Strömungsmechanik:
Gespeichert in:
| 1. Verfasser: | |
|---|---|
| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
München [u.a.]
Pearson Education
2007
|
| Schriftenreihe: | Pearson Studium - Maschinenbau
|
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | 300 S. Ill., graph. Darst. |
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HENDRIK C. KUHLMANN
STROEMUNGSMECHANIK
EIN IMPRINTVON PEARSON EDUCATION MUENCHEN * BOSTON * SAN FRANCISCO *
HARLOW, ENGLAND DON MILLS, ONTARIO * SYDNEY * MEXICO CITY MADRID *
AMSTERDAM
IMAGE 2
INHALTSVERZEICHNIS
VORWORT 9
KAPITEL 1 EINLEITUNG 11
1.1 MOTIVATION 12
1.2 GRUNDLEGENDE CHARAKTERISTIKA VON FLUIDEN 17
1.2.1 DAS KONTINUUM UND SEINE GRENZE 18
1.2.2 VISKOSITAET 19
1.2.3 KOMPRESSIBILITAET 21
1.2.4 GRENZFLAECHENSPANNUNG 22
1.2.5 NICHTLINEARE DYNAMIK 23
ZUSAMMENFASSUNG 25
KAPITEL 2 HYDROSTATIK 27
2.1 GLEICHGEWICHTSBEDINGUNG 28
2.2 KONSTANTE DICHTE 29
2.2.1 KOMMUNIZIERENDE GEFAESSE 30
2.2.2 HYDROSTATISCHE DRUCKKRAEFTE 33
2.3 VARIABLE DICHTE 38
2.3.1 IDEALES GAS 38
2.3.2 RUHENDE ATMOSPHAERE 39
2.4 KAPILLARITAET 42
2.4.1 LAPLACE-DRUCK 43
2.4.2 KONTAKTWINKEL 45
2.4.3 STEIGHOEHE IN KAPILLAREN 46
2.4.4 AUSBLICK AUF DIE KAPILLARE DYNAMIK 48
ZUSAMMENFASSUNG 52
AUFGABEN 53
KAPITEL 3 HYDRODYNAMISCHE GRUNDLAGEN 57
3.1 KINEMATIK 58
3.1.1 SUBSTANTIELLE ABLEITUNG 59
3.1.2 LINIEN IN EINEM STROEMENDEN FLUID 61
3.1.3 VISUALISIERUNG UND MESSUNG DER BEWEGUNG EINES FLUIDS 63
3.1.4 LOKALE DEFORMATION EINES FLUIDS 65
3.2 REYNOLDS TRANSPORT-THEOREM 69
3.3 ERHALTUNGSGLEICHUNGEN FUER REIBUNGSFREIE FLUIDE 71
3.3.1 MASSENERHALTUNG 71
3.3.2 IMPULSERHALTUNG 72
IMAGE 3
INHALTSVERZEICHNIS
3.3.3 DRALLERHALTUNG 73
3.3.4 ERHALTUNG DER GESAMTENERGIE 74
3.3.5 THERMODYNAMISCHE ENERGIE 75
3.4 BEMERKUNGEN ZUR EULER-GLEICHUNG 75
ZUSAMMENFASSUNG 77
AUFGABEN 78
KAPITEL 4 BEWEGUNG ENTLANG VON STROMFAEDEN UND STROMLINIEN 81
4.1 STROMFADENTHEORIE 82
4.1.1 MASSENERHALTUNG FUER EINEN STATIONAEREN STROMFADEN 82
4.1.2 IMPULSERHALTUNG BEI DER ROHRSTROEMUNG 83
4.1.3 ENERGIEERHALTUNG ENTLANG EINES STROMFADENS 84
4.2 INTEGRATION LAENGS U ND SENKRECHT ZU STROMLINIEN 85
4.2.1 BERNOULLI-GLEICHUNG 85
4.2.2 BEMERKUNGEN ZUR BERNOULLI-GLEICHUNG 87
4.2.3 IMPULSBILANZ SENKRECHT ZUR STROMLINIE 89
4.3 ANWENDUNGEN DER BERNOULLI-GLEICHUNG 90
4.3.1 BERNOULLI-KONSTANTE FUER EINE HOMOGENE ANSTROEMUNG 90
4.3.2 STROEMUNG LAENGS EINER FESTEN WAND 91
