nach oben

2013 | Buch

Kapitel lesen Erstes Kapitel lesen

Grundzüge der Strömungslehre

Grundlagen, Statik und Dynamik der Fluide

verfasst von: Jürgen Zierep, Karl Bühler

Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden

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

Einloggen, um Zugang zu erhalten

Über dieses Buch

Dieses erfolgreiche, didaktisch ausgereifte Lehrbuch wurde zuletzt fachlich in der Gasdynamik, der Behandlung des Verdichtungsstoßes und bei den verlustbehafteten Strömungen ergänzt. Außerdem wurde der allgemeine Energiesatz aufgenommen. Das Buch zeichnet sich durch eine prägnant kurze, mathematisch verständliche und anwendbare Einführung in die Grundlagen aus und gibt dem Leser Gelegenheit, sein Verständnis durch Übungen zu vertiefen. Die aktuelle Auflage wurde vollständig in sprachlicher Hinsicht überarbeitet und das Sachwortverzeichnis ergänzt.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einleitung, Überblick und Grundlagen

Zusammenfassung

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.

Die historische Entwicklung mit der theoretischen, vorwiegend mathematischen Strömungslehre und der technischen Strömungslehre und der Zusammenführung durch die Grenzschichttheorie von Prandtl im Jahre 1904 wird aufgezeigt.

Jürgen Zierep, Karl Bühler

2. Eigenschaften von Fluiden

Zusammenfassung

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

Zusammenfassung

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

Zusammenfassung

Die Grundbegriffe der stationärer und instationärer Strömungen werden mit den Methoden 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 ausführlich betrachtet. Zahlreiche Beispiele wie Bewegungen auf konzentrischen Kreisbahnen(Wirbel), Wirbelquell- oder Wirbelsenkenströmung, verschiedene Druckbegriffe und deren Messung und Ausströmen aus einem Behälter erläutern die Anwendungen.

Die gasdynamischen Betrachtungen umfassen die Schallgeschwindigkeit, die Strömung in der Lavaldüse und den senkrechten Verdichtungsstoß mit entsprechenden Anwendungen.

Die reibungsfreien, ebenen und räumlichen Strömungen bilden die Grundlage der Potentialtheorie, die an zahlreichen Beispielen mit Anwendungen in der Tragflügeltheorie (D’Alembertsches Paradoxon und Kutta-Joukowskische Abflussbedingung) inklusive der Singularitätenmethode ausgeführt wird.

Die Strömungen mit Reibung umfassen die Themen: Impulssatz mit Anwendungen, Durchströmen eines Krümmers, Düse und Diffusor frei ausblasend, Carnotscher Stoßdiffusor, Borda- Mündung, Schub eines luftatmenden Triebwerks, Widerstand eines Halbkörpers im Kanal sowie Drehimpulssatz mit Anwendungen.

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 und der Energiesatz mit Anwendungen bei Um- und Durchströmungen folgen. Ähnlichkeitsbetrachtungen mit der Dimensionsanalyse schließen dieses Kapitel ab.

Jürgen Zierep, Karl Bühler

5. Vertiefende Übungsaufgaben

Zusammenfassung

Vertiefende Übungsaufgaben verdeutlichen quasistationäre und zeitabhängige Strömungen.

Reibungsbehaftete Strömungen werden mit mechanischen und energetischen Betrachtungsweisen in Anlagen mit Rohren und Verbindungselementen gelöst.

Die Nutzung der Windenergie wird detailliert ausgearbeitet. Der Betz- Faktor wird hergeleitet und die Energiebilanz diskutiert.

Der Reibungsbeiwert bei der Umströmung einer ebenen Platte wird mit dem Impulssatz für die turbulente Grenzschicht ermittelt.

Das Rayleigh-Stokes-Problem für die plötzlich in Gang gesetzte Platte wird energetisch analysiert. Die Leistungen der kinetischen Energie, der Wandschubspannung und der Dissipation werden ermittelt.

Das kompressible Ein- und Ausströmen aus Behältern wird dimensionsanalytisch hergeleitet und die Ergebnisse bezüglich gasdynamischer Versuchsanlagen ausgewertet. Es folgt eine qualitative Diskussion der Lavaldüsenströmung mit zwei engsten Querschnitten.

Der Auftrieb und Widerstand umströmter Körper wird am Beispiel des Fallschirmspringers und bei Flugzeugen beim Start und Reiseflug behandelt.

Jürgen Zierep, Karl Bühler

Backmatter

Titel: Grundzüge der Strömungslehre
verfasst von: Jürgen Zierep
Karl Bühler
Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden
Electronic ISBN: 978-3-658-01606-7
Print ISBN: 978-3-658-01605-0
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-658-01606-7

Premium Partner

Marktübersichten

Die im Laufe eines Jahres in der „adhäsion“ veröffentlichten Marktübersichten helfen Anwendern verschiedenster Branchen, sich einen gezielten Überblick über Lieferantenangebote zu verschaffen.

Zur Marktübersicht