Diffusor

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Dieser Artikel erläutert das Bauteil Diffusor in der Strömungslehre; für andere Bedeutungen siehe Diffusor (Begriffsklärung).

Zwei Austrittsdiffusoren eines Wetterschachtes mit Grubenlüftern

Ein Diffusor ist ein Bauteil im Maschinen-, Elektrizitätswerks-, Fahrzeug- und Flugzeug- und Schiffbau, das Gas-/Flüssigkeitsströmungen verlangsamt und den Gas-/Flüssigkeitsdruck erhöht. Es stellt im Prinzip die Umkehr einer Düse dar. Er dient weiterhin zur "Rückgewinnung" von kinetischer Energie in der Rohrhydraulik.

Ein Diffusor stellt im Unterschallbereich immer eine Vergrößerung des Durchflußquerschnittes in Fließrichtung des strömenden Mediums dar. 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, welche das Triebwerk zerstören können.

In der sich in Fließrichtung verjüngenden Düse, die dem Triebwerk folgt, beschleunigt die Luft dann wieder auf Überschallgeschwindigkeit.

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

In der Hydrodynamik zur Beeinflussung des Phänomens der Kavitation angewandt, sowie in der Aerodynamik im Bereich des Überschalls, ist der Diffusor ein sehr komplex zu berechnendes Bauteil.

Bei Diffusoren mit einem Öffnungswinkel von $\alpha > 8\,^{\circ}$ (überkritischer Diffusor) entsteht eine Dissipation durch Ablösen der Strömung von der Diffusorwand, dadurch kommt es zu starken Verwirbelungen in den Übergangsgebieten zu den Toträumen. Die Qualität eines Diffusors wird mit dem "Diffusionswirkungsgrad" $η D$ oder der "Druckrückgewinnziffer" beschrieben.

[Bearbeiten] Mathematische Beschreibung

Diffusor (schematisch)

Bei dem Diffusor gilt für die, in der Strömungslehre definierte, Verlustziffer $ξ$ :

$\xi_D=(\frac{0,05}{0,3}(1-(\frac{A_1}{A_2})^2)$

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

Energiesatz: $\Delta p=p_1-p_2+\frac{\rho}{2}(w_1^2-w_2^2)=\xi_D\frac{\rho}{2}w_1^2$

Massenerhaltungssatz: $w_1=\frac{A_2}{A_1}w_2$ für $ρ = c o n s t .$

$p_1-p_2=\frac{\rho}{2}(\xi_D w_1^2-(w_1^2-w_2^2))=\frac{\rho}{2}w_1^2(\xi_D-1+(\frac{A_1}{A_2}^2))$

[Bearbeiten] Technische Anwendung

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.

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.

In der Hydrodynamik findet man den Diffusor z.B. in Pumpen und Wasserstrahl-/Jetantrieben.