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Hydromechanik 1 (Subject) / Klausurfragen (Lesson)

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• In Abbildung 1-1 sind zwei Kapillarröhren aus Glas dargestellt, welche in unterschiedlichen Flüssigkeiten eingetaucht sind. a) Wie wird das unterschiedliche Verhalten, steigen oder sinken, der Flüssigkeiten in der Kapillarröhre genannt? b) Nennen Sie jeweils eine Flüssigkeit zu dem unterschiedlichen Verhalten! (SS2012) Steigen: Aszension, Wasser Sinken: Depression, Quecksilber
• Warum kann die hydrostatische Grundgleichung nicht auf Luft, z.B. zur Berechnung des Luftdruckes angewandt werden? Welche Annahme gilt hier nicht? Dichte ist nicht bei unterschiedlichen Druck in der Luft konstant. -> Annahme Imkopressibilität nicht gültig.
• In einem Freispiegelgerinne können unterschiedliche Fließzustände auftreten. a) Welche beiden Fließzustände werden über die Grenztiefe voneinander abgegrenzt? b) Zeigen Sie grafisch, wie sich die Energiehöhe in Abhängigkeit von der Wassertiefe verhält! Achten Sie auf eine korrekte Beschriftung aller Achsen! c) Tragen Sie an die eingezeichnete Kurve für die Energiehöhe die mathematische Bestimmungsgleichung an! d) Erläutern Sie verbal aus energetischer Sicht den Begriff der Grenztiefe! (SS2012) a) Strömen und Schießen d) Die Grenztiefe bezeichnet die Wassertiefe, bei der eine minimale Energiehöhe he zur Förderung einesDurchflusses Q benötigt wird.
• Nennen Sie drei Annahmen, die bei der Herleitung der Energiegleichung eines idealen Fluids getroffen werden. Reibungsfreie StrömungStationäre StrömungInkompressible Strömung
• Was ist die Hydrostatik? Definieren Sie den Begriff in einem kurzen Satz. Lehre von den Gleichgewichtszuständen ruhender, inkompressibler Flüssigkeiten bei Einwirkung äußerer Kräfte.
• Beschreiben Sie das archimedische Prinzip in einem kurzen Satz. Die Auftriebskraft, die im Wasser auf einen Körper wirkt, ist so groß wie die Gewichtskraft des durch den Körper verdrängten Wassers.
• Welche Unterscheidungen der Strömungsarten gibt es? Stationär – instationärGleichförmig – ungleichförmig
• Geben Sie eine mathematische Definition der Froudezahl an und benennen Sie die verwendeten Größen und die dazugehörigen Einheiten. Fr = v / sqrt(g*h) v = Strömungsgeschwindigkeit[m/s] g = Gravitationskonstante[m/s²] h = Fließtiefe[m]
• Nennen Sie zwei Parameter, die die Dichte von Wasser beeinflussen. TemperaturSalzgehaltIm Wasser gelöste Stoffe
• Nennen Sie die zwei Strömungsformen. LaminarTurbulent
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• Erläutern Sie in einem Satz die Begriffe stationäre sowie gleichförmige Strömung und definieren Sie diese mathematisch. Stationäre Strömung: Keine Änderung der Geschwindigkeit über die Zeit dv/dt=0 Gleichförmige Strömung: Keine Änderung der Geschwindigkeit über den Ort dv/dx=0
• Die Hydrodynamik ist die Lehre der Bewegung von Flüssigkeiten unter dem Einfluss von äußeren Kräften und Trägheitskräften. Nennen Sie vier äußere Kraftarten! 1. Druckkräfte2. Reibungskräfte4. Kapillarkräfte5. Schwerkraft
• Erläutern Sie die Begriffe Euler´sche Betrachtungsweise und Lagrange´sche Betrachtungsweise im Zusammenhang mit der mathematischen Beschreibung des Verhaltens eines Fluids. Bei der Eulerschen Betrachtungsweise wird die Strömung von einem festen Standort betrachtet. Die Geschwindigkeit ist eine Funktion der Zeit. Bei der Lagrangeschen Betrachtungsweise bewegt sich der Beobachter mit dem Teilchen mit. Die Geschwindigkeit ist hier eine Funktion des Ortes.
• Nennen Sie – neben der Dichte – drei weitere physikalische Eigenschaften von Wasser? 1. Viskosität2. Oberflächenspannung3. Luftgehalt4. Kompressibilität5. Dampfdruck
• Nennen Sie eine Annahme, die bei dem Modell der „idealen Flüssigkeit“ im Gegensatz zur „realen Flüssigkeit“ getroffen wird. Ideale Flüssigkeit ist reibungsfrei.
• Erläutern Sie anhand der zwei in Abbildung 1-1 dargestellten, mit Wasser gefüllten Gefäße mit einheitlicher Grundfläche (repräsentiert über die Breite b) das hydrostatische Paradoxon (graphisch, mathematisch oder in Worten!). Die Kraft auf die Grundfläche ist trotz des unterschiedlichen Fluidvolumens gleich. Der Druck hängt nur von der Höhe der Wassersäule ab, nicht jedoch von der Gefäßform.