4.3.3 VENTURI-ROHR 92
4.3.4 PRANDTLSCHES STAUROHR 93
4.3.5 VERLUSTLOSES AUSSTROEMEN AUS EINEM BEHAELTER 95
4.4 ENERGIESATZ FUER KOMPRESSIBLE STROEMUNGEN 99
4.4.1 THERMODYNAMISCHE GROESSEN IM STAUPUNKT 99
4.4.2 WAERMEZUFUHR BEI KONSTANTEM DRUCK 100
4.5 ANWENDUNG DES IMPULSSATZES 101
4.5.1 STRAHLIMPULS 101
4.5.2 STRAHLABLENKUNG AN EINER SCHNEIDE 102
4.5.3 PELTON-SCHAUFELRAD 103
4.5.4 SCHUB UND LEISTUNG EINES STRAHLS 105
4.5.5 PROPELLER UND WINDTURBINE 108
4.5.6 TURBINEN U ND PUMPEN 112
ZUSAMMENFASSUNG 118
AUFGABEN 119
KAPITEL 5 STROEMUNGEN MIT UND OHNE VORTIZITAET 125
5.1 DIE STROMFUNKTION 127
5.2 WIRBELDYNAMISCHE GRUNDLAGEN 128
5.2.1 VORTIZITAET 128
5.2.2 HELMHOLTZ-GLEICHUNG 129
5.2.3 HELMHOLTZSCHE WIRBELSAETZE 131
5.2.4 ZIRKULATIONSTHEOREM VON KELVIN 131
6
IMAGE 4
INHALTSVERZEICHNIS
5.3 POTENTIALSTROEMUNGEN 132
5.3.1 CAUCHY-RIEMANNSCHE DIFFERENTIALGLEICHUNGEN 133
5.3.2 KOMPLEXE DARSTELLUNG VON POTENTIALSTROEMUNGEN 135
5.4 EBENE WIRBELSTROEMUNGEN 137
5.4.1 FESTKOERPERROTATION 137
5.4.2 POTENTIALWIRBEL 137
5.4.3 RANKINE-WIRBEL 138
5.4.4 EBENE SENKENSTROEMUNG 140
5.4.5 WIRBELSENKENSTROEMUNG 140
5.4.6 ABFLUSSWIRBEL 141
5.5 OBERFLAECHENWELLEN 142
5.5.1 SCHWEREWELLEN 143
5.5.2 EINFLUSS VON OBERFLAECHENSPANNUNG UND TIEFE 147
5.5.3 FLACHWASSERWELLEN 148
ZUSAMMENFASSUNG 152
AUFGABEN 154
KAPITEL 6 KOMPRESSIBLE, REIBUNGSFREIE STROEMUNGEN 157
6.1 SCHALLAUSBREITUNG 158
6.1.1 WELLENGLEICHUNG UND SCHALLGESCHWINDIGKEIT 158
6.1.2 MACHSCHER KEGEL 161
6.2 VERDICHTUNGSSTOSS 162
6.2.1 VERDICHTUNGSWELLE 162
6.2.2 STATIONAERER, SENKRECHTER VERDICHTUNGSSTOSS 164
6.2.3 THERMODYNAINISCHES ARGUMENT GEGEN EINEN VERDUENNUNGSSTOSS .. 167
6.2.4 INSTATIONAERER STOSS 169
6.2.5 SCHWACHER STOSS 171
6.2.6 SCHRAEGER VERDICHTUNGSSTOSS 171
6.3 STATIONAERER, KOMPRESSIBLER STROMFADEN 175
6.3.1 INFINITESIMALE VARIATIONEN 175
6.3.2 GESCHWINDIGKEIT ENTLANG EINES KOMPRESSIBLEN STROMFADENS 177
6.3.3 ZUSTANDSGROESSEN UND KRITISCHE WERTE 179
6.3.4 KOMPRESSIBLE STROEMUNG DURCH DUESEN 183
ZUSAMMENFASSUNG 191
AUFGABEN 193
KAPITEL 7 VISKOSE STROEMUNGEN 195
7.1 GRUNDGLEICHUNGEN 196
7.1.1 SPANNUNGSTENSOR 196
7.1.2 NAVIER-STOKES-GLEICHUNG 199
7.1.3 WAERMETRANSPORTGLEICHUNG 201
7.1.4 MECHANISCHE AEHNLICHKEIT 201
7.1.5 DIMENSIONSANALYSE 204
IMAGE 5
INHALTSVERZEICHNIS
7.2 SCHLEICHENDE STROEMUNGEN 208
7.2.1 ECKENSTROEMUNGEN 209
7.2.2 DUENNE FILME 209
