Herbert Oertel jr. Eckart Laurien. Numerische Stromungsmechanik

Transkript

1 Herbert Oertel jr. Eckart Laurien Numerische

2 Aus dem Programm Introduction to Fluid Mechanics von H. Oertel jr. von H. Oertel jr. und M. Bohle Ubungsbuch von H. Oertel jr., M. Bohle und U. Dohrmann Prandtl - Fuhrer durch die Stromungslehre von H. Oertel jr. (Hrsg.) unter Mitarbeit von M. Bohle, D. Etling, U. Miiller, U. Riedel, K. R. Sreenivasan, J. Warnatz Numerische von H. Oertel jr. und E. Laurien Technische Stromungslehre von L. Boswirth Numerische Simulation in der Stromungslehre von M. Griebel, Th. Dornseifer und T. Neunhoeffer vieweg ----'

3 Herbert Oertel jr. Eckart Laurien Numerische Grundgleichungen, Losungsmethoden, Softwarebeispiele 2., neu bearbeitete Auflage Mit 145 Abbildungen Studium Technik ~ vleweg

4 Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet iiber < abrufbar. Prof. Dr.-Ing. habil. Herbert Oertel jr., Ordinarius Institut fiir Stromungslehre, Universităt Karlsruhe, Kaiserstr. 12, Karlsruhe Prof. Dr.-Ing. habil. Eckart Laurien, Universitătsprofessor Institut fiir Kernenergetik und Energiesysteme, Universităt Stuttgart, Pfaffenwaldring 31, Stuttgart Die 1. Auflage des Buches erschien 1995 unter demselben TiteI im Springer Verlag. 2., neu bearbeitete Auflage Januar 2003 Alle Rechte vorbehalten Springer Fachmedien Wiesbaden 2003 Ursprilnglich erschienen bei Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh, BraunschweigIWiesbaden 2003 Das Werk einschlieblich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschiitzt. Jede Verwertung auberhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulăssig und strafbar. Das gilt insbesondere fiir Vervielfăltigungen, Obersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, Gedruckt auf săurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. ISBN ISBN (ebook) DOI /

5 v Vorwort Seit dem Erscheinen der ersten Auflage der Numerischen haben sich die Losungsmethoden der stromungsmechanischen Grundgleichungen derart weiterentwickelt, dass fur die Ausbildung an den Hochschulen und in der industriellen Praxis kommerzielle Software verfugbar ist. Deshalb wird in der zweiten Auflage der Numerischen der Student ergiinzend zu den mathematischen Methoden der (H. Oertel jr., M. Bohle 2002) systematisch an den praktischen Umgang mit der Losungs-Software herangefuhrt. Das Buch ist zum Gebrauch neben der Vorlesung Numerische nach dem Vordiplom bestimmt. Das Lehrbuch wendet sich an Studenten und Ingenieure, die an der Anwendung numerischer Losungsmethoden in der Praxis interessiert sind. Es verzichtet auf jegliche mathematische BeweisfUhrung. Die Literaturangaben in den einzelnen Kapiteln beschriinken sich auf eine begrenzte Auswahl von Fachliteratur, die fur die Vertiefung des Lehrstoffes niitzlich ist. Das Lehrbuch iiber numerische behandelt die grundlegenden Techniken der Geometriedarstellung, Netzgenerierung und der Diskretisierung eines Stromungsfeldes, die Auswahl geeigneter numerischer Losungsalgorithmen fur die dem Stromungsproblem angepassten stromungsmechanischen Grundgleichungen und Modelle und die Datenauswertung sowie die Darstellung und Interpretation des Stromungsfeldes. Es fuhrt mit Anwendungsbeispielen der Luftfahrt, Kraftfahrzeug- und Energietechnik sowie der Bio- und Medizintechnik in die praktische Anwendung stromungsmechanischer Software ein. 1m Einzelnen werden die Grundgleichungen der sowie die Algorithmen der Geometriedefinition und Netzgenerierung behandelt. Es werden Differenzenverfahren, Finite-Volumen- und Finite-Elemente-Methoden eingefuhrt. Dabei wird bewusst auf jegliche VollsUindigkeit der Losungs-Algorithmen verzichtet und es werden lediglich ausgewiihlte numerische Algorithmen beschrieben, die sich in der Praxis bewiihrt haben. Der praktische Umgang mit der Software wird in EinfUhrungs- und Trainingskursen unter Internet-Anleitung der Assistenten geiibt. Die zahlreichen Anwendungsbeispiele aus der industriellen Praxis soli en die Studenten ermutigen, die Methoden der numerischen und die Software fur die Produktentwicklung in der Industrie zu nutzen. Das Manuskript der numerischen wurde gemeinsam mit meinem friiheren Mitarbeiter und Kollegen Prof. Dr.-Ing. E. Laurien ausgearbeitet. Es profitiert von zahlreichen Forschungs- und Entwicklungsprojekten, die im Bereich der numerischen Stromungssimulation gemeinsam mit der Industrie im Kolleg des Instituts fur Stromungslehre durchgefuhrt wurden. Das Manuskript und die Abbildungen wurden in bewiihrter Weise von Dr.-Ing. U. Dohrmann und L. Huber iiberarbeitet. Dem Vieweg Verlag danken wir fur die Ubernahme der Numerischen und FortfUhrung der erfreulich guten Zusammenarbeit. Karlsruhe, August 2002 Herbert Oertel jr.

