Strömungsmeßtechnik: Lehrbuch für Aerodynamiker, Strömungsmaschinenbauer Lüftungs- und Verfahrenstechniker ab 5. Semester

248 Pages·1969·8.89 MB·German

by  Walter Wuest (auth.)

uni-texte
Lehrbücher
J. Barner, Der Wald Begründung, Aufbau und Erhaltung
H. Dallmann/K.-H. Elster, Einführung in die höhere Mathematik
D. Geist, Physik der Halbleiter I
S. G. Krein/V. N. Uschakowa, Vorstufe zur höheren Mathematik
H. Lau/W. Hardt, Energieverteilung
R. Ludwig, Methoden der Fehler-und Ausgleichsrechnung
E. Meyer/E.-G. Neumann, Physikalische und technische Akustik
E. Meyer/R. Pottei, Physikalische Grundlagen der HOchfrequenztechnik
L. Prandtl, Führer durch die Strömungslehre
J. Rieck, Lichttechnik
W. Rieder, Plasma und Lichtbogen
W. Tutschke, Grundlagen der Funktionentheorie
H.-G. Unger, Elektromagnetische Wellen 1
H.-G. Unger, Elektromagnetische Wellen 11
H.-G. Unger, Quantenelektronik
H.-G. Unger, Theorie der Leitungen
H.-G. Unger/W. Schultz, Elektronische Bauelemente und Netzwerke 1
In Vorbereitung:
Dewar, Einführung in die moderne Chemie
Geist, Physik der Halbleiter 11
Hala/Boublik, Einführung in die statistische Thermodynamik
Meyer/Guiking, Schwingungslehre
Meyer/Zimmermann, Elektronische Meßtechnik
Taegen, Elektrische Maschinen I, 11
uni-text
W. Wuest
Strömungsmeßtechnik
Lehrbuch
tür Aerodynamiker, Strömungsmaschinenbauer,
Lüftungs- und Verfahrenstechniker
ab 5. Semester
Mit 221 Bildern
Friedr. Vieweg & Sohn· Braunschweig
Walter Wuest
1916 geb. in Colmar
1935·40 Studium der Mathematik und Physik an der TH München und den
Universitäten Freiburg i.Br. und Göttingen
1941 Promotion zum Dr.rer.nat. an der Universität Göttingen
1940·45 Industrietätigkeit
1945 Mitarbeiter des Max-Planck·lnstituts für Strömungsforschung und der
Aerodynamischen Versuchsanstalt Göttingen
1961 Privatdozent an der TH Hannover
1965 Leiter der Abt. Raumfahrt-Aerodynamik an der AVA Göttingen
1968 apl. Professor an der TU Hannover
ISBN 978-3-663-03343-1 ISBN 978-3-663-04532-8 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-04532-8
Verlagsredaktion : Helmut Schieck
1969
Alle Rechte vorbehalten
Copyright © 1969 by Verlag Friedr. Vieweg & Sohn GmbH, Braunschweig
Library of Congress Catalog Card No. 70-80656
Satz: Friedr. Vieweg & Sohn, Braunschweig
Umschlaggestaltung: Peter Kohlhase, Lübeck
Best.-Nr.
gebunden 3510
Paperback 3520
Vorwort
Die experimentelle Strömungsversuchstechnik hat im letzten Jahrzehnt eine wesent
liche Ausweitung erfahren, vor allem als Folge der Steigerung von Fluggeschwindig
keit und Stautemperatur. Eine Reihe neuer Meßverfahren haben sich durchgesetzt
und elektronische Bauelemente verbreitet Eingang gefunden. Das Auswerten der
Messungen wurde durch digitale Datenverarbeitung und Prozeßrechner vereinfacht.
Daneben aber sind die "klassischen" Meßverfahren nach wie vor in Gebrauch. Das
vorliegende Buch, hervorgegangen aus Vorlesungen an der Technischen Universität
Hannover und der langjährigen Praxis des Verfassers an der Aerodynamischen Ver
suchsanstalt Göttingen, will eine Einftihrung in die wesentlichen Meßverfahren der
Strömungstechnik geben. Dabei wird bei häufig benutzten Meßverfahren eine gewisse
Vollständigkeit angestrebt, während für weniger gebräuchliche Verfahren wenigstens
der Zugang zur Originalliteratur vermittelt wird. Obwohl die "grauen Kästen" der
Elektroniker heute an den Versuchsständen eine wesentliche Rolle spielen, sind hier
nur die in Betracht kommenden Meßfühler berücksichtigt. Nicht aufgenommen wur
den ferner Meßverfahren der Aeroelastizität und Magnetohydrodynamik; Durchfluß
messungen werden nur gestreift. Das Schwergewicht liegt also auf aerodynamischen
Messungen, besonders im Unterschallbereich. Deshalb werden auch die verschiedenen
Arten und Eigenschaften von Windkanälen zur Erzeugung künstlicher Luftströme
eingehend erörtert. Soweit möglich, wurden als Beispiele deutsche Versuchsanlagen
herangezogen, da ausländische Anlagen bereits in anderen Büchern beschrieben sind.
Außer der Durchführung von Windkanalversuchen ist die Entwicklung von Strömungs
meßgeräten von jeher ein besonderes Anliegen der Aerodynamischen Versuchsanstalt
Göttingen und ihres langjährigen Direktors, des verstorbenen Professors Albert Betz,
gewesen. Eine Anzahl der erläuterten Meßgeräte ist aus dieser Aktivität entstanden.
Daneben sind auch zahlreiche Geräte behandelt, die andere Forschungsanstalten für
Strömungsmeßzwecke entwickelten. Industrielle Geräte wurden nur dann aufgenom
men, wenn sie speziellen strömungstechnischen Meßaufgaben dienen. Neben den
Verfahren der quantitativen Messung kommen auch die mehr qualitativen Verfahren
der Strömungssichtbarmachung unter Einschluß der optischen und Elektronenstrahl
verfahren eingehend zur Sprache.
Göttingen, Februar 1969 Walter Wuest
VI
Inhaltsverzeichnis
Verzeichnis der Symbole VIII
1. Einführung 1
2. ModeUgesetze bei Strömungsversuchen 2
3. Eigenschaften verschiedener Strömungsmedien 5
4. Versuchsanlagen 9
4.1. Einteilung der Windkanäle 9
4.2. Leistungsbedarf von Windkanälen 10
4.3. Aufbau kontinuierlich arbeitender Kanäle 12
4.4. Aufbau intermittierend arbeitender Kanäle 30
4.5. StoßweUenrohre, Gun-Tunnel, Stoßrohrtrommel 34
4.6. Leichtgaskanone 38
4.7. Gitterwindkanäle 39
4.8. Windkanalkorrekturen 41
5. Kraftmessung 46
5.1. Außenwaagen 46
5.2. Einbauwaagen 51
6. Messung der Strömungsgeschwindigkeit nach Größe und Richtung 53
6.1. Mechanische Meßverfahren 53
6.2. Pneumatische Meßverfahren 56
6.3. Elektrische und magnetische Meßverfahren 85
7. Druckmessung 90
7.1. Druckmeßbohrungen 90
7.2. Druckmeßleitungen 92
7.3. Druckmeßgeräte 95
7.4. Vielfachdruckmesser 112
8. Temperaturmessung in strömenden Gasen 117
8.1. Aero-Thermodynamische Grundlagen 117
8.2. Messung der Stautemperatur 118
8.3. Messung der Recovery temperatur 118
8.4. Messung der Schwingungs-und Rotationstemperatur 119
8.5. Messung der Elektronentemperatur 121
8.6. Wärmeübergangsmessung 122
8.7. Gesamtenthalpiesonden 124
9. Grenzschicht-und Nachlaufmessungen 126
9.1. Grenzschichten 126
9.2. Messung der Wandschubspannung 127
