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Diffusor Strömungsmechanik Ein Diffusor ist ein Bauteil das Strömungen von Gasen oder Flüssigkeiten verlangsamt und den

Diffusor (Strömungsmechanik)

Ein Diffusor ist ein Bauteil, das Strömungen von Gasen oder Flüssigkeiten verlangsamt und den Gas-/Flüssigkeitsdruck erhöht, so dass kinetische Energie in Druckenergie umgewandelt wird. Ein Diffusor ist im Prinzip die Umkehrung einer Düse. Die Verzögerung der Strömung wird in der Regel durch eine stetige oder unstetige Erweiterung des Strömungsquerschnitts erreicht, die geometrisch auf verschiedene Weisen realisiert werden kann.

Zwei Austrittsdiffusoren eines Wetterschachtes mit Grubenlüftern

Diffusoren kommen unter anderem beim Bau von Flugzeugen und Schiffen zum Einsatz, im Maschinenbau, in Elektrizitätswerken und in der Ventilatortechnik. Diffusoren im Motorsport bewirken Abtrieb. Bei Strömungen in Rohrleitungen können Diffusoren der „Rückgewinnung“ von kinetischer Energie dienen. Bei Wasserkraftanlagen wird der Diffusor Saugrohr genannt.

Technische Beschreibung Bearbeiten

Strömungen mit Unterschall- und Überschallgeschwindigkeit Bearbeiten

Düse und Diffusor bei Unterschall (oben) und Überschall (unten)

Bei einem Diffusor für Unterschallströmungen vergrößert sich immer der Durchflussquerschnitt in Fließrichtung des strömenden Mediums.

In der Aerodynamik wird der Diffusor zum Beispiel bei Überschallflugzeugen dazu verwendet, die Luft im Triebwerkseinlauf einer Turbine auf Unterschallgeschwindigkeit abzubremsen, da die Luft die Schaufeln der Rotoren und Statoren nur im Unterschallbereich umströmen darf. Denn kommt es zu Überschallgeschwindigkeiten an den Schaufeln der Rotoren und Statoren in einem Jetantrieb, reißt die Strömung ab, die Brennkammer erstickt, der Antrieb fällt aus. Außerdem laufen Schockwellen durch das Fließmedium und die Rotor-/Statorflügel, die das Triebwerk zerstören können. In der sich in Fließrichtung verjüngenden Düse, die dem Triebwerk folgt, beschleunigt die Luft dann wieder auf Überschall-Geschwindigkeit.

Befindet sich das Fließmedium selbst in Überschallgeschwindigkeit und soll es auch in Überschallgeschwindigkeit verbleiben (zum Beispiel im Lufteinlass eines Pulsertriebwerkes), dann muss sich die Düse in Fließrichtung weiten, nicht verjüngen. Im Artikel Düse wird dieses paradoxe Phänomen erklärt.

Öffnungswinkel Bearbeiten

Eine Kennzahl für die Verbreiterung des Strömungsquerschnitts ist der Öffnungswinkel des Diffusors. Der Öffnungswinkel darf einen bestimmten Wert nicht überschreiten. Bei Kreiselpumpen beträgt der kritische Wert zumeist etwa 8º bis 10º.

Bei einem zu großen Öffnungswinkel (überkritischer Diffusor) entsteht eine Dissipation durch Ablösen der Strömung von der Diffusorwand, dadurch kommt es zu starken Verwirbelungen in den Übergangsgebieten zu den Toträumen. Bei einer plötzlichen starken Querschnittserweiterung spricht man auch von einem „Carnotschen Stoßverlust“, den entsprechenden Diffusor nennt man Sprungdiffusor. In einem solchen Diffusor kommt die Strömung nach einer Distanz von etwa dem Acht- bis Zehnfachen des großen Durchmessers wieder zum Anliegen.

Wirkungsgrad Bearbeiten

Die Qualität eines Diffusors wird mit dem „Diffusorwirkungsgrad“ oder der „Druckrückgewinnziffer“ beschrieben.

