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• π-Theorem von Buckingham
In jedem technischen System treten Kräfte, Energie, Zeit und eine oder mehrere charakte-
ristische Längen auf. Es gibt also eine Anzahl von n verschiedene Größen Q k , für die es einen
Zusammenhang f ( Q 1 ,…, Q n ) = 0 gibt. Jede dieser Größen Q i ist dimensionsbehaftet also ihre
physikalische Größe lässt sich in SI-Einheiten in Form von kg, m, s und Grad K darstellen.
Diese Basisgrößen A 1 ,…, A m lassen sich nicht durch Potenzprodukte der übrigen darstellen.
Damit kann man jede der Größen Q i als Potenzprodukt der Basisgrößen A i ermitteln. Es er-
gibt sich die Frage: Wie viele dimensionslose Größen π der Form π
Q i 1
Q i 2
Q i n
gibt es? Ein Vergleich der Exponenten der Basisgrößen ergibt ein homogenes, lineares Glei-
chungssystem von m Gleichungen für n unbekannte i 1 , i 2 bis i n . Die Lösbarkeit des Glei-
chungssystems ist damit auf den Rang r einer Dimensionsmatrix zurückgeführt.
Das π-Theorem von Buckingham besagt nun: Wenn es n Größen Q 1 , …, Q n und zwi-
schen ihnen eine Relation besteht, dann gibt es genau ( n r ) dimensionslose - Kennzah-
len, wobei r m n der Rang der Dimensionsmatrix ist. Es gibt dann auch eine Beziehung
f 1 , π 2 …, π n-r ) = 0, die das Problem löst. Dies ist eine relativ mathematische Betrachtung
der Ableitung von Ähnlichkeitsparametern und es stellt sich dem Anwender oft die Frage:
Wie sind die freien Unbekannten zu wählen, dass man sinnvolle π-Kennzahlen bekommt?
Es gibt hier keine Vorschrift und lediglich die Erfahrung hilft die physikalisch sinnvollen
Kenngrößen herauszufiltern.
=
·
·
. . .
·
• Verhältnisse aus Erhaltungsgleichungen
Bei der Verhältnisbildung auf Basis der Erhaltungsgleichungen handelt es sich um ein vom
Prinzip her heuristisches Verfahren. Den Ausgangspunkt bilden hierbei die jeweiligen Er-
haltungsgleichungen der betrachteten Fragestellung. Beispielsweise liefert die Impulser-
haltung Gl. (5.11) eine Kräftebilanz an einem Kontrollvolumen des Fluids.
Wie in der vektoriellen Schreibweise der Gl. (5.11) dargestellt, beschreiben die indivi-
duellen Terme den Anteil einer Kraft an der Bilanz. Diese differentielle Darstellung kann
durch charakteristische Größen der Strömung, der Geometrie und des Fluids ausgedrückt
werden, indem man die mittlere Strömungsgeschwindigkeit u 0 , eine charakteristische Ab-
messung l und eine Referenztemperatur auswählt. Damit ergibt sich:
u 0
l
ν 2 u
∂x 2
u u
∂x
1
ρ
∂p
∂x
p
u
l 2 u ndF S
F T
; F D
; F R
ν
g ,
(5.17)
ρ
·
l
in der F T die Trägheitskraft, F D die Druckkraft, F R die Reibungskraft und F S die Schwer-
kraft darstellen. Aus dem Verhältnis von Trägheitskraft zu Reibungskraft, also F T / F R , ergibt
sich damit die Reynolds-Zahl. Ein ähnliches Vorgehen kann auch für die Energieerhal-
tungsgleichung (Gl. (5.15)) durchgeführt werden. Die Tab.  5.2 zeigt eine Auswahl der mit
diesem Verfahren zu gewinnenden Kennzahlen (π-Größen).
 
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