TFH-Presse 3/2007 - Beuth Hochschule für Technik Berlin

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campus
Mit der Strömungslehre durch den Alltag
Die Strömungslehre und ihre Phänomene begleiten uns jeden Tag unbewusst
24 Stunden lang: Nachts im Schlaf arbeitet das Herz als Pumpe für den Blutkreislauf.
Schon Goethe wusste, dass Blut »ein besonderer Saft« ist und im Gegensatz zu
Wasser feste Teilchen und ein verändertes Strömungsverhalten besitzt.
Beim Öffnen des Wasserhahns fällt auf,
dass das Wasser entweder gleichmäßig
(laminar) oder fast undurchsichtig und
verwirbelt (turbulent) ausströmt, zwei
unterschiedliche Strömungszustände mit
verschiedenen Folgen. Außerdem kann
man im Waschbecken einen Wassersprung
beim Auftreffen des Wassers aufs
Porzellan beobachten. Trifft ein Wasserstrahl
stattdessen auf eine Wasseroberfläche,
springt ein Tropfen wieder aus der
Oberfläche heraus.
Hängt man nach dem Waschen das
Handtuch an den Haken, wird dieser oft
durch einen Saugnapf (Hydrostatischer
Unterdruck) gehalten. Mit derselben
Technik werden große Glasscheiben
transportiert.
Damit das Wasser aus dem Hahn
fließen kann, muss der Wasserdruck in
der Leitung höher sein als der Umgebungsdruck
in der Luft (Hydrostatischer
Überdruck). Dies wird u.a. mit Kreiselpumpen
(Strömungsmaschinen) bewerkstelligt.
Wassertürme halten diesen Druck.
Den Umschlag laminar/turbulent – er
lässt sich mittels einer dimensionslosen
Kennzahl (Reynolds-Zahl) angeben –
kann man auch beim Aufsteigen von
Zigarettenrauch beobachten: anfangs
gleichmäßig, um später in eine verwirbelte
Strömung überzugehen. Schon Leonardo
da Vinci hielt Wirbelbildungen hinter
Steinen und Bäumen in Flüssen mittels
Zeichnungen fest. Bei gleichen Bedingungen
wird die Strömung turbulent bei
höheren Geschwindigkeiten. Auch die
Zähigkeit des strömenden Mediums hat
einen deutlichen Einfluss auf das Strömungsverhalten.
Honig »fließt« anders
als Wasser. Erreicht die Strömungsgeschwindigkeit
sogar die Schallgeschwindigkeit,
treten weitere Effekte auf (Verdichtungsstoß,
starke Druckänderungen,
Überschallknall in der Luft beim bzw.
beim Peitschenknall). Zur Beschreibung
wird eine dimensionslose Kennzahl
(Mach-Zahl) verwendet. Flüssigkeiten
und Gase werden in der Strömungslehre
allgemein unter dem Begriff Fluide
zusammengefasst (Fluiddynamik).
Morgens nach dem Kaffeetrinken
(weiße Milch macht die strömungstechnische
Vermischung mit dem schwarzen
Kaffee sichtbar) geht es zur TFH. Vor dem
Haus Gauß flattern an den Masten die
Fahnen im Wind. Selbst wenn keine
Fahnen befestigt sind, bewegen sich die
Halteseile (ein strömungstechnisches
Phänomen: Galopping/Buffeting).
Auf dem Campus versorgen Rasensprenger
die Pflanzen mit Wasser. Die
Spitzen der hohen Bäume erhalten dabei
das lebensnotwendige Wasser durch
Kapillarwirkung, die auch bei Löschpapier
und Schwämmen eine Rolle
spielt. Etwas heftiger wird die Luftströmung,
wenn der Wind weht. Diese Kräfte
(durch Umströmung eines Körpers) werden
Widerstandskräfte genannt. Sie entstehen
durch Reibung und/oder durch
die Körperform, so dass hinter dem
Körper ein verwirbeltes Totwassergebiet
(Unterdruck) gebildet wird. Widerstandsvermindernde
Anordnungen durch
Fahren im Windschatten machen sich
Radrennfahrer und Inline-Skater zunutze.
cw-Werte
In der Technik rechnet man Widerstandskräfte
mit geeigneten Referenzwerten
in dimensionslose Widerstandsbeiwerte
(cw-Werte) um. Bekannt sind
diese vor allem von Kraftfahrzeugen.
Strömungsgünstige Autos aus der Serienfertigung
erreichen cw-Werte von 0,26.
Zum Vergleich: Der cw-Wert einer senkrecht
angeströmten Platte beträgt 1,11.
Den niedrigsten cw-Wert (0,05) hat die
Tropfenform. Je strömungsgünstiger ein
Kraftfahrzeug ist, desto geringer ist der
Spritverbrauch.
Totwassergebiet hinter einer Scheibe
Foto: Korschelt
Geprüft wird das Strömungsverhalten
meist im Windkanal die Strömung wird
durch aufgeklebte Wollfäden oder Rauch
(bzw. Farbzugabe) sichtbar gemacht. Es
bilden sich sogenannte Stromlinien, die
die Umströmung der Körperkontur aufzeigen.
Ein amerikanischer strömungsgünstiger,
älterer Wohnanhänger ist danach
benannt (Streamliner).
BMW brachte vor ca. 30 Jahren ein
Motorrad mit im Windkanal getesteter
Verkleidung heraus. DaimlerChrysler hat
die Form eines Kofferfisches als Grundlage
zum Entwurf eines strömungsgünstigen
Kraftfahrzeuges genommen, ein typisches
Beispiel der Bionik. Auch Skifahrer
und Bobfahrer lassen ihre optimale Haltung
mit geringstem Widerstand im Windkanal
testen.
In Ermangelung eines Windkanals zu
seiner Zeit ließ Eiffel Körper vom später
nach ihm benannten Turm für die Weltausstellung
in Paris fallen und berechnete
daraus cw-Werte.
Der kleine Windkanal im Labor für konventionelle
und erneuerbare Energien hat
einen Austrittsquerschnitt von ca. . m2 und ermöglicht Modellversuche. Windkanalversuche
sind teuer und zeitaufwändig,
mit Hilfe von Computerprogrammen
(CFD: Computational Fluid Dynamics)
wird versucht, Strömungen zu berechnen.
Auch Rennwagen der Formel 1 kommen
ohne umfangreiche Tests nicht aus,
sowohl experimentell als auch theoretisch.
Luftleitbleche (Spoiler) in Form kleiner
Abrisskanten sind heutzutage an vielen
Kraftfahrzeugen zu sehen, um das
Totwassergebiet dahinter zu beeinflussen
und zusätzlich auch die Fahrstabilität
der Fahrzeuge zu verbessern.
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