Laminare und turbulente Strömung am Ball

Hallo,
ich hab eine Frage zu folgendem Gedankenexperiment:
Stellen wir uns einen Ball in einem dicken Rohr vor, der befestigt ist und eine Flüssigkeit in dem Rohr, die in Bewegung gesetzt wird.

So lange die Flüssigkeit um den Ball laminar strömt, wirkt eine gewisse Kraft F auf den Ball.
Erhöht man nun die Geschwindigkeit der Strömung, dann sollte es irgendwann in eine turbulente Strömung über gehen.
Hier dürfte doch die Kraft auf den Ball geringer werden, mit der gleichen Begründen wie beim Golfball, wo man auch künstlich eine turbulente Strömung um den Ball erzeugt, damit eine kleinere Kraft auf den Ball wirkt, weil die umströmende Flüssigkeit besser hinter den Ball kommt.

Wenn das aber so stimmt, warum verbrauchen die turbulenten Strömungen mehr Energie?
Ich meine, ob jetzt der Ball in Ruhe ist oder die Strömung ist doch egal.
Aber dann müsste doch bei turbulenter Strömung auch die höhere Kraft anliegen, damit eben auch mehr Energie in Wärme umgewandelt wird.

Wie löst man das Paradox auf, dass beim Golfball die turbulente Strömung weniger Energie verzehrt als eine laminare?

Vielen Dank

Hallo,

unter deinen vielen Fragen kann ich vielleicht nur etwas zu folgender beitragen:

Wenn das aber so stimmt, warum verbrauchen die turbulenten
Strömungen mehr Energie?

Die turbulente Strömung verbraucht mehr Energie weil die Turbulenz die Zähigkeit der Flüssigkeit und den Reibungswiderstand vergrößert.

Der Reibungswiderstand steigt angenähert mit dem Quadrat der Geschwindigkeit
(siehe: R.W. Pohl „Mechanik, Akustik und Wärmelehre“ 1. Band, 16. Auflage, Springer Verlag; Seiten 141 - 143).

Grüße

watergolf

Die turbulente Strömung verbraucht mehr Energie weil die
Turbulenz die Zähigkeit der Flüssigkeit und den
Reibungswiderstand vergrößert.

Der Reibungswiderstand steigt angenähert mit dem Quadrat der
Geschwindigkeit
(siehe: R.W. Pohl „Mechanik, Akustik und Wärmelehre“ 1. Band,
16. Auflage, Springer Verlag; Seiten 141 - 143).

Warum fliegt der Golfball mit den Dimpels weiter, obwohl der künstlich turbulente Strömungen erzeugt?

Hallo Tim,

wenn ich jetzt mal gaaaanz weit zurückdenke, meine ich mich zu erinnern, dass ohne Dimples hinter dem Ball ein „Totwassergebiet“ entstehen kann. Ein Strömungsabriss. Und irgendwie war es so, dass der Druck dort wesentlich niedriger ist als vorn am Ball. Das heißt, zum Luftwiderstand kommt noch ein (Verzeihung) „Sog“ hinter dem Ball dazu.
Die Dimples sorgen dafür, dass der Druckabfall von vorn nach hinten nicht zu groß ist.

Oder so.

Schönen Abend noch,

Susanne

wenn ich jetzt mal gaaaanz weit zurückdenke, meine ich mich zu
erinnern

Hallo Susanne, Tim

so ähnlich bei mir - in meiner Jugend habe ich mich mal als Modellflieger mit Flügelprofilen beschäftigt, ich erinnere mich so: grundsätzlich ist eine laminare Strömung optimal, aber wenn schon Turbulenz, dann kann man oft etwas verbessern, wenn man gezielt für einen früheren (= weiter vorne) kontrollierten Abriss sorgt.

Einen Golfball laminar zu umströmen ist wohl ein Ding der Unmöglichkeit, irgendwo reisst die Strömung ab, was wohl in Etwa das Gleiche ist was Susanne meint. Die Strukturierung der Oberfläche verlegt den Abrisspunkt weiter in Flugrichtung.

Natürlich ist das noch nicht die ganze Wahrheit, die Einzelheiten dürften ziemlich kompliziert sein und womöglich auch modernste Rechenmethoden überfordern.

Gruss Reinhard

Präzision:
Hallo,
also ist es so, dass die Strömung abreist, das heißt, nicht mehr den Ballkonturen folgt.

Warum helfen nun die Dimpels, dass die Luft nicht abreißt und besser den Konturen folgt?
Wie muss man sich das als Modell vorstellen?

Hallo,

also ist es so, dass die Strömung abreist, das heißt, nicht
mehr den Ballkonturen folgt.

Warum helfen nun die Dimpels, dass die Luft nicht abreißt und
besser den Konturen folgt?
Wie muss man sich das als Modell vorstellen?