Berechnungen Bearbeiten

Inkompressible Strömungen (Mach < 0,3) Bearbeiten

Der Diffusor ist zumeist ein sehr komplex zu berechnendes Bauteil. Relativ überschaubar ist die Wirkung eines Diffusors jedoch im Fall von nicht-turbulenten und nicht viskosen Strömungen (das heißt, es kommt nicht aufgrund von plötzlichen Querschnittsänderungen oder Ähnlichem zu Wirbeln und die Reibungsverluste des Mediums an den Wänden kann vernachlässigt werden). Dann gilt die vereinfachte Bernoulli-Gleichung

Dabei ist der sogenannte statische Druck, der auf die Außenwände des Diffusors wirkt, die Dichte des Mediums und seine Fließgeschwindigkeit. (Anmerkung: Die Bernoulli-Gleichung ist dahingehend vereinfacht, dass Höhenunterschiede nicht berücksichtigt sind.) Wie ersichtlich ist, muss der statische Druck abnehmen, wenn sich die Fließgeschwindigkeit erhöht.

Da bei einem Rohr mit veränderlichem Querschnitt an jeder Stelle dasselbe Volumen pro Zeitspanne durchströmen muss, ist ersichtlich, dass sich die Strömungsgeschwindigkeit bei einem Querschnitt zu der Strömungsgeschwindigkeit bei dem Querschnitt umgekehrt proportional zu dem Verhältnis des Querschnitte verhält, es also gelten muss:

Außerdem gilt wegen der obenstehenden (vereinfachten) Bernoulli-Gleichung:

Beides zusammen ergibt:

bzw. umgeformt:

D. h. mit wachsendem Querschnitt (Diffusor: ) steigt der Druck (und sinkt die Strömungsgeschwindigkeit) und mit sinkendem Querschnitt (Düse: ) sinkt der Druck (und steigt die Strömungsgeschwindigkeit).

Bei sehr engen Querschnitten oder sehr zähflüssigen Medien müssen zusätzlich die Reibungsverluste berücksichtigt werden.

Wirkung der Querschnittserweiterung Bearbeiten

Diffusor (schematisch)

Bei sich plötzlich ändernden Querschnitten müssen die auftretenden Turbulenzen berücksichtigt werden. Bei einer plötzlichen Querschnittsänderung gilt für die in der Strömungslehre definierte Verlustziffer :

Mit der Verlustziffer und dem erweiterten Bernoullisatz der Rohrhydraulik (Berücksichtigung von Dissipation) folgt:

Energiesatz:

Massenerhaltungssatz: für

Technische Anwendungen Bearbeiten

Flugzeuge Bearbeiten

Diffusoren werden bei schnellfliegenden, insbesondere überschallschnellen Flugzeugen verwendet, um im unmittelbaren Ansaugbereich der Triebwerke einen definierten Gasdruck zu erzielen. Um dabei die optimalen Verhältnisse einstellen zu können, wird der Diffusor meist beweglich ausgelegt. Flugzeuge mit besonders großem Geschwindigkeitsbereich, oder bei denen es auf hohe Reichweite ankommt, haben komplexe Diffusoren mit verstellbaren Klappen und mehrfach veränderlichen Querschnitten.

Motorsport Bearbeiten

Diffusoren finden Anwendung im Motorsport, häufig auch bei Supersportwagen und gelegentlich bei Sportwagen. Hierbei wird Unterdruck unter dem Wagenboden erzeugt, der das Fahrzeug an den Boden presst und damit höhere Kurvengeschwindigkeiten zulässt und auch das Fahrverhalten bei hohen Geschwindigkeiten verbessert. Der Diffusor hat dabei die Aufgabe, den Unterdruck unter dem Fahrzeug wieder auf den hinter dem Fahrzeug herrschenden Umgebungsdruck zu erhöhen. In vielen Fällen handelt es sich bei einem solchen Diffusor um einen bodennahen Flügel.

Sonstige aerodynamische Anwendungen Bearbeiten

Bei kleineren Windkraftanlagen gibt es immer wieder Versuche, mit Hilfe von Diffusoren ihre Effektivität zu steigern. Ventilatoren sind ein weiterer Verwendungsbereich.

