Einführung in die Hydromechanik

2007·8.7 MB·German

by  Gerhard H. Jirka

Einführung in die
Hydromeclianik
Gerhard H. Jirka
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UniversitätsverlagKarlsruhe
Cöpyrighiedmalerial
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Gerhard H.Jirka
Einführung indieIHydromechanik
UniversitätKarlsruhe(TH)
InstitutfürHydromechanik
Einführung in die
Hydromechanik
von
Gerhard H. Jirka
Universitätsverlagkarlsruhe
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UniversitätsverlagKarlsruhe2007
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3.,überarbeiteteundergänzteAuflage
ISBN: 978-3-86644-158-3
Vorwort
DasvorliegendeLehrbuchentstandwährendmeinerLehrtätigkeitanderUniversitätKarls-
ruheimStudiengang"Bauingenieurwesen"inderFakultätfürBauingenieur-,Geo-und
Umweltwissenschaften.AlsReferenzwerkzurströmungsmechanischenGrundlagenvorle-
sung"Hydromechanik"im3.SemesterdesStudiengangsermöglichtesFachfremdeneinen
EinstiegindieGrundlagenderBeschreibungvonStrömungen.Darüberhinausdientesals
NachschlagewerkfürIngenieureundForscher.
DieHerausgabeder1.AuflagedesLehrbuchsinFormeinesSkriptumsimJahre1998wur-
devonHerrnDr.-Ing.W.Bürmannkoordiniert.MeinKollege,Prof.Dr.habil.W.Rodi,
hateineersteVersiondesSkriptumsgründlichdurchgelesenundwichtigeVerbesserungs-
vorschlägegemacht.BeiderÜberarbeitungzur2.AuflagehatHerrDr.-Ing.T.Bleninger
tatkräftigmitgewirkt.DieGrafik-,Satz-undLayoutänderungensowiezahlreicheErgän-
zungenfürdie3.Auflagewurdenvoncand.-ing.SageethaBalachandranundcand.-ing.
RomanvonRheindurchgeführt.AnalleBeteiligtenandieserStelleeinherzlichesDanke-
schön.
Das Lehrbuch ergänzende und bereichernde Materialien wie Labordemonstrationen,
Video-undMultimediamaterialundpraktischeAnwendungsbeispielewerdenaufderWeb-
seitehttp://hydro.ifh.uni-karlsruhe.dezurVerfügunggestellt.
GerhardH.Jirka
März2007
CopyrlghredcnaBrlal
Inhaltsverzeichnis
1 UEinleitungundDefinitionen 1
nefinitinneneinesFluides 2^
1J2 UnterschiedezwischenFlüssigkeitenundGasen 2_
13 FluidalsMassensystem 3_
1.4 IntensiveFluideigenschaften 4^
1.5 FluideigenschaftenanPhasengrenzen 14
2 Hydrostatik 19
2J nnickverteilnngineinemstatischenFluid L9^
StatischeDnickverteiliingimSchwerefeld 21
2JU Diennickskala 23
2.2.2 AnwendungenderhydrostatischenGleichung 24
2.2.3 Druckmessung 29
13 HydrostatischeKräfteaufeheneFlächen 211
2A HydrostatischeKräfteaufgekrümmteFlächen 12_
2.5 AnftrieheingetauchterKörper 17_
2.5J Anftriehskräfte 37
23^ Schwimmstahilität 32_
3 Kinematik 41
U
Geschwindigkeitsfeld 4L
3.1.1 Strömungsbilder 43
3.1.2 GleichförmigeStrömung 45_
3.1.3 StationäreStrömung 45.
3.1.4 Absolut-undRelativbewegung 45
3.2 InternerStrömungszustand:laminareundturbulenteStrömungen 46
1.3 Dnrchflnssrate 5£L
3.4 Beschleunigung 51
3.4.1 KartesischesKoordinatensystem 5_L
3.4.2 NatürlichesKoordinatensystem 52
3.5 AllgemeineTransportgleichung 53
3.6 Massenerhaltung:Kontinuitätsgleichung 57
iü
CopyrIghtBdmalerlal
1
3.6.1 FiniteKontroUvoliimen 51
3.6.?. F.lementares(infinitesimalkleines)Knntrnllvoliimen 59.
2l1 RntatinnderFlnidelemente 6£1
3.7.1 RotationsbehafteteStrömungen 62
3.7.2 RotationsfreieStrömungen 63
4 Impulsgleichung 65
4.1 ReibungsfreieStrömungen 65
4.1.1 Euler-Gleichung 65
4.1.2 ElementareAnwendungen:FluidbewegtsichalsFestkörper .... 67
4.1.3 EulerscheBewegungsgleichung 70
4.1.4 Bernoulli-Gleichung 71
4.1.5 Anwendungen:stationärereibungsfreieStrömungen 73
4.1.6 EinschränkungenderAnnahmevonreibungsfreienStrömungen . . 80
4.1.7 KavitationinFlüssigkeitsströmungen 84
4.2 AllgemeineStrömungenmitReibungswirkung 85
4.2. FinitesKontrollvnhimen 84
4.2.2 ElementaresKontrollvolumen:Navier-Stokes-Gleichungen 100
4.3 Impulsmomentengleichung 105
5 Energiegleichung 109
5.1 ThermodynamischeGrundlagen 109
5.2 StationäreinkompressibleStrömungeninhydraulischenSystemen 112
53 FnergielinieundDriicklinie 115
5.4 AnwendungvonImpuls-,Energie-undKontinuitätsgleichung 117
6 ExperimentelleHydromechanik 121
6J ZielederexperimentellenHydromechanik 122
(hl nimensionsanalyse 125
6.2.1 Beispiel:StrömungswiderstandeinerKugel 125
6.2.2 Beispiel:DimensionsloseParameteringenerellenStrömungsproblemen128
(l2 Ahnlichkeitsgesetze(Modelltheorie) 131
6.3.1 GeometrischeÄhnlichkeit 132
6.3.2 DynamischeÄhnlichkeit(Kräfteähnlichkeit) 133
6.4 Anwendung:DynamischeÄhnlichkeitfürinkompressibleStrömungen. . . 135
6.4.1 GeschlosseneSysteme:Reynolds-Ähnlichkeit 135
6.4.2 OffeneSysteme:Froude-undReynolds-Ähnlichkeit 137
7 FluidreibungswiderstandanOberflächen 141
7.1 GleichförmigelaminareStrömungen 141
7.1.1 Couette-Strömung 142
iv