Strömungsmechanik: Einführung in die Physik von technischen Strömungen
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Wiesbaden
Springer Vieweg
[2016]
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1 Das methodische Konzept dieses Buches 1
Teil I Einführung in wichtige Aspekte und Phänomene der Strömungsmechanik
2 Anschauliche Beispiele aus Natur und Technik 5
2 1 Strömungen im Alltag 6
2 2 Strömungen in Natur und Technik 7
3 Strömungsaspekte und -phänomene 11
3 1 Aspekte zur Charakterisierung von Strömungen 11
311 Strömungsaspekt: Fluidverhalten 12
312 Strömungsaspekt: Umströmung oder Durchströmung 13
313 Strömungsaspekt: Erzwungene oder natürliche Konvektion 15
314 Strömungsaspekt: Laminare oder turbulente Strömungen 15
315 Strömungsaspekt: Stationäre oder instationäre Strömungen 16
316 Strömungsaspekt: Kompressible oder inkompressible Strömungen 17
317 Strömungsaspekt: Reibungsbehaftete oder reibungsfreie Strömun-
gen 17
318 Strömungsaspekt: Drei-, zwei- oder eindimensionale Strömungen 18
3 2 Kinematische Beschreibung von Strömungen 19
321 Kinematische Beschreibung turbulenter Strömungen 20
322 Stromlinien 21
323 Bahnlinien 23
324 Streichlinien 23
3 3 Strömungsphänomene 24
331 Strömungsphänomen: Wandeinfluss 24
332 Strömungsphänomen: Grenzschichten 25
333 Strömungsphänomen: Ablösung 27
334 Strömungsphänomen: Drehung 27
335 Strömungsphänomen: Verdichtungsstoß 28
VII
VIII
Inhaltsverzeichnis
3 4 Anwendungsbeispiele AB-1, AB-2 31
3 5 Illustrierende Beispiele IB-1 bis IB-3 33
4 Quasi-Strömungsmechanik: Hydro- und Aerostatik 37
4 1 Hydrostatische Druckverteilung 37
411 Bestimmung der Druckkraft auf eine Wand 39
412 Hydrostatischer Auftrieb 41
413 Druckverteilung in einem gleichmäßig rotierenden Fluid 43
4 2 Aerostatische Druckverteilung 44
4 3 Anwendungsbeispiele AB-3, AB-4 46
4 4 Illustrierende Beispiele IB-4, IB-5 49
Teil II Methodisches Vorgehen in der Strömungsmechanik
5 Berechnung, Simulation und Messung von Strömungsgrößen 55
5 1 Physikalisch/mathematische Modellbildung 55
5 2 Messen von Strömungsgrößen 58
521 Geschwindigkeitsmessungen 59
522 Druckmessungen 60
6 Dimensionsanalyse 63
6 1 Das Pi-Theorem der Dimensionsanalyse 64
6 2 Auswahl der Einflussgrößen (Modellbildung) 66
6 3 Bestimmung der dimensionslosen Kennzahlen 68
6 4 Anwendungsbeispiele AB-5, AB-6 69
6 5 Illustrierendes Beispiel IB-6 74
7 Untersuchungen im Modellmaßstab 77
7 1 Physikalische Ähnlichkeit 78
7 2 Probleme bei Modelluntersuchungen 78
7 3 Anwendungsbeispiele AB-7, AB-8 81
7 4 Illustrierende Beispiele IB-7 bis IB-9 84
8 Berücksichtigung des Turbulenzeinflusses 89
8 1 Zur Physik turbulenter Strömungen 90
8 2 Simulation, Modellierung und pauschale Erfassung des Turbulenzein-
flusses 93
821 Simulation des Turbulenzeinflusses (DNS) 94
822 Modellierung des Turbulenzeinflusses (RANS) 94
823 Pauschale Erfassung des Turbulenzeinflusses 95
8 3 Anwendungsbeispiel AB-9 96
8 4 Illustrierendes Beispiel IB-10 97
Inhaltsverzeichnis
IX
Teil III Technische Strömungen - Eindimensionale physikalisch/mathematische
Modelle
9 Grundgleichungen der eindimensionalen Modellierung 101
9 1 Erläuterungen zur Kontinuitätsgleichung 104
9 2 Erläuterungen zur Gesamtenergiegleichung 104
9 3 Ungleichverteilung der Strömungsgrößen im Querschnitt 107
10 Inkompressible eindimensionale Stromröhrentheorie 111
10 1 Bestimmung der spezifischen Dissipation p 112
10 2 Berücksichtigung der spezifischen technischen Arbeit tu, 115