7.3 ROHRSTROEMUNG 211
7.3.1 LAMINARE, INKOMPRESSIBLE ROHRSTROEMUNG 212
7.3.2 ROHRHYDRAULIK 214
7.4 LAMINARE GRENZSCHICHT 216
7.4.1 GRENZSCHICHTGLEICHUNGEN 217
7.4.2 BLASIUS-PROFIL 220
7.4.3 ABLOESUNG DER GRENZSCHICHT 226
7.5 TURBULENTE STROEMUNGEN 228
7.5.1 UEBERGANG ZUR TURBULENZ 229
7.5.2 GLEICHUNGEN FUER TURBULENTE STROEMUNGEN 232
7.5.3 WIRBELVISKOSITAET 234
7.5.4 PRANDTLSCHER MISCHUNGSWEG 234
7.5.5 MITTLERE GESCHWINDIGKEIT IN WANDNAEHE 236
7.5.6 TURBULENTE GRENZSCHICHT EINER EBENEN PLATTE 239
7.5.7 WANDRAUHIGKEIT 243
7.5.8 TURBULENTE INKOMPRESSIBLE ROHRSTROEMUNG 245
7.6 KRAFTWIRKUNG AUF KOERPER 249
7.6.1 DURCHSTROEMUNG VON ROHRLEITUNGEN 249
7.6.2 UMSTROEMUNG VON KOERPERN 254
7.6.3 KUTTA-JOUKOWSKI-FORMEL 256
ZUSAMMENFASSUNG 264
AUFGABEN 266
ANHANG A KLEINES MATHEMATISCHES REPETITORIUM 271
A.L PRODUKTE MIT VEKTOREN 271
A.2 VEKTORIELLE ABLEITUNGEN 273
A.3 FUNDAMENTALSATZ DER VEKTORANALYSIS 274
A.4 FORMELN FUER VOLUMEN- UND FLAECHENINTEGRALE 275
A.5 TAYLOR-ENTWICKLUNG 275
ANHANG B OPERATOREN UND NAVIER-STOKES-GLEICHUNG
IN ZYLINDERKOORDINATEN 277
ANHANG C AUSBREITUNG EINES SENKRECHTEN VERDICHTUNGSSTOSSES 281
ANHANG D DRUCKVERTEILUNG IN EINER LAVAL-DUESE 283
LITERATURVERZEICHNIS 287
SACHREGISTER 291
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IMAGE 1
HENDRIK C. KUHLMANN
STROEMUNGSMECHANIK
EIN IMPRINTVON PEARSON EDUCATION MUENCHEN * BOSTON * SAN FRANCISCO *
HARLOW, ENGLAND DON MILLS, ONTARIO * SYDNEY * MEXICO CITY MADRID *
AMSTERDAM
IMAGE 2
INHALTSVERZEICHNIS
VORWORT 9
KAPITEL 1 EINLEITUNG 11
1.1 MOTIVATION 12
1.2 GRUNDLEGENDE CHARAKTERISTIKA VON FLUIDEN 17
1.2.1 DAS KONTINUUM UND SEINE GRENZE 18
1.2.2 VISKOSITAET 19
1.2.3 KOMPRESSIBILITAET 21
1.2.4 GRENZFLAECHENSPANNUNG 22
1.2.5 NICHTLINEARE DYNAMIK 23
ZUSAMMENFASSUNG 25
KAPITEL 2 HYDROSTATIK 27
2.1 GLEICHGEWICHTSBEDINGUNG 28
2.2 KONSTANTE DICHTE 29
2.2.1 KOMMUNIZIERENDE GEFAESSE 30
2.2.2 HYDROSTATISCHE DRUCKKRAEFTE 33
2.3 VARIABLE DICHTE 38
2.3.1 IDEALES GAS 38
2.3.2 RUHENDE ATMOSPHAERE 39
2.4 KAPILLARITAET 42
2.4.1 LAPLACE-DRUCK 43
2.4.2 KONTAKTWINKEL 45
2.4.3 STEIGHOEHE IN KAPILLAREN 46
2.4.4 AUSBLICK AUF DIE KAPILLARE DYNAMIK 48
ZUSAMMENFASSUNG 52
AUFGABEN 53
KAPITEL 3 HYDRODYNAMISCHE GRUNDLAGEN 57
3.1 KINEMATIK 58
3.1.1 SUBSTANTIELLE ABLEITUNG 59
3.1.2 LINIEN IN EINEM STROEMENDEN FLUID 61
3.1.3 VISUALISIERUNG UND MESSUNG DER BEWEGUNG EINES FLUIDS 63