• Wasser wird zur Vereinfachung in der Hydrostatik häufig als inkompressibel angesehen. Berechnen Sie den unter dieser Annahme gemachten Volumenfehler (in %) für Wasser in 100 m Tiefe! Der E-Modul von Wasser wird mit Ew= 2 *10^9 N/m² angegeben. ε= delta(V)/V = delta(p)/Ew delta(p) = dichte*g*h = 981000 Pa ε=4,905*10^(-4) ~ 0,05%
• Skizzieren Sie jeweils ein Piezometer- und ein Pitotrohr, die zur Messung in einer Rohrströmung eingesetzt werden. Benennen und beschreiben Sie mathematisch, welche Größe jeweils von den beiden Messrohren gemessen wird. Die Messgröße im Piezometerrohr entspricht der Druckhöhe hDruck [m] Die Messgröße im Pitotrohr entspricht der Energiehöhe hE [m]
• Nennen Sie die Summanden, aus denen sich die Stützkraft S am jeweiligen Fließquerschnitt A zusammensetzt. Die Stützkraft S ist die Summe aus Druckkraft Fp und Impulsstrom I am jeweiligen Fließquerschnitt A. S=Fp+I
• Bei Strömungen im Freispiegelgerinne tritt der maximale Abfluss qmax bei vorgegebener Energiehöhe hE im Grenzzustand (h = hgr) auf. Was passiert mit den Wassertiefen bei einer Reduktion des Abflusses? Eine Reduktion des Abflusses führt zu:1. Einer Abnahme der Wassertiefe im schießenden Bereich.2. Einer Zunahme der Wassertiefe im strömenden Bereich
• Beschreiben Sie kurz verbal was ein Wechselsprung ist. Der Wechselsprung ist der sprungartige Übergang vom Schießen zum Strömen (oder in der Übung: Sprunghaft)
• Nennen Sie zwei konstruktive Wasserbauwerke bei denen Wechselsprünge häufig in der Praxis auftreten. Wehren Schützen
• Welche physikalische Kennzahl entscheidet über die Form des Wechselsprungs? Über die Form des Wechselsprunges entscheidet die zulaufseitige Froude-Zahl Fr.
• Zwischen welchen Werten muss die physikalische Kennzahl liegen, damit sich keine voll ausgebildete Deckwalze (Mischform) als Form des Wechselsprunges ausbildet? 1,6 < Fr < 1,7
• Erklären Sie in einem Satz, warum der Impuls bei Festkörpern nur von kurzer Dauer ist. Bei Festkörpern ist die diskrete Einzelmasse m Träger des Impulses, daher ist der Impuls nur von kurzer Dauer.
• Beschreiben Sie verbal in einem Satz, was in der Hydrodynamik unter einer „Stromröhre“ verstanden wird. Eine Stromröhre ist ein Bündel von Stromlinien begrenzt durch eine Mantelfläche.
• Beschreiben Sie kurz, was mit dem Begriff der Anomalie des Wassers bezeichnet wird. Der Begriff der Anomalie des Wassers bezeichnet den Effekt, dass die Dichte von Wasser bei sinkender Temperatur nicht über alle Aggregatszustände hin zunimmt, sondern ein Maximum bei ca. 4 °C hat.
• Beschreiben Sie kurz verbal und mathematisch (inklusive der Einheiten!) den Unterschied zwischen dem Impulsbegriff in der Festkörpermechanik und dem Impulsbegriff in der Hydromechanik! Festkörpermechanik:Die diskrete Einzelmasse ist Träger des Impulses. Er ist nur von kurzer Dauer und wird aus dem Produkt von Masse und Geschwindigkeitsdifferenz gebildet: I = m*(v2 - v1)[Ns] Hydromechanik:Anstelle einer diskreten Einzelmasse wird der Durchfluss Q betrachte. Auf dieser Grundlage ist der Impulsbegriff in der Hydromechanik als Impulsstrom definiert: I = F = dichte * v * Q [N]
• Stellen Sie die mathematische Formel der allgemeinen Energiegleichung auf und kennzeichnen Sie den Anteil der thermischen sowie mechanischen Energie. Benennen Sie weiterhin die einzelnen Komponenten der Energiegleichung Sum(E) = (Eq+Emol) + (Ew + Epot + Ekin) (Eq+Emol) = Thermische Energie (Ew + Epot + Ekin) = Kinetische Energie Eq = WärmeenergieEmol = Interne Energie infolge Molekularstruktur und –bewegungEW = ArbeitEPot = Potentielle EnergieEkin = Kinetische Energie
• Nennen Sie drei Annahmen, die bei dem Bordaschen Stossverlust getroffen werden. 1. Reale Flüssigkeit im Wirbelgebiet (Reibungsverluste)2. Ideale Flüssigkeit außerhalb der Wirbel (keine Reibungsverluste)3. Die Wandreibung wird nicht berücksichtigt4. Q ist konstant (stationärer Abfluss)
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• Beschreiben Sie kurz verbal, was unter der Isotropie des Druckes verstanden wird! Der Druck ist unabhängig von der Orientierung der Oberfläche, auf welche er immer im rechten Winkel wirkt. Diese Eigenschaft wird als isotrop bezeichnet.

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