Warum siehst du hier nicht nach?

http://webcache.googleusercontent.com/search?q=cache…

http://webcache.googleusercontent.com/search?q=cache…

http://webcache.googleusercontent.com/search?q=cache…

Sollte es noch präziser sein?
Es bleiben dir eigene Versuche in einem Windkanal.

Rotation entscheidend
Hallo,
hier, http://webcache.googleusercontent.com/search?q=cache…, entnehme ich dem Bild unter 3.2, dass die Rotation entscheidend ist.
Diese schaufelt durch die Vertiefungen also die Luft nach hinten.
Ist das richtig?

Mal eine Frage am Schluss: Bei einer laminaren Strömung ist in der Theorie am Anfang und Ende des Balls kein Druckunterschied.
Es wird immer gesagt, dass durch die Wirbel in einer turbulenten Strömung die hohen Verluste entstehen. Sind die Wirbel aber nicht die Auswirkung von Effekten wie Druckunterschied am Anfang und Ende des Balls?
Ich meine, eine turbulente Strömung heißt ja nicht, dass es Wirbel gibt, sondern nur, dass es -anders als bei der laminaren Strömung- auch Querströmung bzw. Querdiffusion gibt. Dadurch entstehen Druckdifferenzen und dadurch dann die Wirbel, weil dann teilweise Strömungen auf Kreisbahnen gezogen werden und dann aufgrund der Bewegung der Teilchen der statische Druck geringer ist als bei der umgebenden ruhenden Luft und so auf der Kreisbahn auch nach dem Lösen bleibt.

Ist diese Aussage korrekt?

Hallo,

http://webcache.googleusercontent.com/search?q=cache…,
entnehme ich dem Bild unter 3.2, dass die Rotation
entscheidend ist.
Diese schaufelt durch die Vertiefungen also die Luft nach
hinten.

Vielleicht halten wir uns an die Erklärung unter: „3.2)“ in obigem Link:
Erstens (ohne Rotation, Abb. 17c):
„Später fand man heraus, dass diese raue Oberfläche turbulente Strömungen hervorrief und so den Luftwiderstand verringerte“.
Wie man auf dem Strömungsbild Abb. 17 c erkennen kann, „halten“ die Dimpels die sonst zerfletternde Strömung auf der rechten Seite zusammen.

Zweitens (mit Rotation, Abb. 17d) trifft dann deine Beschreibung sicher zu: „dass die Rotation entscheidend ist.
Diese schaufelt durch die Vertiefungen also die Luft nach hinten.“

Und was aus Abb. 17d eventuell auch noch hervorgehen soll, es wird zusätzlich zum „Zusammenhalt“ der Strömung, ein Auftrieb erzeugt.

Mal eine Frage am Schluss: Bei einer laminaren Strömung ist in
der Theorie am Anfang und Ende des Balls kein
Druckunterschied.

Ja, das erkennt man auch sehr gut an einem Strömungsbild in dem von mir genannten Physik-Buch von Pohl.

Es wird immer gesagt, dass durch die Wirbel in einer
turbulenten Strömung die hohen Verluste entstehen. Sind die

Da betrachtet man sicher die reine Strömung ohne Ball.

Wirbel aber nicht die Auswirkung von Effekten wie
Druckunterschied am Anfang und Ende des Balls?

Sozusagen: „mit Ball“ werden die Bedingungen schwerer beschreibbar und man kann sich ja einschlägige Dissertationen oder spezielle Untersuchungen anschauen.

Ich meine, eine turbulente Strömung heißt ja nicht, dass es
Wirbel gibt, sondern nur, dass es -anders als bei der
laminaren Strömung- auch Querströmung bzw. Querdiffusion gibt.

Was man beobachtet sind aber Wirbel. „Querströmung“ ist nur ein anderer Begriff für Wirbel.
–> Den Begriff „Querdiffusion“ den du in diesem Zusammenhang nennst, würde ich hier auf keinen Fall anwenden!
„Diffusion“ und „Strömung“ beißen sich begrifflich gegenseitig.

Dadurch entstehen Druckdifferenzen und dadurch dann die
Wirbel, weil dann teilweise Strömungen auf Kreisbahnen gezogen
werden und dann aufgrund der Bewegung der Teilchen der
statische Druck geringer ist als bei der umgebenden ruhenden
Luft und so auf der Kreisbahn auch nach dem Lösen bleibt.

Ist diese Aussage korrekt?

So wird es wohl sein.

Wenn du dich mit diesem Thema in Flüssigkeiten beschäftigen willst, kann ich dir das Buch: „Cavitation and Tension in Liquids“ von D.H. Trevena, ISBN 0-85274-454-4 Buch anschauen; Adam Hilger Verlag Bristol (1987) empfehlen.
Das ganze Gebiet ist ein ungeheuer weites Feld.

