Technische Strömungslehre: Band 2: Anwendungen

235 Pages·1991·9.65 MB·German

by  Dr. Ing. Bruno Eck (auth.)

Bruno Eck
Technische
Strömungslehre
Bearbeitet von R. Ermshaus
Neunte, überarbeitete Auflage
Band 2: Anwendungen
Mit 294 Abbildungen
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg NewYork
London Paris Tokyo
Hong Kong Barcelona
Budapest
Dr. Ing. Bruno Eck t
Dr. rer. nat. Ralf Ermshaus
Institut für Hydromechanik, Universität Karlsruhe
Kaiserstraße 12, W-7500 Karlsruhe 1
ISBN 978-3-540-53426-6 ISBN 978-3-642-88362-0 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-88362-0
CIP-Titelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Eck, Bruno: Technische Strömungslehre 1 Bruno Eck. Bearb. von R.
Ermshaus. - Berlin ; Heidelberg ; New York ; London ; Paris;
Tokyo ; Hong Kong ; Barcelona; Budapest : Springer.
NE: Ermshaus, Rolf [Bearb.]
Bd. 2. Anwendungen. - 9. Aufl. - 1991
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2160/3020-543210 - Gedruckt auf säurefreiem Papier
Vorwort zur neunten Auflage
Nach dem Tode des Autors habe ich auf Wunsch des Verlages und der Erben die
Bearbeitung der Neuauflage übernommen. Dabei sollten Aufbau und Form der
Darstellung weitgehend beibehalten werden. Die Bearbeitung bezieht sich daher
im wesentlichen auf eine Durchsicht der Gleichungen, eine Korrektur des Zahlen
materials, eine Beseitigung von Unstimmigkeiten und eine behutsame Text
ergänzung der Abschnitte, die in der Vorauflage in einer zu knappen Form er
schienen. Herr Prof. em. M. Pecornik, Rijeka, unterstützte mich durch viele
Hinweise und Bemerkungen zu Fehlern der alten Auflage.
Dem Verlag danke ich auch an dieser Stelle für die Aufmunterung, das seit
Jahrzehnten bekannte Buch im Sinne von Bruno Eck weiterzuführen und in seiner
typischen Art zu erhalten.
Karlsruhe, im April 1991 Rolf Ermshaus
Aus dem Vorwort zur achten Auflage
Typische Anwendungen der industriellen Strömungs technik werden in diesem
Bande behandelt. Diese Gebiete sind leider nicht einheitlich und teilweise sogar
isoliert. Ganz im Gegensatz dazu zeigt die Flugzeug-Aerodynamik ein geschlosse
nes Bild. "In der Tat ist es heute möglich, den überwiegenden Teil der Aerodyna
mik des Flugzeuges aus rein theoretischen Überlegungen zu gewinnen" schreibt
z. B. Schlichting. Aus dieser hochentwickelten Aerodynamik kann die Industrie,
abgesehen von den im 1. Band behandelten Grundlagen, nur wenig Nutzen ziehen.
Nach einer einführenden Behandlung der Ablösung, der Verzögerung und
praktischen Methoden zur Sichtbarmachung von Strömungen folgt eine gezielte
Zusammenstellung der Widerstandsziffern für umströmte und durchströmte Ge
bilde. In vielen Fällen kann mit Hilfe dieser Angaben der Gesamtwiderstand
einer Konstruktion ohne Versuche ermittelt werden.
Anschließend folgt eine Auswahl von wichtigen technischen Problemen, z. B.
Strahlenaerodynamik, Belüftung, Klimatisierung, pneumatische und hydraulische
Förderung, Entstaubung, Winkler-Schwebebettfeuerung und -Vergasung, Tun
nelbelüftung, hydraulische Kohleförderung, neue Auflademethoden. Dabei
werden auch einfache Versuchsmöglichkeiten und Modellversuche behandelt.
