Strömungsmechanik, 6. Auflage: Grundlagen - Grundgleichungen - Lösungsmethoden - Softwarebeispiele

483 Pages·2011·17.92 MB·German

by  Herbert Oertel

Herbert Oertel jr. | Martin Böhle | Thomas Reviol
Strömungsmechanik

Herbert Oertel jr. |Martin Böhle | Thomas Reviol
Strömungs-
mechanik
Grundlagen – Grundgleichungen –
Lösungsmethoden – Softwarebeispiele
6., überarbeitete und erweiterte Auflage
Mit 346 Abbildungen
STUDIUM
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Die Autoren:
Prof. Prof. e.h. Dr.-Ing. habil. Herbert Oertel jr., Ordinarius
Institut für Strömungslehre, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Kaiserstraße 12, 76128 Karlsruhe
Prof. Dr.-Ing. Martin Böhle, Universitätsprofessor
Lehrstuhl für Strömungsmechanik und Strömungsmaschinen
Technische Universität Kaiserslautern, Gottlieb-Daimler-Straße, 67663 Kaiserslautern
Dr.-Ing. Thomas Reviol, Akademischer Rat
Lehrstuhl für Strömungsmechanik und Strömungsmaschinen
Technische Universität Kaiserslautern, Gottlieb-Daimler-Straße, 67663 Kaiserslautern
1. Auflage 1999
2., überarbeitete und erweiterte Auflage 2002
3., überarbeitete und erweiterte Auflage 2004
4., überarbeitete und erweiterte Auflage 2006
5.,überarbeitete und erweiterte Auflage 2009
6., überarbeitete und erweiterte Auflage 2011
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Lektorat: Thomas Zipsner | Imke Zander
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Umschlaggestaltung: KünkelLopka Medienentwicklung, Heidelberg
Druck und buchbinderische Verarbeitung: AZ Druck und Datentechnik, Berlin
Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier
Printed in Germany
ISBN 978-3-8348-1397-8
V
Vorwort
Das Str¨omungsmechanik Lehrbuch gibt eine Einfu¨hrung in die Grundlagen, Grundglei-
chungen und L¨osungsmethoden der Str¨omungsmechanik. Es fu¨hrt systematisch in die
Anwendung str¨omungsmechanischer Software ein, die der Entwicklungsingenieur in der
Industrie vorfindet. Auf vielfachen Wunsch unserer Studenten haben wir in dem voran-
gegangenen Lehrbuch u¨ber die Methoden und Ph¨anomene der Str¨omungsmechanik die
str¨omungsmechanischen Grundlagen derart erg¨anzt, wie sie an der Universit¨at Karlsruhe
im 5. Semester gelesen werden. Die analytischen und numerischen L¨osungsmethoden der
str¨omungsmechanischen Grundgleichungen fu¨r turbulente Str¨omungen bis hin zu prak-
tischen Beispielen der Softwarenutzung folgen in erg¨anzenden Vorlesungen im 6. Se-
mester. Um Ingenieure, Naturwissenschaftler und Technomathematiker fu¨r den Lehrstoff
der Str¨omungsmechanik zu gewinnen, wurde das einfu¨hrende Kapitel u¨ber Beispiele der
Str¨omungsmechanik in Natur und Technik erg¨anzt.
Die Motivation, ein weiteres Lehrbuch der Str¨omungsmechanik zu schreiben, kam
bei der Bearbeitung der 10. Auflage des Standardwerkes Prandtl - Fu¨hrer durch die
Str¨omungslehre. Alle wesentlichen Gedanken und Ableitungen zu den Grundlagen der
Str¨omungsmechanik finden sich bereits im Originaltext von Prandtl 1942. Wir haben
den Versuch unternommen, den damaligen Lehrstoff in die heutige Sprache der Inge-
nieure und Naturwissenschaftler zu u¨bertragen. Dabei wurde beru¨cksichtigt, dass sich die
L¨osungsmethoden str¨omungsmechanischer Probleme mit der Einfu¨hrung von Großrech-
nern und str¨omungsmechanischer Software ver¨andert haben.