3.1.4 LOKALE DEFORMATION EINES FLUIDS 65
3.2 REYNOLDS' TRANSPORT-THEOREM 69
3.3 ERHALTUNGSGLEICHUNGEN FUER REIBUNGSFREIE FLUIDE 71
3.3.1 MASSENERHALTUNG 71
3.3.2 IMPULSERHALTUNG 72
IMAGE 3
INHALTSVERZEICHNIS
3.3.3 DRALLERHALTUNG 73
3.3.4 ERHALTUNG DER GESAMTENERGIE 74
3.3.5 THERMODYNAMISCHE ENERGIE 75
3.4 BEMERKUNGEN ZUR EULER-GLEICHUNG 75
ZUSAMMENFASSUNG 77
AUFGABEN 78
KAPITEL 4 BEWEGUNG ENTLANG VON STROMFAEDEN UND STROMLINIEN 81
4.1 STROMFADENTHEORIE 82
4.1.1 MASSENERHALTUNG FUER EINEN STATIONAEREN STROMFADEN 82
4.1.2 IMPULSERHALTUNG BEI DER ROHRSTROEMUNG 83
4.1.3 ENERGIEERHALTUNG ENTLANG EINES STROMFADENS 84
4.2 INTEGRATION LAENGS U ND SENKRECHT ZU STROMLINIEN 85
4.2.1 BERNOULLI-GLEICHUNG 85
4.2.2 BEMERKUNGEN ZUR BERNOULLI-GLEICHUNG 87
4.2.3 IMPULSBILANZ SENKRECHT ZUR STROMLINIE 89
4.3 ANWENDUNGEN DER BERNOULLI-GLEICHUNG 90
4.3.1 BERNOULLI-KONSTANTE FUER EINE HOMOGENE ANSTROEMUNG 90
4.3.2 STROEMUNG LAENGS EINER FESTEN WAND 91
4.3.3 VENTURI-ROHR 92
4.3.4 PRANDTLSCHES STAUROHR 93
4.3.5 VERLUSTLOSES AUSSTROEMEN AUS EINEM BEHAELTER 95
4.4 ENERGIESATZ FUER KOMPRESSIBLE STROEMUNGEN 99
4.4.1 THERMODYNAMISCHE GROESSEN IM STAUPUNKT 99
4.4.2 WAERMEZUFUHR BEI KONSTANTEM DRUCK 100
4.5 ANWENDUNG DES IMPULSSATZES 101
4.5.1 STRAHLIMPULS 101
4.5.2 STRAHLABLENKUNG AN EINER SCHNEIDE 102
4.5.3 PELTON-SCHAUFELRAD 103
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4.5.5 PROPELLER UND WINDTURBINE 108
4.5.6 TURBINEN U ND PUMPEN 112
ZUSAMMENFASSUNG 118
AUFGABEN 119
KAPITEL 5 STROEMUNGEN MIT UND OHNE VORTIZITAET 125
5.1 DIE STROMFUNKTION 127
5.2 WIRBELDYNAMISCHE GRUNDLAGEN 128
5.2.1 VORTIZITAET 128
5.2.2 HELMHOLTZ-GLEICHUNG 129
5.2.3 HELMHOLTZSCHE WIRBELSAETZE 131
5.2.4 ZIRKULATIONSTHEOREM VON KELVIN 131
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IMAGE 4
INHALTSVERZEICHNIS
5.3 POTENTIALSTROEMUNGEN 132
5.3.1 CAUCHY-RIEMANNSCHE DIFFERENTIALGLEICHUNGEN 133
5.3.2 KOMPLEXE DARSTELLUNG VON POTENTIALSTROEMUNGEN 135
5.4 EBENE WIRBELSTROEMUNGEN 137
5.4.1 FESTKOERPERROTATION 137
5.4.2 POTENTIALWIRBEL 137
5.4.3 RANKINE-WIRBEL 138
5.4.4 EBENE SENKENSTROEMUNG 140
5.4.5 WIRBELSENKENSTROEMUNG 140
5.4.6 ABFLUSSWIRBEL 141
5.5 OBERFLAECHENWELLEN 142
5.5.1 SCHWEREWELLEN 143
5.5.2 EINFLUSS VON OBERFLAECHENSPANNUNG UND TIEFE 147
5.5.3 FLACHWASSERWELLEN 148
ZUSAMMENFASSUNG 152
AUFGABEN 154
KAPITEL 6 KOMPRESSIBLE, REIBUNGSFREIE STROEMUNGEN 157
