Abgelöste Strömungen Physikalische Grundlagen by Alfred Leder

By Alfred Leder

Auf vielen technischen Gebieten, insbesondere der Luft-und Raumfahrt, der Verkehrs und Schiffstechnik, aber auch der Energie- und Warmetechnik muss sich der Ingenieur sehr haufig mit dem physikalischen Phanomen der Stromungsablosung auseinander setzen. Als Folge der Ablosung entwickeln sich lokal stark dissipative, mit grossraumigen Wirbeln durchsetzte, turbulente Stromungsgebiete. Sie werden je nach ihrer Struktur und Grosse als Abloseblase, Totwasser oder Nachlauf bezeichnet. Diese lokalen Stro mungsgebiete haben einen grossen Einfluss auf das gesamte Stromungsfeld und konnen die Krafte-, die Energie-, aber auch die Warme- und Stoffubertragungsverhaltnisse an den bestromten Berandungen zum Teil dramatisch verandern. Sie konnen bekanntlich Ursa che u. a. fur eine starke Zunahme des Stromungswiderstandes an umstromten Korpern oder des Druckverlustes bei Innenstromungen sein oder zur Abnahme des Wirkungsgra des einer Stromungsmaschine fuhren. Die genaue Kenntnis dieser z. T. sehr komplexen Ablosephanomene, ihre Voraus bestimmung und die moglichen Massnahmen zu ihrer Vermeidung sind daher von grossem Interesse fur den planenden Ing

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1,0 0,0 . • ~~. j~ axia Isym met risch e 0 Rohrströmung mit v Diffusor: Weiser. Nitsche (1987) 0 'T 1,0 I 2,0 • Cl • ~ ebene Kanalströmung mit Stufe: Driver. 8: Verlauf der normierten Wandschubspannung in Ablösegebieten von Innenströmungen. 6 Ablösungen bei Innenströmungen Bei geringen Stufenwinkeln a < 20' 27 sind die Abmessungen der Ablösegebiete nicht mehr konstant. In diesen Fällen erfolgt die Strömungsablösung stromab der Stufenkante. Da die Scherschicht bei der Ablösung von der Stufenwandung in diesen Fällen bereits einen größeren Neigungswinkel in Richtung der Wiederanlegestelle Xr aufweist, ergeben sich kürzere Rezirkulationsgebiete.

6. Unmittelbar hinter den Klappen befindet sich die Erweiterung des Aortenstammes (Bulbus aortae). Bellhouse und Talbot (1969) untersuchten die Strömungsvorgänge an einem Modell des Aortenventils. Zu Beginn der Systole setzt die Öffnung der Klappentaschen infolge des Druckgradienten zwischen linker Herzkammer und Aorta ein. 5 Strömungsablösungen im medizinischen Bereich 21 an den drei Klappen Ablösewirbel entstehen. Der Unterdruck im Ablösegebiet auf den Klappenrückseiten bewirkt die Fortsetzung des Öffnungsvorgangs.

Er verwendete die dreidimensionalen, inkompressiblen und zeitabhängigen Navier-Stokes-Gleichungen, die ohne Turbulenzmodell gelöst wurden. Spalart (1988) führte ähnliche Rechnungen an einer turbulenten Plattengrenzschicht mit 10 7 Gitterpunkten aus. Die direkten Lösungsverfahren versagen bei technisch relevanten Strömungen, da die Dissipationsprozesse in mikroskopisch kleinen Turbulenzelementen ablaufen. In dem Mikroskalen - Bereich setzt sich ein Teil der Fluidenergie in Reibungswärme um. Die Gesamtheit dieser Vorgänge äußert sich makroskopisch im Strömungswiderstand.

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