Das Lehrbuch wird erg¨anzt durch das U¨bungsbuch Str¨omungsmechanik. Darin findet der
Student zu jedem Kapitel U¨bungsaufgaben mit ausfu¨hrlichen L¨osungsbeispielen fu¨r die
Klausurvorbereitung. Softwarebeispiele erg¨anzen den U¨bungsstoff, um sich fru¨hzeitig mit
dem Umgang an Rechnern vertraut zu machen. Dabei ist das eigenst¨andige Nacharbeiten
des in der Vorlesung Erlernten unerl¨asslich fu¨r die Vertiefung des Lehrstoffes.
Das Manuskript der Str¨omungsmechanik wurde gemeinsam mit meinem langj¨ahrigen As-
sistenten und heutigen Universit¨atsprofessor M. B¨ohle ausgearbeitet. Es profitiert von
zahlreichen Diskussionen und Anregungen unserer Studenten und Kollegen. Besonderer
Dank gilt unseren Mitarbeitern U. Dohrmann, L. Huber, F. Sassenhausen und L. Zu¨rcher
fu¨r die Erstellung des Manuskripts und der Abbildungen. Dem Springer-Verlag danken
wir fu¨r die U¨bertragung der Methoden und Ph¨anomene der Str¨omungsmechanik. Dem
Vieweg-Verlag sei fu¨r die ¨außerst erfreuliche und gute Zusammenarbeit gedankt.
Karlsruhe, Juli 1999 Herbert Oertel jr.
VI
Vorwort zur 6. Auflage
DasStr¨omungsmechanikLehrbuchhatsichalsStandardwerkfu¨rIngenieure,Naturwissen-
schaftler und Technomathematiker etabliert. Es gibt eine Einfu¨hrung in die Grundlagen,
GrundgleichungenundL¨osungsmethodenderStr¨omungsmechanikundfu¨hrtsystematisch
in die Anwendung str¨omungsmechanischer Software ein.
Die einfu¨hrenden Str¨omungsbeispiele aus Natur und Technik werden mit einem Lehr-
film erg¨anzt, der von der Homepage www.prof-oertel.de heruntergeladen werden kann.
Vorlesungsbegleitende Experimente und Computersimulationen sowie Softwarebeispiele
zum Vorlesungsstoff findet man im Vieweg+Teubner-Portal zum Lehrbuch und unter der
Adresse www.ubka.uni-karlsruhe.de/digibibl/index.html im Elektronischen Voll-
textarchiv EVA und im Digitalen Video- und Audioarchiv DIVA des Universit¨atsverlages
Karlsruhe unter dem Autor Oertel.
DieAnwendungderstr¨omungsmechanischenSoftwarefu¨rForschungundEntwicklungwird
miteinemEinfu¨hrungs-undSoftware-Verifikationskursunterstu¨tzt,deralsEinstiegindie
NumerischeStr¨omungsmechanikgedachtist.DasSoftware-Kapitelschließtmiterfolgreich
durchgefu¨hrten Beispielen von Industrieprojekten ab.
In der Neuauflage wurden die Kapitel Turbulenzmodellierung und Molekulardynamische
Simulationsmethodenu¨berarbeitetunderg¨anzt.ImSoftware-KapitelwurdendieBeispiele
der Industrieprojekte aktualisiert.
Die Zielgruppe des Lehrbuches sind Studierende der Fachrichtungen Maschinenbau, Che-
mieingenieurwesen, Verfahrenstechnik, Physik und Technomathematik an Universit¨aten,
Technischen Hochschulen und Fachhochschulen.