Hydrodynamik Bearbeiten

In der Hydrodynamik findet man den Diffusor z. B. in Pumpen und Wasserstrahl-/Strahltriebwerken. Er wird unter anderem eingesetzt, um das Phänomen der Kavitation zu beeinflussen.

Mit Diffusoren kann die Ausströmmenge aus einem Gefäß erhöht werden, man spricht vom Saugrohreffekt. Dieser war offenbar schon im antiken Rom bekannt, denn dort war es nach Sextus Iulius Frontinus verboten, ein Rohr mit zunehmendem Durchmesser direkt an ein Mundstück der Wasserleitung anzuschließen.

In der Aquaristik dienen Diffusoren dem Zweck, für das Leben und Wachstum der Fauna und Flora im Aquarium zusätzlich benötigte Gase wie Kohlendioxid oder Sauerstoff in das Wasser einzubringen. Dies geschieht durch den „Saugrohreffekt“, indem durch das Fließwasser innerhalb der Ausströmleitung mittels eines Frischluft- oder einer Gaszuleitung durch den Unterdruck angesaugt, mit dem Wasser vermischt und anschließend in das Becken geleitet wird. Insbesondere dienen diese Diffusoren während der Verwendung von Algenbekämpfungsmitteln, Medikamenten und/oder bei einem Missverhältnis zwischen Pflanzen- und Fischbesatz der zusätzlichen und ausgleichenden Belüftung des künstlichen Lebensraumes. Strittig ist, ob ein Diffusor darüber hinaus für normale Beckengrößen sinnvoll ist.

Literatur Bearbeiten

  • Willi Bohl: Technische Strömungslehre. Vogelverlag, Würzburg 1998, ISBN 3-8023-1740-8.
  • Heinrich Dubbel (Begr.): Taschenbuch für den Maschinenbau. Springerverlag, Berlin u. a. 2005, ISBN 3-540-22142-5.

