Strahlkontraktion

Behälter mit Bilanzgebiet

Tritt Flüssigkeit durch ein scharfkantiges Loch ins freie, misst der Querschnitt des Freistrahls nur etwa 60% des Lochquerschnitts. Mit Hilfe einer Energie- und einer Impulsbilanz kann eine untere Grenze für diese Strahlkontraktion gefunden werden.

Aus einem unter Druck stehenden Behälter strömt eine Flüssigkeit mit der Geschwindigkeit v ins freie. Die positive Bezugsrichtung zeige in Richtung des Strahls. Wählt man nun ein Bilanzgebiet im Innern des Behälters so, dass das Loch ein Teil der Gebietsoberfläche ist, kann eine Impulsbilanz und eine Energiebilanz aufgestellt werden. Auf das Bilanzgebiet wirkt bis auf das Loch allseitig der Überdruck p ein. Die resutlierende Druckkraft auf das Bilanzgebiet ist gleich Druck mal Querschnitt des Lochs. Diese Kraft zeigt das Loch, weil dieses nicht in der Lage ist, die Kraft des gegenüberliegenden, gleich grossen Stücks zu kompensieren. Der konvektive Impulsstrom der austretenden Flüssigkeit kann ebenfalls als Kraft gelesen werden, die vom Loch her auf das Bilanzgebiet einwirkt. Weil sich der Impuls des Bilanzgebiets nicht ändert, sind die beiden Impulsströme, die Druckkraft und der konvektive Strom, entgegengesetzt gleich gross, d.h. ihre Beträge sind gleich

[math]F_D=pA_{Loch}=I_p=vI_m=\varrho A_{Strahl} v^2[/math]

Aus der Energiebilanz oder der direkten Anwendung des Satzes von Bernoulli folgt, dass die Dichte der kinetischen Energie im Strahl gleich dem Druck im Behälter ist

[math]p=\frac{\varrho}{2}v^2[/math]

Durch Einsetzen in die Impulsbilanz erhält man

[math]\frac{A_Loch}{A_Strahl}=2[/math]

Der Strahl schnürt sich gemäss dieser Betrachtung im Querschnitt um 50% ein. Zwei Effekte beeinflussen dieses Resultat

1. In der Umgebung des Loches kann der Impuls radial zu- oder wegfliessen. Dieser Austausch wird durch die Viskosität und die Form der Lochwand (abgerundet Kanten) ermöglicht.