10 3 Einsatz der thermischen Energiegleichung 116
10 4 Druck- und Geschwindigkeitsmessungen auf der Basis der Bernoulli-
Gleichung 117
10 5 Strömungskräfte auf die Berandung von Stromröhren 120
10 6 Anwendungsbeispiele AB-10 bis AB-12 122
10 7 Illustrierende Beispiele IB-11 bis IB-14 129
11 Kompressible eindimensionale Stromröhrentheorie 137
11 1 Lösungsstrategie 138
11 2 Strömungsformen 142
11 3 Anwendungsbeispiele AB-13, AB-14 144
11 4 Illustrierende Beispiele IB-15, IB-16 147
Teil IV Technische Strömungen - Mehrdimensionale physikalisch/mathematische
Modelle
12 Physikalisch/mathematische Modelle mit und ohne Gebietszerlegung 153
12 1 Grenzschichttheorie: Eine hierarchische Gebietszerlegung 155
13 Reibungsfreie Umströmung von Körperoberflächen 159
13 1 Grundgleichungen für reibungsfreie Strömungen (Euler-Gleichungen) 159
13 1 1 Das ortsfeste Koordinatensystem (Eulersche Betrachtungsweise) 160
13 1 2 Euler-Gleichungen (2D) 161
13 2 Einführung der Stromfunktion 164
13 3 Drehungsfreie Strömungen (Potenzialströmungen) 166
13 3 1 Bestimmungsgleichungen für Potenzialströmungen 166
13 3 2 Elementare und zusammengesetzte Potenzialströmungslösungen 168
13 4 Anwendungsbeispiele AB-15, AB-16 173
13 5 Illustrierende Beispiele IB-17, IB-18 176
X
Inhaltsverzeichnis
14 Strömung in Grenzschichten 179
14 1 Zwölf Grenzschichteigenschaften 179
14 2 Laminare Grenzschichten 183
14 2 1 Grenzschichtgleichungen 183
14 2 2 Grenzschichttransformation 184
14 3 Turbulente Grenzschichten 186
14 3 1 Grenzschichtgleichungen 187
14 3 2 Turbulenzmodellierung 189
14 3 3 Grenzschichttransformation, Zweischichtenstruktur 192
14 4 Anwendungsbeispiele AB-17, AB-18 195
14 5 Illustrierende Beispiele IB-19 bis IB-21 198
15 Durchströmung schlanker Kanäle 203
15 1 Begriffsbestimmung 204
15 2 Ebener Kanal, Rohr, hydraulischer Durchmesser 204
15 2 1 Hydrodynamische Einlauflänge 205
15 2 2 Ausgebildete Strömungen 205
15 2 3 Das Konzept des hydraulischen Durchmessers 208
15 3 Schlankkanalgleichungen 210
15 4 Anwendungsbeispiele AB-19, AB-20 211
15 5 Illustrierende Beispiele IB-22, IB-23 214
16 Grundgleichungen für Newtonsche Fluide 217
16 1 Grundgleichungen 218
16 2 Grundgleichungen für turbulente, inkompressible Strömungen 219
16 3 Anwendungsbeispiel AB-21 221
16 4 Illustrierende Beispiele IB-24, IB-25 222
Teil V Sonderkapitel
17 Widerstand und Auftrieb 231
17 1 Widerstand und Auftrieb bei umströmten Körpern 231
17 1 1 Widerstand umströmter Körper 232
17 1 2 Auftrieb umströmter Körper 234
17 2 Verluste bei Durchströmungen 236
17 3 Illustrierende Beispiele IB-26 bis IB-28 236
18 Spezielle Strömungssituationen 243
18 1 Natürliche Konvektion 243
18 1 1 Charakteristische Geschwindigkeit ut 244
18 1 2 Boussinesq-Approximation 245
18 2 Schleichende Strömungen 247
Inhaltsverzeichnis
XI
18 3 Strömung in porösen Medien 250
18 4 Strömung in offenen Kanälen (Gerinnen) 254
18 5 Oberflächenwellen 257
18 6 Einfluss der Oberflächenspannung 259
18 6 1 Spezifische Oberflächenenergie a 260
18 6 2 Oberflächenspannung o 260
18 6 3 Kapillarität 262
18 7 Anwendungsbeispiele AB-22, AB-23 264
18 8 Illustrierende Beispiele IB-29, IB-30 266
19 Zwölf mal warum ? 269
Verzeichnis der Anwendungsbeispiele 275
Verzeichnis der illustrierenden Beispiele 277
Verzeichnis wichtiger Symbole und Formelzeichen 279
Häufig verwendete Indizes und Kennzeichnungen 283
Literaturverzeichnis/Monographien 285
Sachverzeichnis
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