Hydrodynamische Effekte unter besonderer Berücksichtigung der Wasserqualität und ihre Messverfahren

Autor: Heller, Winfried
Jazyk: němčina
Rok vydání: 2006
Předmět:
Druh dokumentu: Doctoral Thesis
Popis: The development of fluid mechanics during the twentieth century has been affected by intense research in order to fathom numerous practically relevant hydrodynamic effects, to understand the physical processes and correlations and to describe them mathematically. This became necessary because employing only the fundamental hydrodynamic equations, the description of certain phenomena in fluid flows caused by fluid properties was impossible. In order to assess the quality of fluids regarding their gas contents and their nuclei distributions, various measuring methods and devices have been developed and constructed since the beginning of the twentieth century. This historical development could be described nearly completely in this work, particularly the development of devices to determine the total gas content. Apart from the mostly difficult handling of these measurement methods and devices, only the influence of single parameters such as the total gas content, the dissolved oxygen content, nucleus content, nucleus distribution and the distribution of nucleus sizes on hydrodynamic effects was examined. However, the correlations between these single parameters, as they occur in real flows, could not be taken into consideration. As early as the end of the ninetieth century the development of methods and devices began to determine the tensile strength of fluids. The initially static methods have been followed by the developments of dynamic methods since the beginning of the 1970s. While for specially prepared fluids, tensile strengths of several hundred bar were measured under static conditions, the typical values for water, measured with the eddy and swirl nozzle, range between zero and two bar. This illustrates the strong influence of interactions between all parameters on the tensile strength in flowing fluids. Except for sound velocity and pressure distribution at profiles, water quality particularly affects certain cavitation phenomena. Various cavitation tests around the world have shown that without determining the actual tensile strength of the test water, it is impossible to obtain reproducible results regarding cavitation inception. In experiments concerning cavitation erosion, the correlation between water quality, erosive aggressiveness and erosion rate was proven unmistakably. Evidently, permanent measurement of the test fluid?s tensile stress during cavitation experiments with model bodies is compulsory in order to be able to interpret measurement results correctly. Cavitation phenomena at profiles or other parts affected by flow cause changes of lift, drag and loss coefficients depending on the degree of the cavitation progress. The influence of transition, detachment, obstruction and pressure distribution plays a special role. The quality of electrically conductive fluids is determined by their conductivity. By means of electromagnetic fields Lorentz-forces are generated, whose effect can be observed in lessening of flow detachment, drag reduction and increased lift. Manifold experimental research results in the area of fluid mechanics have proven that the fluid quality must be taken into account when describing real flow processes. Since the many flow parameters are subject to permanent interaction, ultimately, the sum of all single parameters lead to the effects mentioned. For the determination of the water quality such as in cavitation experiments, the tensile stress of the water can be measured making the mathematical description of cavitation inception possible.
Die Entwicklung der Strömungsmechanik im 20. Jahrhundert wurde auch durch intensive Forschungen geprägt, um die zahlreichen in der Praxis auftretenden hydrodynamischen Effekte zu ergründen, die physikalischen Abläufe und Zusammenhänge zu verstehen und diese mathematisch zu beschreiben. Dies wurde notwendig, da mit den hydrodynamischen Grundgleichungen allein keine Beschreibung der aus den Fluideigenschaften resultierenden Erscheinungen in Flüssigkeitsströmungen möglich war. Um die Qualität der Flüssigkeiten bezüglich ihres Gasgehaltes und ihrer Keimverteilung beurteilen zu können, wurden mit Beginn des 20. Jahrhunderts unterschiedliche Messmethoden und Apparaturen entwickelt und gebaut. Diese Entwicklung ließ sich annähernd vollständig darstellen, hierbei besonders die Entwicklungen von Apparaturen zur Bestimmung des Gesamtgasgehaltes. Neben der zumeist schwierigen Handhabung dieser Messgeräte und Methoden wird dabei nur der Einfluss einzelner Messgrößen, wie Gesamtgasgehalt, Gelöstsauerstoffgehalt, Keimgehalt, Keimverteilung und Keimgrößenverteilung auf hydrodynamische Effekte untersucht. Die aber in realen Strömungen auftretenden Wechselwirkungen zwischen den Einflussgrößen werden nicht berücksichtigt. Schon am Ende des 19. Jahrhundert begann die Entwicklung von Geräten und Methoden zur Bestimmung von Zugspannungen in Flüssigkeiten. Den anfänglich statischen Methoden folgten mit Beginn der 70er Jahre des 20. Jahrhunderts die bis heute andauernden Entwicklungen dynamischer Methoden. Während für speziell behandelte Flüssigkeiten unter statischen Bedingungen Zugspannungen von einigen hundert bar gemessen wurden, liegen die typischen Werte für Wasser mit der Wirbel- oder Dralldüse gemessen, zwischen null und zwei bar. Das zeigt den starken Einfluss der Wechselwirkungen aller Einflussgrößen auf die Zugspannung in strömenden Flüssigkeiten. Außer auf die Schallgeschwindigkeit und die Druckverteilung an Profilen hat die Wasserqualität einen besonders starken Einfluss auf bestimmte Kavitationserscheinungen. Weltweite Kavitationstests zeigten, dass ohne Bestimmung der aktuellen Zugspannung des Testwassers keine reproduzierbaren Ergebnisse bezüglich des Kavitationsbeginns möglich sind. Bei Untersuchungen zur Kavitationserosion wurde der Zusammenhang zwischen Wasserqualität und erosiver Aggressivität und Erosionsrate eindeutig nachgewiesen. Die permanente Messung der Zugspannung der Testflüssigkeit ist bei Kavitationsexperimenten an Modellkörpern offensichtlich zwingend notwendig, um die Messergebnisse korrekt interpretieren zu können. Kavitationserscheinungen an Profilen oder Durchströmteilen bewirken Änderungen von Auftriebs-, Widerstands- und Verlustbeiwerten in Abhängigkeit vom Fortschrittsgrad der Kavitation. Hierbei spielen die Beeinflussung der Transition, Ablösung, Versperrung und Druckverteilung eine besondere Rolle. Bei elektrisch leitfähigen Fluiden ist die Qualität durch die Leitfähigkeit bestimmt. Mittels elektromagnetischer Felder werden Lorentzkräfte erzeugt, deren Wirkung sich zeigt in der Unterdrückung von Strömungsablösung, Widerstandsverringerung und stärkerem Auftrieb. Vielfältige experimentelle Forschungsergebnisse auf dem Gebiet der Strömungsmechanik haben gezeigt, dass für die Beschreibung realer Strömungsvorgänge die Qualität des Fluides berücksichtigt werden muss. Da die vielen Einflussgrößen in der Strömung permanenten Wechselwirkungen unterliegen, führt letztlich die Summe aller Einzeleinflüsse auf die genannten Effekte. Für die Bestimmung der Wasserqualität z.B. bei Kavitationsexperimenten kann die Zugspannung des Testwassers gemessen werden, wodurch die genauere mathematische Beschreibung des Kavitationsbeginns möglich wird. - (Diese Arbeit liegt auch in englischer Sprache unter dem Titel "Hydro-dynamic effects with particular consideration of water quality an their measurement methods" in elektronischer Form vor - http://hsss.slub-dresden.de/hsss/servlet/hsss.urlmapping.MappingServlet?id=1141217614058-7645)
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