Weblinks Bearbeiten

Wiktionary: Diffusor – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. Diffusor im Kreiselpumpenlexikon bei ksb.com.
  2. Peter Hakenesch: (PDF) Kapitel 4, Teil 3. (Nicht mehr online verfügbar.) In: Folien zur Vorlesung Fluidmechanik. S. 45, archiviert vom Original am 6. November 2015; abgerufen am 4. Februar 2016.
  3. Herbert Sprenger: Experimentelle Untersuchungen an geraden und gekrümmten Diffusoren. Von der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich zur Erlangung der Würde eines Doktors der technischen Wissenschaften genehmigte Promotionsarbeit. In: Mitteilungen aus dem Institut für Aerodynamik an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich. Nr. 27. Leemann, Zürich, 2. Geschichtlicher Rückblick, S. 8 f. (ethz.ch [PDF; abgerufen am 18. Januar 2015]).
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Veröffentlichungsdatum:
Ein Diffusor ist ein Bauteil das Stromungen von Gasen oder Flussigkeiten verlangsamt und den Gas Flussigkeitsdruck erhoht so dass kinetische Energie in Druckenergie umgewandelt wird Ein Diffusor ist im Prinzip die Umkehrung einer Duse Die Verzogerung der Stromung wird in der Regel durch eine stetige oder unstetige Erweiterung des Stromungsquerschnitts erreicht die geometrisch auf verschiedene Weisen realisiert werden kann Zwei Austrittsdiffusoren eines Wetterschachtes mit GrubenlufternDiffusoren kommen unter anderem beim Bau von Flugzeugen und Schiffen zum Einsatz im Maschinenbau in Elektrizitatswerken und in der Ventilatortechnik Diffusoren im Motorsport bewirken Abtrieb Bei Stromungen in Rohrleitungen konnen Diffusoren der Ruckgewinnung von kinetischer Energie dienen Bei Wasserkraftanlagen wird der Diffusor Saugrohr genannt Inhaltsverzeichnis 1 Technische Beschreibung 1 1 Stromungen mit Unterschall und Uberschallgeschwindigkeit 1 2 Offnungswinkel 1 3 Wirkungsgrad 2 Berechnungen 2 1 Inkompressible Stromungen Mach lt 0 3 2 2 Wirkung der Querschnittserweiterung 3 Technische Anwendungen 3 1 Flugzeuge 3 2 Motorsport 3 3 Sonstige aerodynamische Anwendungen 3 4 Hydrodynamik 4 Literatur 5 Weblinks 6 EinzelnachweiseTechnische Beschreibung BearbeitenStromungen mit Unterschall und Uberschallgeschwindigkeit Bearbeiten nbsp Duse und Diffusor bei Unterschall oben und Uberschall unten Bei einem Diffusor fur Unterschallstromungen vergrossert sich immer der Durchflussquerschnitt in Fliessrichtung des stromenden Mediums In der Aerodynamik wird der Diffusor zum Beispiel bei Uberschallflugzeugen dazu verwendet die Luft im Triebwerkseinlauf einer Turbine auf Unterschallgeschwindigkeit abzubremsen da die Luft die Schaufeln der Rotoren und Statoren nur im Unterschallbereich umstromen darf Denn kommt es zu Uberschallgeschwindigkeiten an den Schaufeln der Rotoren und Statoren in einem Jetantrieb reisst die Stromung ab die Brennkammer erstickt der Antrieb fallt aus Ausserdem laufen Schockwellen durch das Fliessmedium und die Rotor Statorflugel die das Triebwerk zerstoren konnen In der sich in Fliessrichtung verjungenden Duse die dem Triebwerk folgt beschleunigt die Luft dann wieder auf Uberschall Geschwindigkeit Befindet sich das Fliessmedium selbst in Uberschallgeschwindigkeit und soll es auch in Uberschallgeschwindigkeit verbleiben zum Beispiel im Lufteinlass eines Pulsertriebwerkes dann muss sich die Duse in Fliessrichtung weiten nicht verjungen Im Artikel Duse wird dieses paradoxe Phanomen erklart Offnungswinkel Bearbeiten Eine Kennzahl fur die Verbreiterung des Stromungsquerschnitts ist der Offnungswinkel des Diffusors Der Offnungswinkel darf einen bestimmten Wert nicht uberschreiten Bei Kreiselpumpen betragt der kritische Wert zumeist etwa 8º bis 10º 1 Bei einem zu grossen Offnungswinkel uberkritischer Diffusor entsteht eine Dissipation durch Ablosen der Stromung von der Diffusorwand dadurch kommt