Verdampfung oder Kondensation stattfindet, strömen Dampf und Flüssigkeit gemeinsam in einer Leitung. Man spricht bei diesen Strömungen von Zweiphasenströmung. Für die Auslegung von Apparaten oder ganzer Anlagen ist die Berechnung des Druckverlustes und der Druckänderung wichtig. Erst in den 70er Jahren erfolgte die systematische Erforschung der Strömungsvorgänge in der Zweiphasenströmung.
Die Parameter, die zur Bestimmung des Reibungsdruckverlustes notwendig sind, erhöhen sich wesentlich gegenüber einer Strömung, in der nur ein Fluid als Gas oder Flüssigkeit strömt. Die Stoffwerte verdoppeln sich und als zusätzliche Parameter kommen die Oberflächenspannung, der Massen- und Volumenanteil des Dampfes und das Verhältnis der Geschwindigkeiten beider Phasen dazu. Wenn also aus Messungen die Gesetzmäßigkeit des Druckverlustes bestimmt werden soll, sind im Vergleich zur einphasigen Strömung wesentlich mehr Messungen notwendig. Modellvorstellungen ermöglichten, Gesetzmäßigkeiten so herzuleiten, dass diese mit einem vernünftigen Messaufwand zu bewerkstelligen waren. Nachfolgende Gesetzmäßigkeiten gelten nicht nur für Dampf-Kondensatströmungen, sondern auch allgemein für Gas-Flüssigkeitsströmungen wie z. B. Wasser-Luftströmung.
Peter von Böckh, Christian Saumweber
10. Umströmte Körper
Zusammenfassung
Bei der Strömung von Fluiden durch Rohre, Kanäle und Gerinnen berechnet und misst man Druckänderungen. Bei umströmten Körpern interessieren die Kräfte, die vom strömenden Fluid auf den Körper ausgeübt werden. Die in den folgenden Abschnitten angegebene Geschwindigkeit ist immer die relative Geschwindigkeit des Fluids zum Körper. Je nach Form des Körpers wirken die von der Strömung des Fluids erzeugten Kräfte nur in Richtung der Geschwindigkeit oder sie haben andere Komponenten. An den Tragflügeln eines Flugzeugs wirken zum Beispiel die Widerstandskraft in Richtung Fluggeschwindigkeit und senkrecht dazu die Auftriebskraft.
Die Kraft, die in Richtung der Geschwindigkeit wirkt, heißt Widerstandskraft (drag) oder Flächenwiderstandskraft. Jene, die gegen die Erdanziehung wirkt, Auftriebskraft (lift) und die, welche senkrecht zur Geschwindigkeit und zur Erdbeschleunigung wirkt, Seitenwiderstandskraft.
Peter von Böckh, Christian Saumweber
11. Einführung in numerische Lösungsmethoden
Zusammenfassung
Bei der Behandlung fluidmechanischer Probleme kommen zunehmend Simulationsprogramme zum Einsatz, um die Strömungen detailliert zu analysieren. Das dahinter stehende Arbeitsfeld, die CFD (Computational Fluid Dynamics), hat sich in den letzten Jahrzehnten zu einem eigenen Teilgebiet der Fluidmechanik weiterentwickelt. Es bezieht seine zunehmende Bedeutung insbesondere in der industriellen Praxis aus den drei nachfolgend genannten Vorteilen:
  • CFD-Simulationen liefern oftmals schneller Ergebnisse als experimentelle Untersuchungen
  • CFD-Simulationen sind häufig kostengünstiger als experimentelle Untersuchungen
  • CFD-Simulationen liefern Informationen zu Strömungs- und Temperaturfeldern in einem Umfang und einer Detaillierung, welche den aus Experimenten gewonnenen Datensätzen weit überlegen sind.
Peter von Böckh, Christian Saumweber
12. Strömungsmesstechnik
Zusammenfassung
Für wissenschaftliche Untersuchungen von Strömungen oder zur Regelung und Kontrolle strömungstechnischer Prozesse werden Messungen benötigt. Bei der Beurteilung einer Strömung sind Druck-, Geschwindigkeits- und Dichteverteilung in der zu untersuchenden Strömung maßgebend. Druck und Geschwindigkeit können direkt gemessen werden. Zur Bestimmung der Dichte werden üblicherweise Temperatur und Druck gemessen, die Dichte dann aus der Zustandsgleichung des Fluids ermittelt. Bei der Strömung in Leitungen benötigt man oft nur die mittlere Geschwindigkeit des Fluids, die aus der Messung des Massen- oder Volumenstroms berechnet werden kann. Zur Herleitung der Gesetzmäßigkeiten wird auch noch die Viskosität des Fluids gebraucht. Diese kann aber nicht direkt in der Strömung gemessen, sondern wie die Dichte des Fluids aus der Druck- und Temperaturmessung berechnet werden. Ferner wird der Strömungsmesstechnik auch die Messung des Füllstandes (Flüssigkeitsniveau) zugeordnet.
Hier werden die Druck-, Temperatur-, Geschwindigkeits-, Volumenstrom-, Massenstrom- und Füllstandshöhenmessungen behandelt.
Peter von Böckh, Christian Saumweber
Backmatter
Metadaten
Titel
Fluidmechanik
verfasst von
Peter von Böckh
Christian Saumweber
Copyright-Jahr
2013
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-642-33892-2
Print ISBN
978-3-642-33891-5
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-642-33892-2

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