Köln, im August 1981 Bruno Eck
Inhaltsverzeichnis
Bezeichnungen ................................................................ XI
I Grundlagen
1 Formgebungen bei verzögerter Strömung
1.1 Allgemeine Betrachtungen .............................................. 1
1.1.1 Verschiedene in der Praxis verwendete Diffusorformen .. . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.2 Diffusoren mit Endwiderstand bzw. Druckstau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.3 Formelmäßige Erfassung der Diffusorströmung ....................... 6
1.1.4 Eingehendere Betrachtungen ...................................... 6
1.1.5 Diffusoren mit plötzlicher Erweiterung .............................. 9
1.1.6 Diffusoren mit gekrümmten Achsen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 10
1.1. 7 Ringdiffusoren .................................................. 11
1.1.8 Der Nabendiffusor ............................................... 11
1.1.9 Mehrstufige Stoßdiffusoren nach Gibson ........................... " 14
1.1.10 Ermittlung einer Ablösung ........................................ 14
Schrifttum zu Kap. 1 ............ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 15
2 Sichtbarmachung von Strömungen ............................................. 17
2.1 Allgemeine Betrachtungen .............................................. 17
2.2 Flüssigkeitsströmungen ................................................. 17
2.3 Luft- und Gasströmungen ............................................... 20
2.3.1 Fadensonden.................................................... 20
2.3.2 Sichtbarmachung im Strömungsbereich .............................. 20
2.3.3 Sichtbarmachung im Wandbereich .................................. 21
2.4 Sichtbarmachung von Strömungsfeldern durch Funkenentladungen ........... " 23
Schrifttum zu Kap. 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 25
11 Widerstandsangaben
3 Einzelwiderstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 26
3.1 Widerstand verschiedener Körper. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 26
3.1.1 Widerstand bei Beschleunigung eines Körpers in einer Flüssigkeit ...... " 26
3.1.2 Widerstandsänderung durch verschiedene Formgebungen . . . . . . . . . . . . . .. 26
3.1.3 Widerstandsverminderung durch mittlere Flächen vor oder hinter einem
Zylinder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 27
3.1.4 Widerstand von zwei hintereinander angeordneten Scheiben ............ 28
3.1.5 Diffusoreffekt durch Wandeinfluß eines Profils ......................... 29
3.1.6 Widerstand von vorn offenen halbkugelartigen Gebilden ............... 29
3.1.7 Einfluß der Strahlgröße auf den Widerstand. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 29
3.1.8 Um strömung von Drosselklappen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 30
3.1. 9 Umströmung von Eisenträgerprofilen ............................... 30
3.1.10 Übergeschwindigkeiten und Widerstandsziffern bei verschiedenen Formen 31
3.1.11 Widerstandsverringerung durch geeignete Profilierung ................. 33
3.1.12 Wirkung von Abrundungen bei verschiedenen Formen. . . . . . . . . . . . . . . .. 33
3.1.13 Druckverlust von Rohrbündeln im Kreuzstrom ......................... 33
VIII Inhaltsverzeichnis
3.1.14 Stabilität von umströmten. frei beweglichen Körpern .................. ' 35
3.1.15 Widerstand von Luftschiffkörpern .................................. 35
3.2 Widerstand von Wanderhebungen und Vertiefungen ......................... 37
3.3 Fahrzeuge ........................................................... , 42
3.3.1 Allgemeines..................................................... 42
3.3.2 Widerstand von Autos ............................................ 42
3.3.3 Widerstand von Lokomotiven und Eisenbahnfahrzeugen ............... 46
3.3.4 Beeinflussung der Fahrzeuge bei Tunnelfahrten ....................... 49
3.3.5 Auslaufverfahren zur Bestimmung des Widerstandes von Fahrzeugen 49
Schrifttum zu Kap. 3: siehe Kap. 4
4 Armaturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 50
4.1 Krümmer.... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 50
4.1.1 Grundlagen..................................................... 50
4.1.2 Praktische Ausführungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 53
4.1.3 Einfluß der Re-Zahl auf die Krümmerverluste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 58
4.1.4 Besondere technische Formen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 58
4.2 Rohrverzweigungen .................................................... 59
4.2.1 Übersicht ....................................................... 59
4.2.2 Verzweigungen eines Leitungsnetzes ................................ 64
4.2.3 Experimentelle Verfahren ......................................... 65
4.2.4 Anwendungen................................................... 66
4.3 Einlauf- und Austrittsverluste ............................................ 67
4.3.1 Austrittsverluste ................................................. 67
4.3.2 Einlaufverluste .................................................. 68
4.3.2.1 Scharfkantiger Einlauf von ebenen und runden Querschnitten .... , 69
4.3.3 Düsenkoeffizienten bei freiem runden Einlauf ........................ 69
4.3.3.1 Lösung des Düsenproblems ................................. 71
4.3.4 Verluste bei Anordnungen von einem Rohr und einer Wand ........ 74
4.3.5 Ventile und Absperrmittel ........................................ , 74
4.4 Wirkung von Sieben in einer Strömung .................................... 76
4.4.1 Übersicht....................................................... 76
4.4.2 Laminarströmung in Schüttungen ............................ . . . . . .. 77
4.5 Große Durchflußwiderstände ............................................ 78
4.5.1 Labyrinthdichtungen ............................................. 78
4.5.2 Große Druckdifferenzen .......................................... 82
Schrifttum zu Kap. 3 und 4 ................................................... 84
5 Vermeidung von Ablösungen ................................................. 86
5.1 Leitschaufeln.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 86
5.2 Mitbewegte Wände. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 92
6 BestgestaItungen von Schlaufenreaktoren ....................................... 94
Schrifttum zu Kap. 6 ........................................................ ' 97
III Technische Anwendungen
7 Strahlenaerodynamik - Modellversuche ........................................ , 98
7.1 Ablenkung von Strahlen durch innere Kräfte ............................... 98
7.2 Ablenkung von Strahlen durch äußere Kräfte ............................... 100
Inhaltsverzeichnis IX
7.3 Modellversuche ........................................................ 101
7.4 Modellversuche bei Gebläsen und Ventilatoren ............................. 103
7.5 Strahlwirkung durch Hilfsklappen bei Tragflügeln ........................... 107
7.6 Strahlwirkung bei Luftkissenfahrzeugen .................................... 107
7.7 Düsentrockner für großflächige Güter ..................................... 109
7.8 Freistrahl von offen laufenden Querstromläufern ....... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 110
8 Gebäudeaerodynamik ....................................................... 111
8.1 Luftkräfte auf normale Gebäude ......................................... 111
8.2 Einsturz der Tacoma-Brücke ............................................. 112
8.3 Hohe Bauwerke ....................................................... 116
Schrifttum zu Kap. 8 ......................................................... 118
9 Belüftung und Klimatisierung ................................................. 120
9.1 Belüftung ............................................................. 120
9.1.1 Freie Strahlen ................................................... 120
9.1.2 Übersicht über runde, ebene und anliegende Strahlen .................. 122
9.1.3 Reichweite von Strahlen bei verschiedenen Dichten und Temperaturen ... 124
9.1.4 Auf eine Wand auftreffende Freistrahlen ............................. 126
9.1.5 Impulsbelüftung ................................................. 126
9.2 Tunnelbelüftung ....................................................... 127
9.2.1 Natürliche Belüftung ............................................. 127
9.2.2 Künstliche Belüftung ............................................. 128
9.2.3 St.-Gotthard-Straßentunnelbelüftung ................................ 129
9.2.4 Strömungstechnische Untersuchungen ............................... 134
Schrifttum zu Abschn. 9.2 ............................................... 134
9.3 Klimatisierung ......................................................... 135
9.3.1 Freistrahlen in begrenzten Räumen ................................. 135
9.3.2 Archimedes-Zahl, Freistrahlen unter Mitwirkung des thermischen Auftriebs 137
9.3.3 Grashof-Zahl .................................................... 139
9.3.4 Schlußfolgerungen ............................................... 141
9.3.5 Praktische Ausführungen .......................................... 144
Schrifttum zu Abschn. 9.3 ............................................... 146
10 Zyklone, Hydrozyklone, Sonderbauarten ....................................... 148
10.1 Zyklone .............................................................. 148
10.2 Hydrozyklone ......................................................... 152
10.3 Sonderbauarten von Hydrozyklonen und anderen Geräten .................... 153
Schrifttum zu Kap. 10 ........................................................ 156
11 Elektrofilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 158
11.1 Grundlagen ........................................................... 158
11.2 Konstruktive Einzelheiten ............................................... 159
Schrifttum zu Kap. 11 ........................................................ 162
x Inhaltsverzeichnis
12 Pneumatische Förderung ..................................................... 163
12.1 Förderung eines Einzelkörpers im schrägen bzw. senkrechten Rohr ............ 163
12.2 Ähnlichkeitsbeziehungen ................................................ 166
12.3 Vertikale Förderung .................................................... 167
12.4 Winkler-Schwebebett ................................................... 171
12.4.1 Winkler-Schwebebett-Feuerung .................................... 173
12.4.2 Winkler-Schwebebett-Reaktionen im Bereich der Kernenergie ........... 176
12.4.3 Kohlevergasung ................................................. 178
12.5 Schwebebett einer konischen Röhre ....................................... 180
12.5.1 Die pneumatische Rinne .......................................... 182
12.6 Horizontale Förderung .................................................. 183
12.6.1 Widerstandszahl ................................................. 186
12.6.2 Einfluß des Rohrquerschnittes ..................................... 186
12.7 Besonderheiten der hydraulischen Förderung ............................... 188
12.7.1 Pneumatischer Transport von ganz feinen Schüttgütern ................. 189
12.8 Pneumatische Fadenförderung in der Textilindustrie ......................... 191
12.8.1 Luftdüsen-Webverfahren .......................................... 191
12.8.2 Pneumatische Spinntechnik ........................................ 194
Schrifttum zu Kap. 12 ........................................................ 194
13 Siehter .................................................................... 197
13.1 Mahlfeinheit (Oberflächenbestimmung nach Blaine) ......................... 197
13.2 Zentrifugalsichter ...................................................... 198
13.3 Zyklon-Umlaufsichter .................................................. 199
13.4 Kanalradsichter ........................................................ 200
14 Verdrängungsverdichtung .................................................... 203
14.1 Vergleich mit früheren Druckwasseranwendungen ........................... 203
14.2 Aufladung durch Druckwellen (nach BBC) ................................. 204
