16.5 : Freistrahl

Freistrahlen beschreiben den Fluidfluss, der aus einem Reservoir durch eine Öffnung ohne Widerstand in die Atmosphäre austritt. Die Geschwindigkeit (V) des Fluidstrahls wird mithilfe des Bernoulli-Prinzips ermittelt und wie folgt ausgedrückt:

Wobei h die Höhe des Fluids über der Öffnung ist. Diese Gleichung setzt atmosphärischen Druck sowohl an der Reservoiroberfläche als auch am Strahlaustritt voraus. Die Höhe der Fluidsäule bestimmt die Geschwindigkeit des Fluids an der Düse in einem Reservoir, wo die potenzielle Energie des Fluids während des Fließens in kinetische Energie umgewandelt wird.

Das Phänomen der Vena Contracta tritt auf, wenn das Fluid durch eine scharfkantige Öffnung austritt, wodurch der Strahldurchmesser d_j kleiner ist als der Düsendurchmesser d_o. Dies geschieht, weil die Fluidströme den abrupten Kanten nicht folgen können, wodurch ein verengter Strömungsbereich entsteht. Der Kontraktionskoeffizient ist das Verhältnis der Querschnittsfläche des Strahls an der Vena Contracta zur Querschnittsfläche der Düse und quantifiziert den Grad der Strahlkontraktion. Dieser Parameter wird durch die Geometrie der Düse beeinflusst. Verschiedene Designs wie Messerdüsen, scharfkantige, gut abgerundete und einspringende Düsen erzeugen unterschiedliche Strömungsmuster und Kontraktionseigenschaften. Bei einer gut abgerundeten Düse beträgt C_c = 1,0, während scharfe oder messerartige Öffnungen C_c auf etwa 0,61 reduzieren. Einspringende Düsen weisen sogar noch niedrigere Werte auf.

Diese Strömungseigenschaften und Kontraktionseffekte sind bei technischen Anwendungen mit Fluidausstoß von entscheidender Bedeutung, von Behältern bis hin zu Industriedüsen.