Description
Book SynopsisStrömungsmechanik Hier strömt das Wissen
Von Archimedes bis Überschall die Strömungsmechanik begreifen
Ob es Ihnen gefällt oder nicht, für einen Ingenieur gehört die Strömungsmechanik einfach dazu. Peter Hakenesch erklärt Ihnen von der Pike auf, was Sie zu diesem Thema wissen müssen. Er beginnt mit den Begriffsdefinitionen und Klassifizierungen, erläutert Hydrostatik, Aerostatik und vieles mehr. Sie erfahren das Wichtigste zur Strömung von Fluiden und zum Einfluss der Reibung. Zum Schluss widmet sich der Autor noch Impuls und Drall wie auch den kompressiblen Strömungen. So ist dieses Buch Ihr freundlicher Begleiter bei Ihren ersten Schritten in den Fluss der Strömungsmechanik.
Table of ContentsEinleitung 21
Über dieses Buch 21
Konventionen in diesem Buch 21
Wie dieses Buch strukturiert ist 21
Teil I: Methodik, Werkzeuge und Klassifizierung von Strömungen 21
Teil II: Hydrostatik 21
Teil III: Aerostatik 22
Teil IV: Strömung von Fluiden – es kommtBewegung ins System 22
Teil V: Impuls und Drall in Strömungen 22
Teil VI: Kompressible Strömungen – vergessen Sie (fast) alles bis dato Gelernte 22
Teil VII: Top-Ten-Teil 23
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 gehtesdenn 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 demPrinzip 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 Kraft F 110
Lage des Kraftangriffspunktes d 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 niedrigzuhalten 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 Simulationsproblematikoder 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 derFormgebung 247
Entstehung des Druckwiderstands 247
Verringerung des Druckwiderstands oder warumder 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 derRauheit 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 zurLösung 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 desstarren Körpers 282
Analogie zwischen Impuls und Drehimpuls 283
Drehimpulserhaltung 285
Einfluss derDrehimpulserhaltung bei Wetterphänomenen – Tornado 287
Anwendung desDrallsatzes 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
