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 zu Strömung von Fluiden und zur Gasdynamik und zum Schluss widmet sich der Autor dann auch 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.
Inhaltsverzeichnis
Einleitung 21
Ü ber dieses Buch 21
Konventionen in diesem Buch 21
Wie dieses Buch strukturiert ist 21
Teil I: Methodik, Werkzeuge und Klassifizierung von Strö mungen 21
Teil II: Hydrostatik 21
Teil III: Aerostatik 22
Teil IV: Strö mung von Fluiden - es kommtBewegung ins System 22
Teil V: Impuls und Drall in Strö mungen 22
Teil VI: Kompressible Strö mungen - 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 Strö mungen 25
Kapitel 1 Charakteristische Merkmale der Strö mungsmechanik 27
Um was gehtesdenn bei der Strö mungsmechanik? 27
Was die Strö mungsmechanik von anderen Wissensgebieten unterscheidet 28
Verä nderung der Arbeitsweise von Strö mungsmechanikern im Verlauf der Geschichte 30
Kapitel 2 So arbeiten Strö mungsmechaniker 33
Strö mungssimulation in Windkanä len 34
Wozu werden Windkanä le benö tigt? 34
Konstruktionsprinzipien von Windkanä len 36
Strö mungssimulation 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 Festkö rper 41
Gliederung der Strö mungsmechanik 41
Bahnlinie und Stromlinie 43
Stromfaden und Stromrö hre 47
Kapitel 4 Klassifizierung von Strö mungen oder wie man sich das Leben einfach gestalten kann 49
Reibung - reale und ideale Fluide 49
Zeitverhalten - stationä re, instationä re und quasistationä re Strö mungen 52
Dimensionen - ein-, zwei- oder dreidimensionale Strö mungen 54
Kompressibilitä t - kompressible und inkompressible Strö mungen 55
Mach-Zahl im Strö mungsfeld 56
Fließ verhalten 64
Teil II Hydrostatik 67
Kapitel 5 Druck oder was uns alle belastet 69
Druck als Zustandsgrö ß e 71
Druckbegriffe - alles nur eine Frage des Standpunkts 72
Druck als physikalische Grö ß e 73
Hydrostatischer Druck 74
Hydrostatisches oder Pascalsches Paradoxon 76
Verbundene Gefä ß e oder kommunizierende Rö hren 77
Begrenzung der Saugwirkung einer Pumpe 79
Kavitation 81
Druckmessung 82
Korrekturen: Einfluss von Temperatur und Luftfeuchte 84
Einbau von Drucksonden - statische Grö ß en und Totalgrö ß en 86
Kapitel 6 Statischer Auftrieb oder das tragische Ende eines Goldschmiedes 91
Statischer Auftrieb nach demPrinzip des Archimedes 91
Warum Ihre Badezimmerwaage lü gt 93
Statischer Auftrieb als Ergebnis von Druckdifferenzen 93
Die Problematik des Schiffshebewerks 96
Grenzen des archimedischen Auftriebs 98
Kapitel 7 Oberflä chenspannung - warum der Wasserlä ufer nicht versinkt 101
Teilchenkrä fte - was den Regentropfen zusammenhä lt 101
Kapillarwirkung 105
Einfache Methoden zur Bestimmung der Oberflä chenspannung 106
Kapillarmethode 106
Tropfen- oder Stalagmometermethode 107
Ringmethode 108
Kapitel 8 Druckkrä fte auf Begrenzungsflä chen 109
Belastung einer ebenen horizontalen Flä che 109
Belastung einer ebenen senkrechten Flä che 110
Betrag der Kraft F 110
Lage des Kraftangriffspunktes d 111
Belastung einer ebenen geneigten Flä che 114
Belastung einer gekrü mmten, abwickelbaren Flä che 114
Abwickelbare Flä chen 115
Berechnung der horizontalen Kraftkomponente 115
Berechnung der vertikalen Kraftkomponente 116
Berechnung der resultierenden Gesamtkraft 116
Belastung einer nicht-abwickelbaren Flä che 117