6 VII Inhaltsverzeichnis 1 Einfiihrung 1 2 Strornungsproblerne Kraftfahrzeugaerodynamik Tragftiigelaerodynamik Mehrphasenstromung Biostromungsmechanik 25 3 Grundgleichungen del' Strornungsrnechanik Kontinuitiitsgleichung Impulsgleichungen Laminare Stromungen Reynolds-Gleichungen fiir turbulente Stromungen Energiegleichung Laminare Stromungen Turbulente Stromungen Tur bulenzmodelle Das Konzept der Wirbelviskositiit Algebraische Turbulenzmodelle Transportmodelle Turbulenzmodelle fur Zweiphasenstromungen Reynolds-Spannungsmodelle Grobstruktursimulation und Feinstrukturmodelle Grundgleichungen in Erhaltungsform Hierarchie der Grundgleichungen N avier-stokes-g leichungen Abgeleitete Modellgleichungen Reynolds-Gleichungen fur turbulente Stromungen Mehrphasenstromungen Auswahl der Grundgleichungen und Modelle 98 4 Geornetrie- und N etzgenerierung Geometriedefinition Netzgenerierung Grundlagen der Netzgenerierung Methoden der Netzgenerierung llo 5 Diskretisierung Grundlagen der Diskretisierung Zei t diskretisierung Diskretisierung im Raum 130

7 VIII Inha] tsverzeichnis Lasung von G leichungssystemen 5.2 Konvel'genz, Konsistenz und Stabilitat :\' umel'ische Fehlel' Nachweis del' Konvel'genz Vel'ifikation und Validierung Nachweis del' Stabilitat 5.:3 Finite-Diffel'enzen-!\1ethode (FD!\I) DuFol't-Frankel-Verfahren Lax-Wendroff- und MacCormack-Verfahren Beam- und Wal'ming-Vel'fahren 5.4 Finite-Volumen-Methode (FVM) Finite-Volumen Runge-K utta-verfahl'en Semi-implizites Vel'fahl'en Hochauflasende Finite-Volumen-Verfahl'en 5.5 Finite-Elemcnte-Methode (FEM) Taylol'-Galerkin-Finite-Elemente-Verfahren Finite-Elemente-Verfahren fur inkompressible Stl'amungen 6 Software 6.1 EinfUhrungskurs 6.2 Trainingskurs 6.3 Anwendungsbeispiele Ausgewahlte Literatur Sachwortverzeichnis 1: