Fluiddynamik -Fluid dynamics

Typische aerodynamische Tropfenform, unter der Annahme eines viskosen Mediums, das von links nach rechts passiert, zeigt das Diagramm die Druckverteilung als Dicke der schwarzen Linie und zeigt die Geschwindigkeit in der Grenzschicht als violette Dreiecke. Die grünen Wirbelgeneratoren bewirken den Übergang zur turbulenten Strömung und verhindern eine Rückströmung, auch Strömungsablösung genannt , aus dem Hochdruckbereich im Rücken. Die vordere Oberfläche ist möglichst glatt oder sogar mit Haifischhaut versehen , da hier jede Turbulenz die Energie des Luftstroms erhöht. Der als Kammback bezeichnete rechte Abbruch verhindert zudem einen Rückfluss aus dem Hochdruckbereich im Heck über die Spoiler zum konvergenten Teil.

In Physik , physikalischer Chemie und Ingenieurwissenschaften ist die Fluiddynamik eine Teildisziplin der Strömungsmechanik , die die Strömung von FluidenFlüssigkeiten und Gasen – beschreibt . Es hat mehrere Unterdisziplinen, darunter Aerodynamik (die Untersuchung von Luft und anderen Gasen in Bewegung) und Hydrodynamik (die Untersuchung von Flüssigkeiten in Bewegung). Die Fluiddynamik hat ein breites Anwendungsspektrum, darunter die Berechnung von Kräften und Momenten in Flugzeugen , die Bestimmung der Massendurchflussrate von Erdöl durch Pipelines , die Vorhersage von Wettermustern , das Verständnis von Nebeln im interstellaren Raum und die Modellierung der Detonation von Spaltwaffen .

Die Fluiddynamik bietet eine systematische Struktur, die diesen praktischen Disziplinen zugrunde liegt , die empirische und semi-empirische Gesetzmäßigkeiten umfasst, die aus der Strömungsmessung abgeleitet und zur Lösung praktischer Probleme verwendet werden. Die Lösung eines Fluiddynamikproblems beinhaltet typischerweise die Berechnung verschiedener Eigenschaften des Fluids, wie etwa Strömungsgeschwindigkeit , Druck , Dichte und Temperatur , als Funktionen von Raum und Zeit.

Vor dem 20. Jahrhundert war Hydrodynamik gleichbedeutend mit Strömungsdynamik. Dies spiegelt sich immer noch in den Namen einiger Fluiddynamikthemen wider, wie Magnetohydrodynamik und hydrodynamische Stabilität , die beide auch auf Gase angewendet werden können.

Gleichungen

Die grundlegenden Axiome der Fluiddynamik sind die Erhaltungssätze , insbesondere Massenerhaltung , Impulserhaltung und Energieerhaltung (auch als erster Hauptsatz der Thermodynamik bekannt ). Diese basieren auf der klassischen Mechanik und werden in der Quantenmechanik und der Allgemeinen Relativitätstheorie modifiziert . Sie werden unter Verwendung des Transportsatzes von Reynolds ausgedrückt .

Darüber hinaus wird angenommen, dass Flüssigkeiten der Kontinuumsannahme gehorchen . Flüssigkeiten bestehen aus Molekülen, die miteinander kollidieren, und festen Objekten. Die Kontinuumsannahme geht jedoch davon aus, dass Flüssigkeiten kontinuierlich und nicht diskret sind. Folglich wird angenommen, dass Eigenschaften wie Dichte, Druck, Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit an infinitesimal kleinen Punkten im Raum wohldefiniert sind und sich kontinuierlich von einem Punkt zum anderen ändern. Die Tatsache, dass die Flüssigkeit aus diskreten Molekülen besteht, wird ignoriert.

Für Flüssigkeiten, die ausreichend dicht sind, um ein Kontinuum zu bilden, keine ionisierten Spezies enthalten und Strömungsgeschwindigkeiten haben, die im Verhältnis zur Lichtgeschwindigkeit klein sind, sind die Impulsgleichungen für Newtonsche Flüssigkeiten die Navier-Stokes-Gleichungen – was eine Nicht- linearer Satz von Differentialgleichungen , der die Strömung eines Fluids beschreibt, dessen Spannung linear von Strömungsgeschwindigkeitsgradienten und Druck abhängt. Die nicht vereinfachten Gleichungen haben keine allgemeine Lösung in geschlossener Form , daher sind sie hauptsächlich in der numerischen Strömungsmechanik von Nutzen . Die Gleichungen können auf verschiedene Weise vereinfacht werden, wodurch sie leichter zu lösen sind. Einige der Vereinfachungen ermöglichen es, einige einfache Probleme der Fluiddynamik in geschlossener Form zu lösen.

Zusätzlich zu den Massen-, Impuls- und Energieerhaltungsgleichungen wird eine thermodynamische Zustandsgleichung benötigt, die den Druck als Funktion anderer thermodynamischer Variablen angibt, um das Problem vollständig zu beschreiben. Ein Beispiel dafür wäre die perfekte Gaszustandsgleichung :

wobei p der Druck , ρ die Dichte und T die absolute Temperatur ist , während Ru die Gaskonstante und M die Molmasse für ein bestimmtes Gas ist . Eine konstitutive Beziehung kann auch nützlich sein.

Naturschutzgesetze

Drei Erhaltungssätze werden verwendet, um Probleme der Fluiddynamik zu lösen, und können in integraler oder differentieller Form geschrieben werden. Die Erhaltungsgesetze können auf einen als Kontrollvolumen bezeichneten Bereich der Strömung angewendet werden . Ein Kontrollvolumen ist ein diskretes Volumen im Raum, durch das Fluid fließen soll. Die integralen Formulierungen der Erhaltungssätze werden verwendet, um die Änderung von Masse, Impuls oder Energie innerhalb des Kontrollvolumens zu beschreiben. Differentialformulierungen der Erhaltungssätze wenden den Satz von Stokes an, um einen Ausdruck zu erhalten, der als integrale Form des Gesetzes interpretiert werden kann, das auf ein infinitesimal kleines Volumen (an einem Punkt) innerhalb der Strömung angewendet wird.

Massenkontinuität (Erhaltung der Masse)
Die Änderungsrate der Fluidmasse innerhalb eines Kontrollvolumens muss gleich der Nettorate des Fluidflusses in das Volumen sein. Physikalisch setzt diese Aussage voraus, dass im Kontrollvolumen weder Masse erzeugt noch vernichtet wird, und lässt sich in die integrale Form der Kontinuitätsgleichung übersetzen:
\oiint
Oben ist ρ die Flüssigkeitsdichte, u der Strömungsgeschwindigkeitsvektor und t die Zeit. Die linke Seite des obigen Ausdrucks ist die Zunahmerate der Masse innerhalb des Volumens und enthält ein dreifaches Integral über das Kontrollvolumen, während die rechte Seite eine Integration über die Oberfläche des Kontrollvolumens der in das konvektive Masse enthält System. Der Massenfluss in das System wird als positiv betrachtet, und da der Normalenvektor zur Oberfläche der Richtung des Flusses in das System entgegengesetzt ist, wird der Term verneint. Die Differentialform der Kontinuitätsgleichung lautet nach dem Divergenzsatz :
Impulserhaltung
Newtons zweites Bewegungsgesetz, das auf ein Kontrollvolumen angewendet wird, ist eine Aussage, dass jede Änderung des Impulses der Flüssigkeit innerhalb dieses Kontrollvolumens auf den Nettofluss des Impulses in das Volumen und die Wirkung externer Kräfte zurückzuführen ist, die auf die Flüssigkeit innerhalb des Volumens einwirken Volumen.
\oiint \oiint

In der obigen Integralformulierung dieser Gleichung ist der linke Term die Nettoimpulsänderung innerhalb des Volumens. Der erste Term auf der rechten Seite ist die Nettorate, mit der Impuls in das Volumen übertragen wird. Der zweite Term auf der rechten Seite ist die Kraft aufgrund des Drucks auf die Oberflächen des Volumens. Die ersten beiden Terme rechts werden negiert, da der in das System eintretende Impuls als positiv betrachtet wird und die Normale der Richtung der Geschwindigkeit u und der Druckkräfte entgegengesetzt ist. Der dritte Term auf der rechten Seite ist die Nettobeschleunigung der Masse innerhalb des Volumens aufgrund von Körperkräften (hier dargestellt durch f body ). Oberflächenkräfte , wie z. B. viskose Kräfte, werden durch F surf dargestellt , die Nettokraft aufgrund von Scherkräften, die auf die Volumenoberfläche wirken. Die Impulsbilanz kann auch für ein bewegtes Kontrollvolumen geschrieben werden.

Das Folgende ist die Differentialform der Impulserhaltungsgleichung. Hier wird das Volumen auf einen infinitesimal kleinen Punkt reduziert, und sowohl Oberflächen- als auch Körperkräfte werden in einer Gesamtkraft F berücksichtigt . Beispielsweise kann F zu einem Ausdruck für die an einem Punkt in einer Strömung wirkenden Reibungs- und Gravitationskräfte erweitert werden.

In der Aerodynamik wird angenommen, dass Luft eine Newtonsche Flüssigkeit ist , die eine lineare Beziehung zwischen der Scherspannung (aufgrund der inneren Reibungskräfte) und der Dehnungsrate der Flüssigkeit postuliert. Die obige Gleichung ist eine Vektorgleichung in einem dreidimensionalen Fluss, kann aber als drei skalare Gleichungen in drei Koordinatenrichtungen ausgedrückt werden. Die Impulserhaltungsgleichungen für den Fall der kompressiblen, viskosen Strömung werden als Navier-Stokes-Gleichungen bezeichnet.
Energieerhaltung
Obwohl Energie von einer Form in eine andere umgewandelt werden kann, bleibt die Gesamtenergie in einem geschlossenen System konstant.
Oben ist h die spezifische Enthalpie , k die Wärmeleitfähigkeit des Fluids, T die Temperatur und Φ die viskose Dissipationsfunktion. Die viskose Dissipationsfunktion bestimmt die Geschwindigkeit, mit der die mechanische Energie der Strömung in Wärme umgewandelt wird. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik erfordert, dass der Dissipationsterm immer positiv ist: Viskosität kann innerhalb des Kontrollvolumens keine Energie erzeugen. Der Ausdruck auf der linken Seite ist eine materielle Ableitung .

Klassifikationen

Kompressibler versus inkompressibler Fluss

Alle Flüssigkeiten sind bis zu einem gewissen Grad komprimierbar ; das heißt, Druck- oder Temperaturänderungen verursachen Dichteänderungen. In vielen Situationen sind die Druck- und Temperaturänderungen jedoch ausreichend klein, so dass die Dichteänderungen vernachlässigbar sind. In diesem Fall kann die Strömung als inkompressible Strömung modelliert werden . Andernfalls müssen die allgemeineren kompressiblen Strömungsgleichungen verwendet werden.

Mathematisch wird Inkompressibilität ausgedrückt, indem man sagt, dass sich die Dichte ρ eines Fluidpakets nicht ändert, wenn es sich im Strömungsfeld bewegt, d.h.

Wo D/D tist die materielle Ableitung , die die Summe der lokalen und konvektiven Ableitungen ist . Diese zusätzliche Einschränkung vereinfacht die maßgeblichen Gleichungen, insbesondere in dem Fall, wenn das Fluid eine gleichmäßige Dichte hat.

Um bei Gasströmungen zu bestimmen, ob kompressible oder inkompressible Fluiddynamik verwendet werden soll, wird die Machzahl der Strömung ausgewertet. Als grobe Richtlinie können komprimierbare Effekte bei Machzahlen unter etwa 0,3 vernachlässigt werden. Ob die Annahme der Inkompressibilität für Flüssigkeiten gültig ist, hängt von den Fluideigenschaften (insbesondere dem kritischen Druck und der Temperatur des Fluids) und den Strömungsbedingungen ab (wie nahe der tatsächliche Strömungsdruck dem kritischen Druck kommt). Akustische Probleme erfordern immer das Zulassen von Kompressibilität, da Schallwellen Kompressionswellen sind, die Änderungen des Drucks und der Dichte des Mediums beinhalten, durch das sie sich ausbreiten.

Newtonsche versus nicht-Newtonsche Flüssigkeiten

Strömung um ein Tragflächenprofil

Alle Flüssigkeiten außer Superflüssigkeiten sind viskos, was bedeutet, dass sie der Verformung einen gewissen Widerstand entgegensetzen: Benachbarte Flüssigkeitspakete, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen, üben viskose Kräfte aufeinander aus. Der Geschwindigkeitsgradient wird als Dehnungsrate bezeichnet ; es hat die Dimensionen T –1 . Isaac Newton zeigte, dass für viele bekannte Flüssigkeiten wie Wasser und Luft die Spannung aufgrund dieser viskosen Kräfte linear mit der Dehnungsrate zusammenhängt. Solche Flüssigkeiten werden Newtonsche Flüssigkeiten genannt . Der Proportionalitätskoeffizient wird als Viskosität der Flüssigkeit bezeichnet; für Newtonsche Flüssigkeiten ist es eine Flüssigkeitseigenschaft, die unabhängig von der Dehnungsrate ist.

Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten haben ein komplizierteres, nichtlineares Spannungs-Dehnungs-Verhalten. Die Teildisziplin Rheologie beschreibt das Spannungs-Dehnungs-Verhalten solcher Flüssigkeiten, zu denen Emulsionen und Schlämme , einige viskoelastische Materialien wie Blut und einige Polymere sowie klebrige Flüssigkeiten wie Latex , Honig und Schmiermittel gehören .

Reibungsloser vs. viskoser vs. Stokes-Flow

Die Dynamik von Fluidpaketen wird mit Hilfe des zweiten Newtonschen Gesetzes beschrieben . Ein beschleunigtes Flüssigkeitspaket unterliegt Trägheitseffekten.

Die Reynolds-Zahl ist eine dimensionslose Größe , die die Größe von Trägheitseffekten im Vergleich zur Größe von viskosen Effekten charakterisiert. Eine niedrige Reynolds-Zahl ( Re ≪ 1 ) zeigt an, dass viskose Kräfte im Vergleich zu Trägheitskräften sehr stark sind. In solchen Fällen werden Trägheitskräfte manchmal vernachlässigt; dieses Strömungsregime wird als Stokes oder Kriechströmung bezeichnet .

Im Gegensatz dazu weisen hohe Reynolds-Zahlen ( Re ≫ 1 ) darauf hin, dass die Trägheitseffekte einen größeren Einfluss auf das Geschwindigkeitsfeld haben als die viskosen (Reibungs-) Effekte. Bei Strömungen mit hoher Reynoldszahl wird die Strömung oft als reibungsfreie Strömung modelliert , eine Näherung, bei der die Viskosität vollständig vernachlässigt wird. Durch das Eliminieren der Viskosität können die Navier-Stokes-Gleichungen zu den Euler-Gleichungen vereinfacht werden . Die Integration der Euler-Gleichungen entlang einer Stromlinie in einer reibungsfreien Strömung ergibt die Bernoulli-Gleichung . Wenn die Strömung nicht nur glatt, sondern überall rotationsfrei ist , kann die Bernoulli-Gleichung die Strömung überall vollständig beschreiben. Solche Strömungen werden potentielle Strömungen genannt , weil das Geschwindigkeitsfeld als Gradient eines potentiellen Energieausdrucks ausgedrückt werden kann.

Diese Idee kann ziemlich gut funktionieren, wenn die Reynolds-Zahl hoch ist. Jedoch können Probleme wie solche mit festen Grenzen erfordern, dass die Viskosität einbezogen wird. Die Viskosität kann in der Nähe von Festkörpergrenzen nicht vernachlässigt werden, da die rutschfeste Bedingung einen dünnen Bereich mit großer Dehnungsrate erzeugt, die Grenzschicht , in der Viskositätseffekte dominieren und die somit Wirbel erzeugt . Um Nettokräfte auf Körper (wie Flügel) zu berechnen, müssen daher Gleichungen für viskose Strömungen verwendet werden: Die Theorie der reibungsfreien Strömung kann keine Widerstandskräfte vorhersagen , eine Einschränkung, die als Paradoxon von d'Alembert bekannt ist .

Ein häufig verwendetes Modell, insbesondere in der Computational Fluid Dynamics , ist die Verwendung von zwei Strömungsmodellen: die Euler-Gleichungen entfernt vom Körper und die Grenzschichtgleichungen in einem körpernahen Bereich. Die beiden Lösungen können dann mit der Methode der angepassten asymptotischen Entwicklung aneinander angepasst werden .

Stetiger vs. unsteter Fluss

Hydrodynamische Simulation der Rayleigh-Taylor-Instabilität

Ein Fluss, der keine Funktion der Zeit ist, wird als stationärer Fluss bezeichnet . Der stationäre Fluss bezieht sich auf den Zustand, in dem sich die Flüssigkeitseigenschaften an einem Punkt im System im Laufe der Zeit nicht ändern. Der zeitabhängige Fluss wird als instationär (auch als transient bezeichnet) bezeichnet. Ob eine bestimmte Strömung stationär oder instationär ist, kann vom gewählten Bezugsrahmen abhängen. Beispielsweise ist die laminare Strömung über einer Kugel im Bezugssystem stationär in Bezug auf die Kugel. In einem Bezugssystem, das in Bezug auf eine Hintergrundströmung stationär ist, ist die Strömung instationär.

Turbulente Strömungen sind per Definition instationär. Eine turbulente Strömung kann jedoch statistisch stationär sein . Das zufällige Geschwindigkeitsfeld U ( x , t ) ist statistisch stationär, wenn alle Statistiken unter einer Zeitverschiebung unveränderlich sind. Das bedeutet ungefähr, dass alle statistischen Eigenschaften zeitlich konstant sind. Oft ist das mittlere Feld das interessierende Objekt, und dieses ist auch in einem statistisch stationären Fluss konstant.

Stetige Strömungen sind oft besser handhabbar als ansonsten ähnliche instationäre Strömungen. Die maßgeblichen Gleichungen eines stationären Problems haben eine Dimension weniger (Zeit) als die maßgeblichen Gleichungen desselben Problems, ohne die Stetigkeit des Strömungsfelds auszunutzen.

Laminare versus turbulente Strömung

Der Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung

Turbulenz ist eine Strömung, die durch Rezirkulation, Wirbel und scheinbare Zufälligkeit gekennzeichnet ist . Eine Strömung, in der keine Turbulenzen auftreten, wird als laminar bezeichnet . Das Vorhandensein von Wirbeln oder Rezirkulation allein weist nicht unbedingt auf eine turbulente Strömung hin – diese Phänomene können auch bei laminarer Strömung vorhanden sein. Mathematisch wird turbulente Strömung oft über eine Reynolds-Zerlegung dargestellt, bei der die Strömung in die Summe einer mittleren Komponente und einer Störungskomponente zerlegt wird .

Es wird angenommen, dass turbulente Strömungen gut durch die Verwendung der Navier-Stokes-Gleichungen beschrieben werden können . Direkte numerische Simulation (DNS), basierend auf den Navier-Stokes-Gleichungen, ermöglicht es, turbulente Strömungen bei moderaten Reynolds-Zahlen zu simulieren. Einschränkungen hängen von der Leistung des verwendeten Computers und der Effizienz des Lösungsalgorithmus ab. Es wurde festgestellt, dass die Ergebnisse von DNS für einige Flüsse gut mit experimentellen Daten übereinstimmen.

Die meisten Zinsflüsse haben Reynolds-Zahlen, die viel zu hoch sind, als dass DNS angesichts der Rechenleistung für die nächsten Jahrzehnte eine praktikable Option wäre. Jedes Fluggerät, das groß genug ist, um einen Menschen zu tragen ( L > 3 m), und sich schneller als 20 m/s (72 km/h; 45 mph) bewegt, liegt weit über der Grenze der DNS-Simulation ( Re = 4 Millionen). Flügel von Transportflugzeugen (z. B. bei einem Airbus A300 oder einer Boeing 747 ) haben Reynolds-Zahlen von 40 Millionen (basierend auf der Flügelsehnendimension). Die Lösung dieser realen Strömungsprobleme erfordert auf absehbare Zeit Turbulenzmodelle. Reynolds-gemittelte Navier-Stokes-Gleichungen (RANS) in Kombination mit Turbulenzmodellierung liefern ein Modell der Auswirkungen der turbulenten Strömung. Eine solche Modellierung liefert hauptsächlich den zusätzlichen Impulsübertrag durch die Reynolds-Spannungen , obwohl die Turbulenz auch den Wärme- und Stofftransport verstärkt . Eine weitere vielversprechende Methode ist die Large-Eddy-Simulation (LES), insbesondere in Gestalt der Detached-Eddy-Simulation (DES) – eine Kombination aus RANS-Turbulenzmodellierung und Large-Eddy-Simulation.

Andere Annäherungen

Es gibt eine große Anzahl anderer möglicher Annäherungen an fluiddynamische Probleme. Einige der am häufigsten verwendeten sind unten aufgeführt.

Multidisziplinäre Typen

Strömungen nach Mach-Regimen

Während viele Strömungen (z. B. die Strömung von Wasser durch ein Rohr) bei niedrigen Machzahlen ( Unterschallströmungen ) auftreten, treten viele Strömungen von praktischem Interesse in der Aerodynamik oder in Turbomaschinen bei hohen Anteilen von M = 1 ( Transsonikströmungen ) oder darüber auf ( Überschall- oder sogar Hyperschallströmungen ). Bei diesen Regimen treten neue Phänomene auf, wie z. B. Instabilitäten in transsonischen Strömungen, Stoßwellen für Überschallströmungen oder chemisches Nichtgleichgewichtsverhalten aufgrund von Ionisation in Hyperschallströmungen. In der Praxis wird jedes dieser Strömungsregime separat behandelt.

Reaktive versus nicht reaktive Strömungen

Reaktive Strömungen sind chemisch reaktive Strömungen, die ihre Anwendungen in vielen Bereichen finden, einschließlich Verbrennung ( Verbrennungsmotor ), Antriebsvorrichtungen ( Raketen , Strahltriebwerke usw.), Detonationen , Brand- und Sicherheitsgefahren sowie Astrophysik. Zusätzlich zur Erhaltung von Masse, Impuls und Energie muss die Erhaltung einzelner Spezies (z. B. Massenanteil von Methan bei der Methanverbrennung) abgeleitet werden, wobei die Produktions-/Abbaurate jeder Spezies durch gleichzeitiges Lösen der chemischen Gleichungen erhalten wird Kinetik .

Magnetohydrodynamik

Magnetohydrodynamik ist die multidisziplinäre Untersuchung der Strömung elektrisch leitender Flüssigkeiten in elektromagnetischen Feldern. Beispiele für solche Fluide sind Plasmen , flüssige Metalle und Salzwasser . Die Flüssigkeitsströmungsgleichungen werden gleichzeitig mit den Maxwell-Gleichungen des Elektromagnetismus gelöst.

Relativistische Strömungsdynamik

Die relativistische Fluiddynamik untersucht die makroskopische und mikroskopische Fluidbewegung bei großen Geschwindigkeiten, die mit der Lichtgeschwindigkeit vergleichbar sind . Dieser Zweig der Fluiddynamik berücksichtigt die relativistischen Effekte sowohl aus der speziellen Relativitätstheorie als auch aus der allgemeinen Relativitätstheorie . Die maßgeblichen Gleichungen werden in Riemannscher Geometrie für die Minkowski-Raumzeit hergeleitet .

Schwankende Hydrodynamik

Dieser Zweig der Fluiddynamik erweitert die standardmäßigen hydrodynamischen Gleichungen um stochastische Flüsse, die thermische Fluktuationen modellieren. Wie von Landau und Lifshitz formuliert , wird ein Beitrag des weißen Rauschens , der aus dem Fluktuations-Dissipations-Theorem der statistischen Mechanik erhalten wird , dem viskosen Spannungstensor und dem Wärmefluss hinzugefügt .

Terminologie

Das Konzept des Drucks ist von zentraler Bedeutung für die Untersuchung sowohl der Fluidstatik als auch der Fluiddynamik. Für jeden Punkt in einem Flüssigkeitskörper kann ein Druck bestimmt werden, unabhängig davon, ob die Flüssigkeit in Bewegung ist oder nicht. Der Druck kann mit einem Aneroid, einer Bourdon-Röhre, einer Quecksilbersäule oder verschiedenen anderen Methoden gemessen werden.

Ein Teil der Terminologie, die für das Studium der Fluiddynamik erforderlich ist, wird in anderen ähnlichen Studienbereichen nicht gefunden. Insbesondere einige der in der Fluiddynamik verwendeten Terminologien werden in der Fluidstatik nicht verwendet .

Terminologie in der inkompressiblen Fluiddynamik

Die Konzepte des Gesamtdrucks und des dynamischen Drucks ergeben sich aus der Bernoulli-Gleichung und sind für die Untersuchung aller Flüssigkeitsströmungen von Bedeutung. (Diese beiden Drücke sind keine Drücke im üblichen Sinne – sie können nicht mit einem Aneroid, einer Bourdon-Röhre oder einer Quecksilbersäule gemessen werden.) Um mögliche Mehrdeutigkeiten bei der Bezugnahme auf Druck in der Fluiddynamik zu vermeiden, verwenden viele Autoren den Begriff statischer Druck, um ihn davon zu unterscheiden Totaldruck und dynamischer Druck. Statischer Druck ist identisch mit Druck und kann für jeden Punkt in einem Fluidströmungsfeld identifiziert werden.

Von besonderer Bedeutung ist ein Punkt in einer Flüssigkeitsströmung, an dem die Strömung zum Stillstand gekommen ist (d. h. die Geschwindigkeit ist gleich Null neben einem in die Flüssigkeitsströmung eingetauchten Festkörper). Es ist so wichtig, dass ihm ein besonderer Name gegeben wird – ein Staupunkt . Von besonderer Bedeutung ist der statische Druck am Staupunkt, der einen eigenen Namen erhält – Staudruck . Bei inkompressiblen Strömungen ist der Staudruck an einem Staupunkt gleich dem Gesamtdruck im gesamten Strömungsfeld.

Terminologie in der Dynamik kompressibler Fluide

In einem kompressiblen Fluid ist es zweckmäßig, die Gesamtbedingungen (auch Stagnationsbedingungen genannt) für alle thermodynamischen Zustandseigenschaften (wie Gesamttemperatur, Gesamtenthalpie, Gesamtschallgeschwindigkeit) zu definieren. Diese Gesamtströmungsbedingungen sind eine Funktion der Fluidgeschwindigkeit und haben unterschiedliche Werte in Bezugsrahmen mit unterschiedlicher Bewegung.

Um potenzielle Mehrdeutigkeiten zu vermeiden, wenn auf die Eigenschaften des Fluids Bezug genommen wird, die mit dem Zustand des Fluids und nicht mit seiner Bewegung verbunden sind, wird üblicherweise das Präfix "statisch" verwendet (z. B. statische Temperatur und statische Enthalpie). Wo es kein Präfix gibt, ist die Fluideigenschaft der statische Zustand (also bedeuten "Dichte" und "statische Dichte" dasselbe). Die statischen Verhältnisse sind unabhängig vom Bezugssystem.

Da die Gesamtströmungsbedingungen dadurch definiert werden, dass das Fluid isentropisch zur Ruhe gebracht wird, muss nicht zwischen Gesamtentropie und statischer Entropie unterschieden werden, da sie per Definition immer gleich sind. Daher wird Entropie am häufigsten einfach als "Entropie" bezeichnet.

Um

Studienbereiche

Mathematische Gleichungen und Konzepte

Arten von Flüssigkeitsströmungen

Fluideigenschaften

Fluidphänomene

Anwendungen

Zeitschriften für Fluiddynamik

Sonstig

Siehe auch

  • Querruder  – Flugzeugsteuerfläche, die verwendet wird, um Rollen zu induzieren
  • Flugzeug  – Angetriebenes, fliegendes Fahrzeug mit Flügeln
  • Anstellwinkel  – Winkel zwischen der Sehne eines Flügels und dem ungestörten Luftstrom
  • Steilkurve  – Neigung der Straße oder Oberfläche, die nicht eben ist
  • Bernoulli-Prinzip  – Prinzip in Bezug auf die Strömungsdynamik
  • Bilgebrett
  • Bumerang  – Wurfwerkzeug und Waffe
  • Centerboard  – Einziehbarer Kiel, der aus einem Schlitz im Rumpf eines Segelboots schwenkt
  • Sehne (Flugzeug)  – Imaginäre gerade Linie, die die Vorder- und Hinterkante eines Tragflügels verbindet
  • Circulation Control Wing  - Flugzeug-Hochauftriebsvorrichtung
  • Currentology  – Wissenschaft, die die inneren Bewegungen von Wassermassen untersucht
  • Tauchflugzeug  - U-Boot-Steuerfläche zur Kontrolle der Tiefe
  • Abtrieb  – Auftriebskraft nach unten, die durch die aerodynamischen Eigenschaften eines Fahrzeugs erzeugt wird
  • Luftwiderstandsbeiwert  – Dimensionsloser Parameter zur Quantifizierung des Flüssigkeitswiderstands
  • Flosse  – Dünne Komponente oder Anhängsel, die an einem größeren Körper oder einer größeren Struktur befestigt ist
  • Flosse (Anatomie)  – Abgeflachte Extremität, die für den Antrieb und das Manövrieren im Wasser geeignet ist
  • Strömungsablösung  – Ablösung einer Grenzschicht von einer Oberfläche in einen Nachlauf
  • Folie (Strömungsmechanik)  – Festes Objekt, das in der Strömungsmechanik verwendet wird
  • Flüssigkeitskupplung  – Vorrichtung zur Übertragung rotierender mechanischer Kraft
  • Gaskinetik  – Untersuchung der Bewegung von Gasen
  • Hydrofoil  – Eine Art schnelles Wasserfahrzeug und der Name der Technologie, die es verwendet
  • Kiel  - Strukturelement der unteren Mittellinie eines Schiffs- oder Bootsrumpfes (hydrodynamisch)
  • Küssner-Effekt  - Instationäre aerodynamische Kräfte auf ein Tragflügel- oder Tragflächenprofil, die durch das Auftreffen auf eine Querböe verursacht werden
  • Kutta-Bedingung  - Prinzip der Fluiddynamik in Bezug auf Körper mit scharfen Ecken
  • Kutta-Joukowski-Theorem  - Formel, die den Auftrieb eines Tragflügels mit der Geschwindigkeit, Dichte und Zirkulation der Flüssigkeit in Beziehung setzt
  • Auftriebskoeffizient  – ​​Dimensionslose Größe, die den Auftrieb mit der Flüssigkeitsdichte und -geschwindigkeit über einen Bereich in Beziehung setzt
  • Auftriebswiderstand  - Art des aerodynamischen Widerstands gegen die Bewegung eines Flügels oder eines anderen Tragflügels
  • Verhältnis von Auftrieb zu Luftwiderstand  – Maß für die aerodynamische Effizienz
  • Auftriebslinientheorie  – Mathematisches Modell zur Quantifizierung des Auftriebs
  • NACA-Profil  – Flügelform
  • Newtons drittes Gesetz  – Physikalische Gesetze über Kraft und Bewegung
  • Propeller  – Gerät, das Rotationskraft in linearen Schub auf eine Flüssigkeit umwandelt
  • Pumpe  – Gerät, das den Flüssigkeiten durch mechanische Einwirkung Energie zuführt
  • Ruder  – Steuerfläche für die fluiddynamische Steuerung in der Gierachse
  • Segel  - Stoff oder andere Oberfläche, die von einem Mast getragen wird, um Windantrieb zu ermöglichen (Aerodynamik)
  • Skeg  - Verlängerung des Kiels eines Bootes auf der Rückseite, auch die Flosse eines Surfbretts
  • Spoiler (Automobil)  – Vorrichtung zur Verringerung des Luftwiderstands
  • Stall (Flug)  - Abrupte Verringerung des Auftriebs aufgrund von Strömungsablösung
  • Surfbrettfinne  – Teil eines Surfbretts
  • Oberflächenwissenschaft  – Untersuchung physikalischer und chemischer Phänomene, die an der Grenzfläche zweier Phasen auftreten
  • Drehmomentwandler  – Flüssigkeitskupplung, die Drehkraft von einer Antriebsmaschine auf eine rotierende angetriebene Last überträgt
  • Trimmklappe  – Boots- oder Flugzeugkomponente
  • Flügel  – Flugfläche, zum Beispiel von Insekten, Vögeln, Fledermäusen und Flugzeugen
  • Flügelspitzenwirbel  – Turbulenzen, die durch Luftdruckunterschiede auf beiden Seiten des Flügels verursacht werden

Verweise

Weiterlesen

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  • Nazarenko, Sergey (2014), Fluiddynamik über Beispiele und Lösungen , CRC Press (Taylor & Francis Group), ISBN 978-1-43-988882-7
  • Enzyklopädie: Fluiddynamik Scholarpedia

Externe Links