9.3. Sonden flir Grenzschichtmessungen 136
9.4. Nachlaufmessungen 136
9.5. Konzentrationsgrenzschichten 142
Inhaltsverzeichnis VII
10. Turbulenzmessung 144
10.1. Kugelmessung 145
10.2. Hitzdrähte 146
10.3. Koronasonde 149
10.4. Korrelationsmessungen 150
11. Sichtbarmachung von Strömungen 151
11.1. Luftströmungen 151
11. 2. Flüssigkeitsströmungen 161
12.0ptische Meßverfahren 168
12.1. Verschiedene optische Methoden 168
12.2. Schattenverfahren 168
12.3. Schlierenverfahren 174
12.4. Interferenzverfahren 182
12.5. Optische Verfahren in verdünnten Gasen 190
13. Analogieverfahren 195
13.1. Lösung der Potentialgleichung 195
13.2. Lösung der Wellengleichung (Hydraulische Analogie) 200
Schrifttum 204
Namenverzeichnis 230
Sachwortverzeichnis 235
VIII
Verzeichnis der Symbole
Kn Knudsenzahl
a Schallgeschwindigkeit
L Länge, Korrelationslänge
cp spezifische Wärme bei kon-
Le Lewissche Zahl
stantem Druck
M Moment
Cw Widerstandskoeffizient
Ma Machsche Zahl
d Durchmesser
N Leistung
e innere Energie
Nu Nusseltsche Zahl
f Zahl der Molekülfreiheitsgrade,
Anteil der diffus reflektierten Pe Pc:cJetsche Zahl
Moleküle Pr Prand tlsche Zahl
g Erdbeschleunigung Q Spaltstrommenge , Kiihlwassermenge
h Enthalpie, Abstand, Höhe R Gaskonstante
k Einflußfaktor des Leitungs- Re Reynoldssche Zahl
volumens (GI. (7.5) u. (7.6» Rekr kritische Reynoldssche Zahl
Länge, Flügeltiefe RH elektrischer Widerstand eines
I mittlere freie Weglänge Hitzdrahts
n Kontraktionsverhältnis einer T Temperatur
Windkanaldüse Brechungsindex Tr Recovery temperatur
p Druck V Anströmgeschwindigkeit
--
Pg Gesamtdruck V Volumen, spezifisches Volumen
pp Pitotdruck W Widerstand
Ps statischer Druck a Anstellwinkel, Wärmeübergangs-
q dynamischer Druck koeffizient (GI. (8.10» Verhält-
'la angezeigter dynamischer Druck nis von Höhe zu Breite
<lk kinetischer Druck (Staudruck) ß WärmeausdehnungskoeffIZient
von Gasen
q Wärmestrom
li Grenzschichtdicke, Interferenz-
Halbmesser, Recoveryfaktor
streifenverschiebung
Zeit
li Verdrängungsdicke
v (örtlich veränderliche) Geschwin- l
digkeit li2 Impulsverlustdicke
u,v,w Geschwindigkeitskomponenten K Verhältnis der spezifischen Wärmen
in dreidimensionaler Strömung KI Korrekturfaktor (Abschn. 4.83)
* Schubspannungsgeschwindigkeit A Lichtwellenlänge, Turbulenz-
Vo
- ballendurchmesser körperformab-
v Volumen (Leitungsvolumen in
hängiger Faktor (GI. (4.13»
GI. (7.5) u. (7.6»
A Auftriebskraft J-I dynamische Zähigkeit
C Sutherlandsche Temperatur- I' kinematische Zähigkeit
Eigenschwingzahl
konstante 1'.
p Dichte
D Durchmesser, Diffusionskonstante
F Fläche a Oberflächenspannung, Wirbel-
F* engster Querschnitt einer kernfläche
Überschalldüse T Windkanalkorrekturfaktor
Fr Froudesche Zahl To Wandschubspannung
Gr Grashofsche Zahl e charakteristische Temperatur der
K Konstante Molekülschwingung
1. Einführung
Strömungen in Flüssigkeiten und Gasen treten in weiten Bereichen der Technik
auf. Dabei unterscheidet man Umströmungsprobleme ("äußere Aerodynamik") und
Durchströmungsprobleme ("innere Aerodynamik"). Zur ersten Gruppe zählen vor
allem die Umströmung von Flugzeugen, Flugkörpern, Land-und Wasserfahrzeugen
sowie die Windwirkung auf natürliche Geländeformen, Gebäude, Brücken und son
stiges. Zur zweiten Gruppe rechnet man die Durchströmung von Leitungen und
Strömungsmaschinen.