14.3 Konstruktiver Aufbau der Druckwellenmaschine Comprex .................... 204
14.4 Eigenschaften des Comprex und die Besonderheiten Comprex-aufgeladener
Motoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
15 Hochdruckwasserstrahlen, Einsatz bei der Kohleförderung ......................... 209
15.1 Wasserstrahlen ........................................................ 209
15.2 Vermischung von Wasserstrahlen mit der Umluft ............................ 211
15.3 Gesteinszerkleinerung durch Hochdruckwasserstrahlen ....................... 212
15.4 Hydraulische Förderung bei großen Festteilchen ............................ 215
15.5 Strömungstechnische Besonderheiten im Berg-und Tunnelbau ................ 216
Namen-und Sachverzeichnis ..................................................... 221
Bezeichnungen
a Schallgeschwindigkeit 11 Geschwindigkeitskomponente in
A Fläche x-Richtung;
h Breite; Tiefe Umfangsgeschwindigkeit ;
c absolute Geschwindigkeit innere Energie der Masseneinheit
c* Schubgeschwindigkeit U Umfang
cp isobare spezifische Wärme v Geschwindigkeitskomponente in
Cy isochore spezifische Wärme y-Richtung
C Konstante; Luftkräftebeiwerte V Volumen
(s. Indizes)
V Volumendurchfluß
d,D Durchmesser; Profildicke IV Geschwindigkeitskomponente in
E Energie; Elastizitätsmodul ;:-Richtung;
f Funktion; Faktor; Pfeilhöhe; Frequenz Relativgeschwindigkeit ;
F Kraft Arbeit der Masseneinheit
Fr Froude-Zahl W Arbeit
g Sch were beschleunigung x,y, :: rechtwinklige Koordinaten
G Gewicht
11, H Höhe; Enthalpie der Masseneinheit ;: ~ x -,. iy komplexe Zahl
V-=1 " Winkel; Durchflußzahl
1= + imaginäre Einheit 11 Winkel
I zeitbezogener Impuls Winkel
J Trägheitsmoment; Zentrifugal- r Zirkulation
moment Ö Winkel: Coriolis-Koeffizient;
k Beiwert; absolute Rauhigkeit Grenzschichtdicke ; Profildicke
(Wanderhebung) cJ Differenz
I, L Länge; Entfernung c: Winkel; Gleitwinkel;
111 Masse; ÖffnungsverhäItnis Expansionszahl
liz Massendurchfluß Verlustbeiwert
11 Dimension quer zur Bewegungs- ') komplexe Koordinate;
richtung; Drehzahl; Wirkungsgrad; Zähigkeitsbeiwert
Polytropenexponent {} Winkel; Argument der komplexen
P statischer Druck Zahl
Pt Gesamtdruck % I sentropenex ponent
Pd dynamischer Druck Je Rohrreibungsbeiwert
p Leistung /', Kontraktionskoefflzient;
q kinetischer Druck (Staudruck); Machscher Winkel
Wärmemenge der Masseneinheit l' kinematische Zähigkeit
Q Wärmemenge , komplexe Koordinate
r, R Halbmesser; Reibungsarbeit der '! Dichte
Masseneinheit ; Reaktionskraft ; a Normalspannung ;
individuelle Gaskonstante Oberflächenspannung;
Re Reynolds-Zahl Kavitationszahl ; Stoßwinkel
s Länge; Weg; Entropie der T Schubspannung
Masseneinheit 'f Winkel
Siz Strouhal-Zahl r[) Geschwindigkeitspotential
T, t Zeit; Teilung; Temperatur 'I' Winkel
Th Thoma-Zahl 'lf Stromfunktion
TF Turbulenzfaktor w Winkelgeschwindigkeit;
Tu Turbulenzgrad Drehvektor
XII Bezeichnungen
Indizes
0 Ruhezustand (bei Co = 0) bzw. M Moment
Anfang n n-tes Glied
1, 2, ... laufend stromabwärts n, N normal
a Austritt; außen r radial
A Auftrieb R Resultante
e Eintritt t, T tangential
h hydraulisch u Umfang
i innen; beliebig x, y, z bezogen auf rechtwinklige Koordi-
kr kritisch naten
L Laval-Größe W Widerstand
m Durchschnitt; Meridian-Größe = ungestört
"Einheiten
Größe SI-System Techn. System e
Masse kg kps2jm = 9,81 kg a
Kraft N kp = 9,81 N
Arbeit; Energie J = Nm kpm = 9,81 Nm
Wärmemenge J kcal = 4,19 kJ
Leistung W = Jjs kpmjs = 9,81 W
Moment, Drehmoment Nm kpm = 9,81 Nm
DruckjSchubspannung Pa = Njm2 kpjm2 = 9,81 Pa
Druck Pa = Njm2 kpjm2 = 9,81 Pa
Oberflächenspannung Njm kpjm = 9,81 Njm
Dichte kgjm3 kps2jm4 = 9,81 kg/m'
Spezifisches Volumen m3jkg b
Dynamische Viskosität Pa s kpsjm2 = 9,81 Pa s
Impuls, zeitbezogener N kp = 9,81 N
a Für die Normfallbeschleunigung ga ~ 9,80665 m/s2 ist der gerundete Wert 9,81 m/s2
gesetzt.
b Angabe von Einheiten nicht üblich.
e Die Vergleichsangaben zum Technischen System sollen die Heranziehung älterer Literatur
und die Weiterbenutzung von Meßgeräten mit veralteter Meßwertanzeige erleichtern.