Dimensionslose Kennzahl
Als dimensionslose Kennzahl (der Physik) bezeichnet man einen Parameter in einem dimensionslosen mathematischen Modell eines physikalischen Zustands oder Prozesses. Wenn zwei Zustände oder Prozesse durch dasselbe mathematische Modell definiert sind, lassen sich genau dann alle Größen des einen in die des anderen mit einer gegebenen Transformationsregel umrechnen, wenn die dimensionslosen Kennzahlen dieselben Werte aufweisen. Beide Prozesse oder Zustände sind dann einander ähnlich.
Es sind dimensionslose Größen, die sich aus der Ähnlichkeitstheorie ergeben und physikalische Vorgänge charakterisieren.
Man bezeichnet zwei Vorgänge als physikalisch ähnlich, wenn die Kennzahlen für beide Vorgänge gleich sind. Man kann Kennzahlen als das Verhältnis zweier gleichartiger Größen auffassen.
Das entsprechende Teilgebiet der technischen Mechanik nennt man Ähnlichkeitsmechanik. Siehe Buckingham Pi Theorem:
Anz. beteiligte Messgrößen - Anz. enthaltene Basiseinheiten (Grunddimensionen) = Anz. Kennzahlen (dimensionslosen Gruppen)
Zweck einer dimensionslosen Kennzahl ist, durch wenige, beispielhafte Messungen im Modellversuch die Lösung für beliebige andere Fälle zu kennen, bei denen die dimensionslosen Kennzahlen gleich groß sind wie im Modellversuch.
In der Fluiddynamik wird z. B. die Umströmung eines Körpers durch die Navier-Stokes-Gleichung in Verbindung mit der Kontinuitätsgleichung sowie Randbedingungen (Geometrie des Körpers und anderer Begrenzungen) beschrieben. Die Koeffizienten der dimensionslosen Navier-Stokes-Gleichung sind die Reynolds-Zahl, Froude-Zahl und im instationären Fall die Keulegan-Carpenter-Zahl.
Die Froude-Zahl hat auf Probleme mit einer freien Oberfläche einen Einfluss, ist also in Schiffbau und Offshoretechnik relevant, und beschreibt beispielsweise, wie lang ein Schiff im Vergleich zu Wellen ist, die sich mit derselben Geschwindigkeit ausbreiten mit der das Schiff fährt. Die Reynolds-Zahl beschreibt die Wirkung der Viskosität. Die Keulegan-Carpenter-Zahl kann beispielsweise dimensionslos beschreiben, welche Wirkung Seegang auf Offshore-Strukturen ausübt.
Wenn man beispielsweise für eine Serie von Reynolds-Zahlen und Anströmwinkel den Widerstand und dynamischen Auftrieb pro Längeheinheit an einem bestimmten Profil im verkleinerten Maßstab gemessen hat, kann man die Ergebnisse auf beliebig große Profile derselben Querschnittsgestalt umrechnen, indem man drauf achtet, dass die Reynoldszahl dieselbe ist wie bei der Messung.
Schiffbau-Versuchsanstalten leben teilweise davon, die Umströmung fahrender Schiffe im Modellmaßstab nachzubilden und müssten eigentlich sowohl die Reynolds-Zahl als auch die Froude-Zahl des Schiffes nachbilden. Weil dies nicht möglich ist, solange man nicht riesige Modelle im Maßstab 1:4 in Quecksilber statt Wasser fahren lässt, beschränkt man sich auf die Einhaltung der Froude-Zahl und korrigiert die Messergebnisse empirisch, indem man den Reibungswiderstand von der Reynolds-Zahl des Modells auf die der Großausführung umrechnet.
Anwendungsgebiete
Man kennt Kennzahlen in
- reibungsbehafteten Strömungen
- Strömungen mit freier Oberfläche und Schwebeteilchen in Strömungen
- Strömungen mit Druckgradienten in Hauptströmungsrichtung
- gleichzeitige Wärme- und Stoffübertragung
- kompressible Strömungen
- Wärmeübergang durch Konvektion in Strömungen
- Wärmeübergang an einer Wand durch Strömung
Kennzahlen
- Bond-Zahl
- Brinkmann-Zahl
- Cauchy-Zahl
- Colburn-Zahl
- Eckert-Zahl
- Euler-Zahl
- Fourier-Zahl
- Froude-Zahl
- Galilei-Zahl
- Graetz-Zahl
- Grashof-Zahl
- Hagen-Zahl
- Knudsen-Zahl
- Lewis-Zahl
- Mach-Zahl (Ma)
- Newton-Zahl
- Nahme-Zahl (Na) (auch Nahme-Griffith Zahl)
- Nusselt-Zahl (auch Biot-Zahl)
- Ohnesorgezahl (On)
- Péclet-Zahl
- Prandtl-Zahl
- Rayleigh-Zahl
- Reynolds-Zahl (Re)
- Richardson-Zahl
- Schmidt-Zahl
- Sherwood-Zahl
- Stanton-Zahl
- Strouhal-Zahl (St)
- Taylor-Zahl (Ta)
- Thring-Zahl
- Weber-Zahl (We)