Einführung in die Hydromeclianik Gerhard H. Jirka ® UniversitätsverlagKarlsruhe Cöpyrighiedmalerial CopyrlghredcnaBrlal Gerhard H.Jirka Einführung indieIHydromechanik UniversitätKarlsruhe(TH) InstitutfürHydromechanik Einführung in die Hydromechanik von Gerhard H. Jirka Universitätsverlagkarlsruhe Impressum UniversitätsverlagKarlsruhe c/oUniversitätsbibliothek StraßeamForum2 D-76131 Karlsruhe www.uvka.de SAMERIGHTSRESERVED DiesesWerkistunterfolgenderCreativeCommons-Lizenz lizenziert:http://creativecommons.0rg/licenses/by-nc-nd/2.O/de/ UniversitätsverlagKarlsruhe2007 PrintonDemand 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