es zu starken Verwirbelungen in den Ubergangsgebieten zu den Totraumen Bei einer plotzlichen starken Querschnittserweiterung spricht man auch von einem Carnotschen Stossverlust den entsprechenden Diffusor nennt man Sprungdiffusor In einem solchen Diffusor kommt die Stromung nach einer Distanz von etwa dem Acht bis Zehnfachen des grossen Durchmessers wieder zum Anliegen Wirkungsgrad Bearbeiten Die Qualitat eines Diffusors wird mit dem Diffusorwirkungsgrad h D displaystyle eta D nbsp oder der Druckruckgewinnziffer beschrieben Berechnungen BearbeitenInkompressible Stromungen Mach lt 0 3 Bearbeiten Der Diffusor ist zumeist ein sehr komplex zu berechnendes Bauteil Relativ uberschaubar ist die Wirkung eines Diffusors jedoch im Fall von nicht turbulenten und nicht viskosen Stromungen das heisst es kommt nicht aufgrund von plotzlichen Querschnittsanderungen oder Ahnlichem zu Wirbeln und die Reibungsverluste des Mediums an den Wanden kann vernachlassigt werden Dann gilt die vereinfachte Bernoulli Gleichung p 1 2 r v 2 konstant displaystyle p frac 1 2 rho v 2 text konstant nbsp Dabei ist p displaystyle p nbsp der sogenannte statische Druck der auf die Aussenwande des Diffusors wirkt r displaystyle rho nbsp die Dichte des Mediums und v displaystyle v nbsp seine Fliessgeschwindigkeit Anmerkung Die Bernoulli Gleichung ist dahingehend vereinfacht dass Hohenunterschiede nicht berucksichtigt sind Wie ersichtlich ist muss der statische Druck p displaystyle p nbsp abnehmen wenn sich die Fliessgeschwindigkeit v displaystyle v nbsp erhoht Da bei einem Rohr mit veranderlichem Querschnitt an jeder Stelle dasselbe Volumen pro Zeitspanne durchstromen muss ist ersichtlich dass sich die Stromungsgeschwindigkeit v 1 displaystyle v 1 nbsp bei einem Querschnitt A 1 displaystyle A 1 nbsp zu der Stromungsgeschwindigkeit v 2 displaystyle v 2 nbsp bei dem Querschnitt A 2 displaystyle A 2 nbsp umgekehrt proportional zu dem Verhaltnis des Querschnitte verhalt es also gelten muss v 1 v 2 A 2 A 1 displaystyle frac v 1 v 2 frac A 2 A 1 nbsp bzw v 2 A 1 A 2 v 1 displaystyle v 2 frac A 1 A 2 v 1 nbsp Ausserdem gilt wegen der obenstehenden vereinfachten Bernoulli Gleichung p 1 1 2 r v 1 2 konstant p 2 1 2 r v 2 2 displaystyle p 1 frac 1 2 rho v 1 2 text konstant p 2 frac 1 2 rho v 2 2 nbsp Beides zusammen ergibt p 1 1 2 r v 1 2 p 2 1 2 r A 1 A 2 v 1 2 displaystyle p 1 frac 1 2 rho v 1 2 p 2 frac 1 2 rho left frac A 1 A 2 v 1 right 2 nbsp bzw umgeformt p 2 p 1 1 2 r v 1 2 1 A 1 A 2 2 displaystyle p 2 p 1 frac 1 2 rho v 1 2 left 1 left frac A 1 A 2 right 2 right nbsp D h mit wachsendem Querschnitt Diffusor A 2 gt A 1 displaystyle A 2 gt A 1 nbsp steigt der Druck und sinkt die Stromungsgeschwindigkeit und mit sinkendem Querschnitt Duse A 2 lt A 1 displaystyle A 2 lt A 1 nbsp sinkt der Druck und steigt die Stromungsgeschwindigkeit Bei sehr engen Querschnitten oder sehr zahflussigen Medien mussen zusatzlich die Reibungsverluste berucksichtigt werden Wirkung der Querschnittserweiterung Bearbeiten nbsp Diffusor schematisch Bei sich plotzlich andernden Querschnitten mussen die auftretenden Turbulenzen berucksichtigt werden Bei einer plotzlichen Querschnittsanderung gilt fur die in der Stromungslehre definierte Verlustziffer 3 displaystyle xi nbsp 2 3 D 1 A 1 A 2 2 displaystyle xi D left 1 frac A 1 A 2 right 2 nbsp Mit der Verlustziffer und dem erweiterten Bernoullisatz der Rohrhydraulik Berucksichtigung von Dissipation folgt Energiesatz D p p 1 p 2 r 2 w 1 2 w 2 2 3 D r 2 w 1 2 displaystyle Delta p p 1 p 2 frac rho 2 w 1 2 w 2 2 xi D frac rho 2 w 1 2 nbsp Massenerhaltungssatz w 1 A 2 A 1 w 2 displaystyle w 1 frac A 2 A 1 w 2 nbsp fur r konstant displaystyle rho text konstant nbsp p 1 p 2 r 2 3 D w 1 2 w 1 2 w 2 2 r 2 w 1 2 3 D 1 A 1 A 2 2 displaystyle p 1 p 2 frac rho 2 left xi D w 1 2 w 1 2 w 2 2 right