Dank gilt K. Fritsch-Kirchner fu¨r die bew¨ahrte Manuskriptarbeit und U¨berarbeitung
der Abbildungen. Dem Vieweg+Teubner-Verlag danken wir fu¨r die jahrelange ¨außerst
erfolgreiche Zusammenarbeit. Ganz besonderen Dank gilt meinem zu fru¨h verstorbe-
nem Assistenten und fru¨heren Mitarbeiter U. Dohrmann, der an der Formulierung der
Str¨omungsmechanik wesentlichen Anteil hatte.
Karlsruhe, April 2011 Herbert Oertel jr.
VII
Inhaltsverzeichnis
Bezeichnungen IX
1 Einfu¨hrung 1
1.1 Str¨omungen in Natur und Technik 2
1.2 Str¨omungsbereiche 30
1.3 Produktentwicklung 43
2 Grundlagen der Str¨omungsmechanik 48
2.1 Eigenschaften str¨omender Medien 48
2.1.1 Transporteigenschaften 48
2.1.2 Thermodynamische Eigenschaften 53
2.1.3 Ober߬achenspannung 56
2.2 Hydro- und Aerostatik 60
2.2.1 Hydrostatik 60
2.2.2 Aerostatik 64
2.3 Hydro- und Aerodynamik, Stromfadentheorie 68
2.3.1 Kinematische Grundbegriffe 68
2.3.2 Inkompressible Str¨omungen 77
2.3.3 Kompressible Str¨omungen 103
2.4 Technische Str¨omungen 127
2.4.1 Turbulente Str¨omungen 127
2.4.2 Impulssatz 141
2.4.3 Drehimpulssatz 147
2.4.4 Rohrhydraulik 150
2.4.5 Str¨omungen Nicht-Newtonscher Medien 158
2.4.6 Str¨omungsabl¨osung 162
2.4.7 Str¨omungsmaschinen 176
2.5 Aerodynamik des Flugzeuges 187
2.5.1 Profilstr¨omung 188
2.5.2 Tragflu¨gelstr¨omung 194
2.6 Str¨omungen mit W¨armeu¨bertragung 195
2.6.1 Beheizte vertikale Platte 195
2.6.2 Rohrstr¨omung 200
3 Grundgleichungen der Str¨omungsmechanik 206
3.1 Kontinuit¨atsgleichung (Erhaltung der Masse) 207
VIII Inhaltsverzeichnis
3.2 Navier-Stokes Gleichungen (Erhaltung des Impulses) 209
3.2.1 Laminare Str¨omungen 209
3.2.2 Reynolds-Gleichungen fu¨r turbulente Str¨omungen 220
3.2.3 Turbulenzmodelle 227
3.2.4 Grobstruktursimulation 251
3.2.5 Feinstrukturmodellierung 255
3.3 Energiegleichungen (Erhaltung der Energie) 258
3.3.1 Laminare Str¨omung 258
3.3.2 Turbulente Str¨omungen 264
3.4 Grenzschichtgleichungen 269
3.4.1 Inkompressible Str¨omungen 269
3.4.2 Kompressible Str¨omungen 279
3.5 Potentialgleichungen 280
3.6 Grundgleichungen in Erhaltungsform 286
4 Numerische L¨osungsmethoden 295
4.1 Analytische Vorbereitung 297
4.1.1 Dimensionsanalyse 297
4.1.2 Linearisierung 305
4.1.3 Stabilit¨atsanalyse 326
4.1.4 Strukturanalyse 334
4.2 Diskretisierung 347
4.2.1 Galerkin-Methode 348
4.2.2 Finite-Elemente-Methode 357
4.2.3 Finite-Differenzen-Methode 362
4.2.4 Finite-Volumen-Methode 369
4.2.5 Molekulardynamische Simulationsmethoden 383
5 Str¨omungsmechanik Software 405
5.1 Software Verifikation und Validierung 406
5.2 Anwendungsbeispiele 428
Ausgew¨ahlte Literatur 459
Sachwortverzeichnis 462