Berechnung der horizontalen Kraftkomponenten 117
Berechnung der vertikalen Kraftkomponente 118
Berechnung der resultierenden Gesamtkraft 119
Kapitel 9 Fluide unter Beschleunigung 121
Niveauflä chen - ü berall 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 Stabilitä t schwimmender oder schwebender Kö rper 129
Prinzip der statischen Stabilitä t 129
Berechnung des Stabilitä tsmaß es 131
Teil III Aerostatik 133
Kapitel 11 Aufbau der Erdatmosphä re 135
Die Erdatmosphä re als Wä rmekraftmaschine 135
Der Systembegriff der Thermodynamik 135
Wetter als Ergebnis von Wä rmeaustauschprozessen 137
Chemische Zusammensetzung der Erdatmosphä re 138
Aufbau der Erdatmosphä re 138
Luftdruck als Funktion der Hö he 143
Hydrostatische Grundgleichung 143
Polytrope Zustandsä nderung 143
Zusammenhang zwischen Hö he, Druck, Temperatur und Dichte 144
Kapitel 12 Internationale Standardatmosphä re ISA - eine Norm, die nie erfü llt wird 147
Aufbau der Standardatmosphä re 147
Temperaturverteilung 148
Weitere sinnvolle Parameter, die Sie berechnen kö nnten 150
Kapitel 13 Hö hendefinitionen 153
Geometrische und absolute Hö he 153
Geopotentielle Hö he 154
Druckhö he 155
Hö henmessung 155
Verfahren wä hrend des Fluges 156
Bedeutung der Druckhö he fü r den Flugverkehr 157
Dichtehö he 158
Teil IV Strö mung Von Fluiden - Es Kommt Bewegung Ins System 161
Kapitel 14 Basisgleichungen der Strö mungsmechanik 163
Kontinuitä tsgleichung - die Leitung ist dicht 163
Volumenstrom 163
Massestrom 164
Energieerhaltungssatz 165
Drei gute Grü nde, den Kabineninndruck in einem Flugzeug niedrigzuhalten 167
Enthalpie und innere Energie 169
Kalorische Zustandsgleichungen 169
Innere Energie und Enthalpie fester und flü ssiger Phasen 170
Innere Energie und Enthalpie idealer Gase 170
Vom ersten Hauptsatz der Thermodynamik zur Bernoulligleichung 171
Was Herr Bernoulli alles nicht berü cksichtigt 171
Kapitel 15 Ausfluss aus Behä ltern - die (fast) verdorbene Feier 177
Verlustfreies Ausströ men aus Behä ltern 177
Verlustbehaftetes Ausfließ en aus Behä ltern 179
Verlusthö he und Druckverlust 181
Verlustziffer und Ausflusskoeffizient 181
Kapitel 16 Strö mungen mit Energietransport 183
Berü cksichtigung 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 benö tigen 196
Mach-Zahl 196
Reynolds-Zahl 196
Froude-Zahl 199
Kapitel 18 Rohrströ mung 201
Unterschiedliche Strö mungsqualitä ten 201
Laminare Rohrströ mung 201
Turbulente Rohrströ mung 202
Druckverlust bei Rohrströ mungen 203
Druckverlust infolge des Rohrreibungswiderstands 203
Berechnung der Rohrreibungszahl 205
Hydraulisch glatte Rohre 206
Vollstä ndig raue Rohre 207
Ü bergangsgebiet zwischen glatt und rau 207
Druckverlust infolge von Einbauten 208
Richtungsä nderung 209
Eintrittsverluste 211
Austrittsverluste 212
Stufendiffusor 213
Konischer Diffusor 213
Stufendü se 214
Konische Dü se 215
Druckverlust im Gesamtsystem 216
Hydraulischer Ersatzdurchmesser 216
Normblenden 217
Kapitel 19 Grenzschichtströ mungen 221
Entstehung einer Grenzschicht 222
Strö mungsgrenzschicht 223
Temperaturgrenzschicht 224
Grundzü ge der Prandtlschen Grenzschichttheorie 227
Laminare Strö mungsgrenzschicht 227
Laminare Temperaturgrenzschicht 229
Turbulente Strö mungsgrenzschicht 230
Turbulente Temperaturgrenzschicht 234