Eine rechnerische Erfassung von Strömungsvorgängen ist meist nur in beschränk
tem Maße möglich. Man ist daher in vielen Fällen auf Versuche angewiesen. Um den
Versuchsaufwand niedrig zu halten, werden diese Messungen in der Regel nicht an
der Originalausführung, sondern an verkleinerten Modellen vorgenommen. Dabei ist
natürlich die Frage der Übertragbarkeit der Modellmessungen auf die Großausführung
von wesentlicher Bedeutung. Bei Umströmungsproblemen benutzt man vorzugsweise
ein modellfestes Koordinatensystem, d.h. das ruhende Modell wird von einem künst
lichen Luftstrom angeblasen. Eine Einführung in die Strömungsmeßtechnik kann
sich daher nicht auf die reinen Meßverfahren beschränken, sondern sollte die Ver
fahren zur Herstellung einwandfreier Luftströme sowie die Fehlereinflüsse infolge
endlicher Ausdehnung der künstlichen Luftströme einschließen.
Wenn sich auch heute das Hauptinteresse von Forschung und Entwicklung im
Bereich der Luft-und Raumfahrttechnik auf die sehr hohen Gesch windigkeiten kon
zentriert, so zählen doch die meisten sonstigen Anwendungen der Strömungslehre
zum Unterschallbereich, so daß die "klassischen" Methoden der Strömungsmeß
technik nach wie vor große Aufmerksamkeit beanspruchen dürfen. Das Schwergewicht
dieses Buches liegt daher bei der Unterschall-Meßtechnik, doch wird auch ein Ein
blick in die wesentlichsten Meßverfahren bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten
gegeben.
An dieser Stelle soll auch auf einige Veröffentlichungen eingegangen werden, die
das Gesamtgebiet der Strömungsmeßtechnik behandeln. Einen umfassenden Über
blick über die Windkanal-Meßtechnik bieten Pankhurst und Holder [1] und
P. Rebuffet [2] sowie für die Meßtechnik an Unterschall-bzw. Überschall-Wind
kanälen A. Pope und J. J. Haper [3] bzw. A. Pope und K. L. Goin [4]. Eine begrenzte
Auswahl findet man in dem aus dem Russischen übersetzten Werk von S. G. Popow [5].
Das vorliegende Buch ist aus einer Vorlesung an der Technischen Universität
Hannover entstanden. Ein Teil wurde bereits in einer Reihe von aufeinanderfolgen
den Aufsätzen im Archiv für Technisches Messen [6] veröffentlicht.
1 Wuest
2. Modellgesetze bei Strömungsversuchen
Wenn Versuche an verkleinerten Modellen oder mit anderen Medien durchgeführt
werden, ist eine Ähnlichkeit der Stromlinien nur dann zu erwarten, wenn die wirken
den Kräfte im gleichen Verhältnis wie bei der Originalausftihrung stehen [7].
Folgende Kräfte je Flächeneinheit können bei Strömungsvorgängen wirksam sein:
Trägheitskräfte : "'pV2
Zähigkeitskräfte: '" p.V/L
Schwerekräfte : "'pgL
Kompressionskräfte : p"'pRT"'pa2
Kapillarkräfte : '" alL.
Den Verhältniswerten dieser Kräfte hat man bestimmte Kennzahlen zugeordnet:
pV2 pVL
Reynoldszahl Re = -- =--
p.V/L p.
Machzahl
v
Froudesche Zahl Fr = p V2 = ' V(V gL2
pgL
Webersehe Zahl
Wenn man berücksichtigt, daß zwischen Zähigkeit p., Schallgeschwindigkeit a
und mittlerer freier Weglänge I eines Gases der Zusammenhang
p.= ~-. pa-l
1TK
besteht, gilt ferner
Ma_~_ ~.T _ ~
- -·Kn
Re aVLp - 1TK L ~ 1TK '
wobei Kn als Knudsenzahl bezeichnet wird. Weitere Kennzahlen, wie z.B. Prandtl
zahl und Schmidtzahl, ergeben sich bei Wärmeleitungs-und Diffusionsproblemen.