Bei der Übertragung von Strömungsphänomenen gehört eine Einschätzung des Form- und des Reibungswiderstands zu den ersten Vorüberlegungen. Die frühe Phase der Übertragung biologischer Phänomene in Technik stellt die Modellierung der Strömungssituation und die Erarbeitung der geometrischen Parameter dar. Neben Klärung des relevanten Strömungsmediums und seiner Kenngrößen (Dichte, Temperaturbereich, Transportkoeffizienten) sind Aussagen über das Strömungsfeld (Strömungsgeschwindigkeit und Strömungsrichtung) von Belang um frühe Entscheidungsgrundlagen herzustellen, indem Parameterstudien qualitative Vorstellungen und erste quantitative Aussagen liefern, etwa Funktionen und (Wechsel-) Wirkungen. Die Kombination mehrerer Wirkprinzipien führen dann auf eine Funktions- und Wirkstruktur der Lösung.
Inhaltsverzeichnis
1. Die Ermittlung des fluidmechanischen Reibungswiderstands auf der Basis einfachster Volumenmodelle
1.1 Einfachste dreidimensionale Geometrien
1.2 ErpL-Körper
1.3 Reynolds-Zahlen und Transportkoeffizienten
1.4 Der Strömungswiderstand von Volltauchern
1.5 Partialwiderstände
Zielsetzung & Themen
Diese Arbeit zielt darauf ab, die physikalischen Grundlagen zur Ermittlung des fluidmechanischen Reibungswiderstands durch die Anwendung einfachster Volumenmodelle zu systematisieren. Dabei wird untersucht, wie biologische Formprinzipien durch mathematische Näherungen und geometrische Vereinfachungen für technische Strömungsszenarien nutzbar gemacht werden können.
- Mathematische Modellierung triaxialer Ellipsoide und Körpergeometrien.
- Systematik von Reynolds-Zahlen für technische Systeme und biologische Lebewesen.
- Analyse von Partialwiderständen zur Bestimmung des fluidmechanischen Gesamtwiderstands.
- Übertragung biologischer Strömungsphänomene in technische Konstruktionsparameter.
- Einsatz von ErpL-Körpern als standardisierte Eichkörper in Strömungskanälen.
Auszug aus dem Buch
ErpL-Körper
ErpL-Körper (Elliptic Ridged per Lenght) respektive ErpL-Profile wurden als einfach zu handhabende Modellgeometrien entworfen vor dem Hintergrund bionischer Übertragungen, als Eichkörper in Messkanälen und zur Simulation von Strömungsszenarien mit Standardkörpern [Die13-3]. Ein unkompliziert zu generierender Standardkörper ist die einfache Körperkontur ErpL[p1][p2][p2][LL], ein triaxial-symmetrischer Strömungskörper, dessen Kontur mit geringen deklaratorischen Mitteln beschrieben werden kann. Ihm liegt die Idee eines Strömungskörpers zu Grunde, der durch zwei triaxiale Halb-Ellipsoide [LL-Typ] vollständig beschrieben und lediglich drei Parameter eindeutig definiert ist. Prinzipiell sollen ErpL-Körper als Voll- oder Halbtaucher für Außenströmungen und zum Einsatz in Kraft- und Arbeitsströmungsmaschinen geeignet sein. Ausprägungen und Varianten der fluidmechanisch wirksamen Strömungskörper können in Serien systematisiert und geordnet werden. Die Strömungskörper können skaliert und parametrisiert werden, dass sie für unterschiedliche Anströmbedingungen fluidmechanisch wirksam und geeignet sind. Der Vorteil derartiger Standardkörper ist, dass in der Baupraxis und in der Reparatur- und Instandhaltungspraxis Strömungsbauteile und/oder deren Fertigungsmittel wie Profillehren oder Gussformen durch einfache mathematische Beziehungen (Ellipsoidengleichung) beschrieben werden können und in der Konstruktionspraxis geometrische Vorgaben möglich werden oder existieren, die auch vom Laien mit geringen Mitteln umgesetzt werden können. Dies sind Eigenschaften, die zur Simplifizierung der Konstruktion führen und zur Robustheit im Betrieb beitragen, was auch von wirtschaftlichem Interesse ist.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Die Ermittlung des fluidmechanischen Reibungswiderstands auf der Basis einfachster Volumenmodelle: Dieses einleitende Kapitel erläutert die Notwendigkeit der Modellbildung komplexer Körper durch mathematisch beschreibbare Grundformen zur Bestimmung des Reibungswiderstands.
1.1 Einfachste dreidimensionale Geometrien: Hier werden geometrische Näherungsmodelle für biologische Körper vorgestellt, wobei insbesondere der triaxiale Ellipsoid als universelle Grundform mathematisch hergeleitet wird.
1.2 ErpL-Körper: Dieses Kapitel stellt die ErpL-Körper als standardisierte, einfach parametrisierbare Geometrien für strömungstechnische Anwendungen und bionische Übertragungen vor.
1.3 Reynolds-Zahlen und Transportkoeffizienten: Es werden die physikalischen Stoffwerte und dimensionslosen Kennzahlen erläutert, die das Strömungsverhalten in verschiedenen Design-Kontrollräumen charakterisieren.
1.4 Der Strömungswiderstand von Volltauchern: Der Fokus liegt auf der stationären Betrachtung des Gesamtwiderstands, der sich aus verschiedenen Partialwiderständen zusammensetzt.
1.5 Partialwiderstände: Eine detaillierte Aufschlüsselung der Komponenten Formwiderstand, Oberflächenwiderstand und induzierter Widerstand inklusive ihrer Abhängigkeiten von den Strömungsparametern.
Schlüsselwörter
Strömungswiderstand, Bionik, Volumenmodelle, ErpL-Körper, Triaxiales Ellipsoid, Reynolds-Zahl, Transportkoeffizienten, Partialwiderstände, Strömungsmechanik, Mathematische Modellierung, Konstruktionslehre, Oberflächenwiderstand, Formwiderstand, Fluidmechanik, Geometrische Parameter.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der mathematischen Modellierung und physikalischen Beschreibung des fluidmechanischen Reibungswiderstands von Strömungskörpern, basierend auf vereinfachten geometrischen Modellen.
Welches sind die zentralen Themenfelder?
Die Kerngebiete sind die Bionik, die Strömungsmechanik, die geometrische Modellierung von Körpern (insbesondere Ellipsoide) sowie die Systematisierung von Widerstandswerten für technische und biologische Systeme.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das primäre Ziel ist es, Methoden aufzuzeigen, wie komplexe biologische Formen durch einfache mathematische Standardgeometrien für die technische Konstruktion und Simulation beschreibbar gemacht werden können.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Methode umfasst die geometrische Näherung, die Nutzung von dimensionslosen Kennzahlen wie der Reynolds-Zahl sowie die Integration von Partialwiderständen zur Gesamtwiderstandsbestimmung.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil behandelt mathematische Formeln für Ellipsoide, die Einführung von ErpL-Körpern, die tabellarische Aufbereitung von Transportkoeffizienten und die mathematische Zerlegung des Gesamtwiderstands in Teilkomponenten.
Welche Begriffe charakterisieren die Arbeit am besten?
Wichtige Begriffe sind Strömungswiderstand, ErpL-Körper, Triaxiales Ellipsoid, Reynolds-Zahl und bionische Übertragung.
Was zeichnet einen ErpL-Körper aus?
ErpL-Körper sind triaxial-symmetrische Standardgeometrien, die durch nur drei Parameter eindeutig definiert sind und somit eine einfache Handhabung in der Fertigung und Konstruktion ermöglichen.
Warum spielt die Reynolds-Zahl eine so große Rolle?
Die Reynolds-Zahl dient als wichtiges Kommunikationsmittel zwischen Konstrukteuren, um Strömungsverhältnisse für technische Bauteile in verschiedenen Größenordnungen vergleichbar zu machen.
Wie werden die Partialwiderstände zusammengefasst?
Der Gesamtwiderstand wird vereinfacht durch die Summe der Partialwiderstände Formwiderstand, Oberflächenwiderstand und induzierter Widerstand dargestellt.
- Arbeit zitieren
- Dipl.-Ing. Michael Dienst (Autor:in), 2014, Die Ermittlung des fluidmechanischen Reibungswiderstands auf der Basis einfachster Volumenmodelle, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/267048