Ablö sung der Grenzschicht 235
Entstehung eines Ablö segebiets 235
Die Ká rmá nsche Wirbelstraß e - hü bsch anzuschauen, aber auch lä stig 236
Nachlaufdelle 237
Transition 238
Natü rliche Transition 238
Erzwungene Transition 239
Kapitel 20 Widerstand von Kö rpern: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 Strö mung 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 Strö mungsmechanik 259
Kapitel 21 Umströ mung stumpfer Kö rper - einfache Lö sungen fü r den tä glichen Gebrauch 263
Kugelumströ mung 263
Ideale, reibungsfreie Umströ mung einer Kugel (Potentialströ mung) 263
Reibungsbehaftete Umströ mung der Kugel 263
Einfluss derRauheit 265
Turbulenzfaktor 266
Turbulenzgrad 266
Zylinderumströ mung 268
Ideale reibungsfreie Umströ mung eines Zylinders (Potentialströ mung) 268
Reibungsbehaftete Umströ mung eines Zylinders 268
Teil V Impuls Und Drall in Strö mungen 271
Kapitel 22 Impuls - was uns alle antreibt 273
Auswirkung einer Strö mung auf ein durchströ mtes System 274
Definition eines Kontrollraums 274
Folgen aus dem dynamischen Grundgesetz 274
Analyse der auftretenden Krä fte 276
Vorgehensweise zurLö sung von Impulsaufgaben 278
Kapitel 23 Drallerhaltung - warum wir (fast) alle beim Reckturnen so schlecht waren 281
Drallerhaltung beziehungsweise Drehimpulserhaltung 281
Starrer Kö rper in Rotation 282
Gesamtdrehimpuls desstarren Kö rpers 282
Analogie zwischen Impuls und Drehimpuls 283
Drehimpulserhaltung 285
Einfluss derDrehimpulserhaltung bei Wetterphä nomenen - Tornado 287
Anwendung desDrallsatzes auf Strö mungsmaschinen 288
Drall am Beispiel einer axialen Strö mungsmaschine 288
Drall am Beispiel einer radialen Strö mungsmaschine 289
Teil VI Kompressible Strö mungen - Vergessen Sie (fast) Alles Bis Dato Gelernte 291
Kapitel 24 Vom Unterschall zum Ü berschall 293
Thermodynamische Grundbegriffe und Annahmen 293
Ideales Gas 293
Innere Energie und Enthalpie 294
Entropie und zweiter Hauptsatz der Thermodynamik 295
Zustandsä nderungen 297
Isentrope Strö mungen 297
Statische Grö ß en und Totalgrö ß en 299
Kesselgleichungen 302
Stoß wellen 304
Mach-Kegel 304
Charakteristische Mach-Zahl 304
Senkrechter Verdichtungsstoß 306
Schrä ger Verdichtungsstoß 313
Expansionsströ mungen im Ü berschall - Prandtl-Meyer-Expansion 318
Dü senströ mungen 319
Arbeitsprinzip einer Dü se 320
Laval-Dü se 324
Nicht-Angepasste Dü se 327
Verdichtungs- und Verdü nnungswellen in Ü berschallfreistrahlen 328
Ausströ mgeschwindigkeit 329
Diffusorströ mungen 331
Teil VII Top Ten Teil 333
Kapitel 25 Zehn Ratschlä ge, um Spaß an der Strö mungsmechanik zu haben 335
Grau ist alle Praxis -schö n ist nur die Theorie. 335
Lassen Sie sich nicht von der scheinbaren Komplexitä t eines Problems beeindrucken. 335
Beschä ftigen Sie sich mit Wetterphä nomenen. 335
Betreiben Sie strö mungsmechanische Archä ologie. 336
Trainieren Sie Ihre Fä higkeit, Grö ß enordnungen abzuschä tzen. 336
Begeistern Sie Ihr Umfeld fü r strö mungsmechanische Aspekte. 336
Studieren Sie die Biographien berü hmter Forscher auf demGebiet der Strö mungsmechanik. 336
Lesen Sie! 337
Programmieren Sie! 338
Nehmen Sie das Ganze nicht zu ernst! 338
Anhang A: Lö sungen der Beispiele 339
Anhang B: In diesem Buch verwendete Symbole 385
Stichwortverzeichnis 391