frac rho 2 w 1 2 cdot left xi D 1 left frac A 1 A 2 right 2 right nbsp Technische Anwendungen BearbeitenFlugzeuge Bearbeiten Diffusoren werden bei schnellfliegenden insbesondere uberschallschnellen Flugzeugen verwendet um im unmittelbaren Ansaugbereich der Triebwerke einen definierten Gasdruck zu erzielen Um dabei die optimalen Verhaltnisse einstellen zu konnen wird der Diffusor meist beweglich ausgelegt Flugzeuge mit besonders grossem Geschwindigkeitsbereich oder bei denen es auf hohe Reichweite ankommt haben komplexe Diffusoren mit verstellbaren Klappen und mehrfach veranderlichen Querschnitten Motorsport Bearbeiten Hauptartikel Diffusor Motorsport Diffusoren finden Anwendung im Motorsport haufig auch bei Supersportwagen und gelegentlich bei Sportwagen Hierbei wird Unterdruck unter dem Wagenboden erzeugt der das Fahrzeug an den Boden presst und damit hohere Kurvengeschwindigkeiten zulasst und auch das Fahrverhalten bei hohen Geschwindigkeiten verbessert Der Diffusor hat dabei die Aufgabe den Unterdruck unter dem Fahrzeug wieder auf den hinter dem Fahrzeug herrschenden Umgebungsdruck zu erhohen In vielen Fallen handelt es sich bei einem solchen Diffusor um einen bodennahen Flugel Sonstige aerodynamische Anwendungen Bearbeiten Bei kleineren Windkraftanlagen gibt es immer wieder Versuche mit Hilfe von Diffusoren ihre Effektivitat zu steigern Ventilatoren sind ein weiterer Verwendungsbereich Hydrodynamik Bearbeiten In der Hydrodynamik findet man den Diffusor z B in Pumpen und Wasserstrahl Strahltriebwerken Er wird unter anderem eingesetzt um das Phanomen der Kavitation zu beeinflussen Mit Diffusoren kann die Ausstrommenge aus einem Gefass erhoht werden man spricht vom Saugrohreffekt Dieser war offenbar schon im antiken Rom bekannt denn dort war es nach Sextus Iulius Frontinus verboten ein Rohr mit zunehmendem Durchmesser direkt an ein Mundstuck der Wasserleitung anzuschliessen 3 In der Aquaristik dienen Diffusoren dem Zweck fur das Leben und Wachstum der Fauna und Flora im Aquarium zusatzlich benotigte Gase wie Kohlendioxid oder Sauerstoff in das Wasser einzubringen Dies geschieht durch den Saugrohreffekt indem durch das Fliesswasser innerhalb der Ausstromleitung mittels eines Frischluft oder einer Gaszuleitung durch den Unterdruck angesaugt mit dem Wasser vermischt und anschliessend in das Becken geleitet wird Insbesondere dienen diese Diffusoren wahrend der Verwendung von Algenbekampfungsmitteln Medikamenten und oder bei einem Missverhaltnis zwischen Pflanzen und Fischbesatz der zusatzlichen und ausgleichenden Beluftung des kunstlichen Lebensraumes Strittig ist ob ein Diffusor daruber hinaus fur normale Beckengrossen sinnvoll ist Literatur BearbeitenWilli Bohl Technische Stromungslehre Vogelverlag Wurzburg 1998 ISBN 3 8023 1740 8 Heinrich Dubbel Begr Taschenbuch fur den Maschinenbau Springerverlag Berlin u a 2005 ISBN 3 540 22142 5 Weblinks Bearbeiten nbsp Wiktionary Diffusor Bedeutungserklarungen Wortherkunft Synonyme Ubersetzungen Diffusoren in der WindenergieEinzelnachweise Bearbeiten Diffusor im Kreiselpumpenlexikon bei ksb com Peter Hakenesch Stromung von Fluiden PDF Kapitel 4 Teil 3 Nicht mehr online verfugbar In Folien zur Vorlesung Fluidmechanik S 45 archiviert vom Original am 6 November 2015 abgerufen am 4 Februar 2016 Herbert Sprenger Experimentelle Untersuchungen an geraden und gekrummten Diffusoren Von der Eidgenossischen Technischen Hochschule in Zurich zur Erlangung der Wurde eines Doktors der technischen Wissenschaften genehmigte Promotionsarbeit In Mitteilungen aus dem Institut fur Aerodynamik an der Eidgenossischen Technischen Hochschule in Zurich Nr 27 Leemann Zurich 2 Geschichtlicher Ruckblick S 8 f ethz ch PDF abgerufen am 18 Januar 2015 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Diffusor Stromungsmechanik amp oldid 233882911