Grüße

watergolf

Hallo,
also nochmal zusammenfassend:
Wenn ein Objekt umströmt wird, dann gibt es immer Turbulenzen, weil die innere Reibung dazu führt, dass es Geschwindigkeitsgradienten gibt und das führt zu Verwirbelungen und das ist per Definition turbulent bzw. nicht mehr laminar.

Wenn man aber mal in einem Rohr eine Flüssigkeit oder ein Gas betrachtet, welches mit konstanter Geschwindigkeit fließt, dann gibt es hier bis zu einer gewissen Grenzgeschwindigkeit eine vollkommen laminare Strömung, weil nichts umströmt wird und die Teilchen in ihrer Schicht gehalten werden, trotz innerer Reibung.
Erst ab dieser kritischen Geschwindigkeit ist es manchen Teilchen möglich durch Stöße so abgelenkt zu werden, auch ihre Schicht zu verlassen und quer zu strömen.

Wenn man wieder Rohre mit Knicken hat, also eine Kurve beschreibt, dann denke ich, dass man wieder nur noch näherungsweise von laminaren Strömungen sprechen kann, oder?

Vielen Dank und guten Rutsch

Hallo,

das sind nun meine letzten Bemerkungen zum Thema. Ich habe leider nicht ewig Zeit.

also nochmal zusammenfassend:
Wenn ein Objekt umströmt wird, dann gibt es immer Turbulenzen,

Wo hast du das denn her unter „zusammenfassend“?. Davon war nie die Rede und es stimmt auch nicht.
Wie ich annehme hast du überhaupt kein einschlägiges Buch zur Strömungslehre und möchtest das Rad neu erfinden.
Das von mir empfohlene Physikbuch von Pohl hast du anscheinend auch nicht und willst es dir auch nicht besorgen.
Unter
http://www.bilder-hochladen.net/files/asje-8-jpg.html
habe ich dir aus diesem für dich wichtigen Buch die Abb. 254 mit einem Gerät zur Erzeugung von Stromfäden kopiert.
Pohl nennt die laminare Strömung: „schlichte Strömung“ also VORSICHT!!!
Mit diesem Gerät sind die weiteren Abbildungen aufgenommen.
Zu sehen sind laminar („schlicht“!!) umströmte Körper.

http://www.bilder-hochladen.net/files/asje-5-jpg.html
http://www.bilder-hochladen.net/files/asje-6-jpg-nb…
http://www.bilder-hochladen.net/files/asje-7-jpg-nb…

Wo siehst du da beim Umströmen der Objekte eine Turbulenz wie du oben behauptest?

Ein weiteres Bild (die Abb. 256) wo man sieht, wie ein bei laminarer Strömung erzeugter, ruhig strömender Faden bei höherer Strömungsgeschwindigkeit in turbulente Strömung übergeht, habe ich aus Zeitmangel nicht kopiert. Du solltest dir das Buch unbedingt selber besorgen.

weil die innere Reibung dazu führt, dass es
Geschwindigkeitsgradienten gibt und das führt zu
Verwirbelungen und das ist per Definition turbulent bzw. nicht
mehr laminar.

Ist längst allgemein bekannt.

Wenn man aber mal in einem Rohr eine Flüssigkeit oder ein Gas
betrachtet, welches mit konstanter Geschwindigkeit fließt,
dann gibt es hier bis zu einer gewissen Grenzgeschwindigkeit
eine vollkommen laminare Strömung, weil nichts umströmt wird
und die Teilchen in ihrer Schicht gehalten werden, trotz
innerer Reibung.
Erst ab dieser kritischen Geschwindigkeit ist es manchen
Teilchen möglich durch Stöße so abgelenkt zu werden, auch ihre
Schicht zu verlassen und quer zu strömen.

Das ist eine romanhafte Beschreibung wie eine laminare in eine turbulente Strömung übergeht. Längst bekannt.
Weißt du was die „Reynoldsche Zahl“ ist? Wenn nicht, gurgle danach.
Sie spielt für alle quantitativen Behandlungen von Flüssigkeitsströmungen eine große Rolle.
Der Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung in der Grenzschicht von der du oben so schön erzählst, wird durch einen kritischen Wert für die Reynoldsche Zahl bestimmt.

Wenn man wieder Rohre mit Knicken hat, also eine Kurve
beschreibt, dann denke ich, dass man wieder nur noch
näherungsweise von laminaren Strömungen sprechen kann, oder?

Das kann man nur im Versuch bestimmen.

Vielen Dank und guten Rutsch

Bitte und ebenso
mit schlichter Strömung im Sekt!

watergolf