Farbfadenversuch nach Reynolds - Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung
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Formale Metadaten
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| Alternativer Titel |
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| Serientitel | ||
| Anzahl der Teile | 25 | |
| Autor | ||
| Lizenz | CC-Namensnennung - keine kommerzielle Nutzung - keine Bearbeitung 3.0 Deutschland: Sie dürfen das Werk bzw. den Inhalt in unveränderter Form zu jedem legalen und nicht-kommerziellen Zweck nutzen, vervielfältigen, verbreiten und öffentlich zugänglich machen, sofern Sie den Namen des Autors/Rechteinhabers in der von ihm festgelegten Weise nennen. | |
| Identifikatoren | 10.3203/IWF/C-14881 (DOI) | |
| IWF-Signatur | C 14881 | |
| Herausgeber | ||
| Erscheinungsjahr | ||
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| Produzent | ||
| Produktionsjahr | 2002 |
Technische Metadaten
| IWF-Filmdaten | Video-Clip ; F, 5 min 35 sec |
Inhaltliche Metadaten
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| IWF-Klassifikation |
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StrömungÜbergang
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LösungStrömungsgeschwindigkeitFallWasserströmungAbzweigFarbeLösungSkala
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Durchführung <Elektrotechnik>
01:24
FarbeLösungAbfüllverfahrenTemperaturDurchführung <Elektrotechnik>StrömungsgeschwindigkeitFarbeStrömungsgeschwindigkeitVideokamera
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Laminare StrömungStrömungsgeschwindigkeitFadenStrömungStrömungsgeschwindigkeitGeschwindigkeitTurbulente StrömungAufweitungDiffusionStromlinie <Strömungsmechanik>FarbeSchwankungWagen
02:27
StrömungsgeschwindigkeitZähigkeitStrömungTurbulente StrömungStrömungFluidWasserströmungReibungskraftTeilchenZähigkeitTrägheitskraftStrömungsgeschwindigkeitViskositätStörungstheorieRohrströmungZustandFlüssigkeit
03:36
Umschlag <Transport>SkalaTurbulente Strömung
04:31
RohrströmungStrömungsgeschwindigkeitRoadsterUmschlag <Transport>Strömung
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MechanikStrömungPhysikalischer EffektFarbeStrömungGeschwindigkeit
Transkript: Deutsch(automatisch erzeugt)
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Um das Strömungsverhalten von Wasser in einem Rohr mit kreisförmigem Querschnitt zu untersuchen, wird ein Standzylinder mit einem Innendurchmesser von 8,2 cm verwendet. Dazu senkrecht schließt man horizontal das Ausflussrohr mit einem Innendurchmesser von 1,7 cm an.
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Die Durchflussrate und damit die mittlere Strömungsgeschwindigkeit soll mit Hilfe einer Schlauchklemme variiert werden. Zur indirekten Bestimmung der mittleren Strömungsgeschwindigkeit im Rohr ist am Standzylinder eine Längenskala angebracht.
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Zum Sichtbarmachen des Strömungsverhaltens verwendet man eine Kaliumpermanganat-Lösung, die durch ein dünnes Röhrchen etwa 1 bis 2 cm hinter der Abzweigung am Standzylinder in die Wasserströmung eingeleitet wird. Um zusätzliche Turbulenzen an diesem Röhrchen zu verringern,
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sollte der Durchmesser des Röhrchens so klein wie möglich gewählt werden, in unserem Fall etwa 0,6 mm am Ausflussende. Der Zufluss der Farblösung kann ebenfalls etwas variiert werden. Hier noch einmal der Versuchsaufbau in einer Skizze.
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Bei der Durchführung des Farbfadenversuches muss Folgendes geleistet werden. Nachdem der Zylinder mit Wasser gefüllt wurde, dreht man die Schlauchklemme langsam immer weiter auf. Während die Strömungsgeschwindigkeit vergrößert wird, beobachtet man mit einer Videokamera die eingeleitete Farbe im Ausflussrohr.
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Bei kleiner Geschwindigkeit durchmischen sich die Stromlinien aufgrund der Strömungsbewegung nicht, wie man an dem Farbfaden erkennt. Lediglich die molekulare Diffusion führt zu einer Aufweitung des Fadens.
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Beim Übergangsbereich zur turbulenten Strömung sieht man am Faden zuerst eine Schwankungsbewegung, welche schließlich in ein Abreißen des geschlossenen Fadens übergeht. Wird die Strömung durch eine zu große Strömungsgeschwindigkeit turbulent,
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herrscht keine geordnete Bewegung der Farbe vor. Systematische Untersuchungen haben gezeigt, dass der Strömungszustand im Wesentlichen von drei Parametern abhängt. Von der mittleren Strömungsgeschwindigkeit u, dem Rohrdurchmesser 2r,
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und der kinematischen Zähigkeit des Fluids. Je nachdem, ob die Reynoldszahl einer betrachteten Rohrströmung größer oder kleiner als ein kritischer Wert ist, kann die Strömung dem Zustand laminar, dem Zustand turbulent oder dem Übergangsbereich zwischen beiden Strömungszuständen zugeordnet werden.
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Bei Werten unterhalb der kritischen Reynoldszahl werden in die Strömung induzierte Störungen durch die Viskosität der Flüssigkeit gedämpft. Oberhalb dieser Zahl sind die Trägheitskräfte der Teilchen größer als die Reibungskräfte des Fluids. Für die Wasserströmung in einem Rohr mit kreisförmigem Querschnitt
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wurde die kritische Reynoldszahl ungefähr zu 2300 bestimmt. Im Folgenden soll die kritische Reynoldszahl für den bereits durchgeführten Versuch ungefähr bestimmt werden. Zuerst bestimmt man den Zeitverlauf H von T des Flüssigkeitspegels
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im Standzylinder mit Hilfe von Höhenskala und Zeitangabe. Bei einer Zeit von etwa 27 Sekunden beobachtet man einen Umschlag in die turbulente Strömungsform.
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Zur Vereinfachung kann man den Zeitverlauf H von T näherungsweise durch eine quadratische Gleichung beschreiben.
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Der relative Fehler zu den gemessenen Werten ist kleiner als 4%. Die mittlere Strömungsgeschwindigkeit U im Rohr erhält man dann aus den Bedingungen für die räumlich konstante Durchflussrate I.
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Für den angenommenen Umschlagpunkt bei 27 Sekunden berechnet man eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit von 0,405 cm pro Sekunde. Die kritische Reynoldszahl der gezeigten Anordnung liegt damit bei etwa 1600, das heißt um 700 unter dem Literaturwert von 2300
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für die Rohrströmung ohne Farbzuführung. Für die gemessene Erniedrigung der Reynoldszahl kann man drei Gründe nennen. Der scharfkantige Ansatz des Ausflussrohres an den Standzylinder hat zusätzliche Turbulenzen zur Folge.
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Den gleichen Effekt hat das Röhrchen, mit dem die Farbe zugeführt wird. Darüber hinaus weicht die Ausflussgeschwindigkeit der Farblösung von der übrigen Strömung ab.