6.1 SCHALLAUSBREITUNG 158
6.1.1 WELLENGLEICHUNG UND SCHALLGESCHWINDIGKEIT 158
6.1.2 MACHSCHER KEGEL 161
6.2 VERDICHTUNGSSTOSS 162
6.2.1 VERDICHTUNGSWELLE 162
6.2.2 STATIONAERER, SENKRECHTER VERDICHTUNGSSTOSS 164
6.2.3 THERMODYNAINISCHES ARGUMENT GEGEN EINEN VERDUENNUNGSSTOSS . 167
6.2.4 INSTATIONAERER STOSS 169
6.2.5 SCHWACHER STOSS 171
6.2.6 SCHRAEGER VERDICHTUNGSSTOSS 171
6.3 STATIONAERER, KOMPRESSIBLER STROMFADEN 175
6.3.1 INFINITESIMALE VARIATIONEN 175
6.3.2 GESCHWINDIGKEIT ENTLANG EINES KOMPRESSIBLEN STROMFADENS 177
6.3.3 ZUSTANDSGROESSEN UND KRITISCHE WERTE 179
6.3.4 KOMPRESSIBLE STROEMUNG DURCH DUESEN 183
ZUSAMMENFASSUNG 191
AUFGABEN 193
KAPITEL 7 VISKOSE STROEMUNGEN 195
7.1 GRUNDGLEICHUNGEN 196
7.1.1 SPANNUNGSTENSOR 196
7.1.2 NAVIER-STOKES-GLEICHUNG 199
7.1.3 WAERMETRANSPORTGLEICHUNG 201
7.1.4 MECHANISCHE AEHNLICHKEIT 201
7.1.5 DIMENSIONSANALYSE 204
IMAGE 5
INHALTSVERZEICHNIS
7.2 SCHLEICHENDE STROEMUNGEN 208
7.2.1 ECKENSTROEMUNGEN 209
7.2.2 DUENNE FILME 209
7.3 ROHRSTROEMUNG 211
7.3.1 LAMINARE, INKOMPRESSIBLE ROHRSTROEMUNG 212
7.3.2 ROHRHYDRAULIK 214
7.4 LAMINARE GRENZSCHICHT 216
7.4.1 GRENZSCHICHTGLEICHUNGEN 217
7.4.2 BLASIUS-PROFIL 220
7.4.3 ABLOESUNG DER GRENZSCHICHT 226
7.5 TURBULENTE STROEMUNGEN 228
7.5.1 UEBERGANG ZUR TURBULENZ 229
7.5.2 GLEICHUNGEN FUER TURBULENTE STROEMUNGEN 232
7.5.3 WIRBELVISKOSITAET 234
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7.5.5 MITTLERE GESCHWINDIGKEIT IN WANDNAEHE 236
7.5.6 TURBULENTE GRENZSCHICHT EINER EBENEN PLATTE 239
7.5.7 WANDRAUHIGKEIT 243
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7.6 KRAFTWIRKUNG AUF KOERPER 249
7.6.1 DURCHSTROEMUNG VON ROHRLEITUNGEN 249
7.6.2 UMSTROEMUNG VON KOERPERN 254
7.6.3 KUTTA-JOUKOWSKI-FORMEL 256
ZUSAMMENFASSUNG 264
AUFGABEN 266
ANHANG A KLEINES MATHEMATISCHES REPETITORIUM 271
A.L PRODUKTE MIT VEKTOREN 271
A.2 VEKTORIELLE ABLEITUNGEN 273
A.3 FUNDAMENTALSATZ DER VEKTORANALYSIS 274
A.4 FORMELN FUER VOLUMEN- UND FLAECHENINTEGRALE 275
A.5 TAYLOR-ENTWICKLUNG 275
ANHANG B OPERATOREN UND NAVIER-STOKES-GLEICHUNG
IN ZYLINDERKOORDINATEN 277
ANHANG C AUSBREITUNG EINES SENKRECHTEN VERDICHTUNGSSTOSSES 281
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LITERATURVERZEICHNIS 287
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Inhaltsverzeichnis
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