Herbert Oertel jr. Martin Böhle. Strömungsmechanik

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1 Herbert Oertel jr. Martin Böhle Strömungsmechanik

2 Aus dem Programm Strömungs mechanik PRANDTL - Führer durch die Strömungslehre von H. Oertel jr. (Hrsg.) unter Mitarbeit von M. Böhle, D. Etling, U. Müller, U. Riedel, K. R. Sreenivasan und J. Warnatz Übungsbuch Strömungsmechanik von H. Oertel jr., M. Böhle und U. Dohrmann Strömungsmechanik von H. Gertel jr. und M. Böhle Technische Strömungslehre von L. Böswirth Numerische Strömungsmechanik von H. Oertel jr. und E. Laurien Aerodynamik der stumpfen Körper von W.-H. Hucho Strömungsmechanik A - Z von H. Herwig (in Vorbereitung) vieweg "

3 Herbert Oertel jr. Martin Böhle Strömungsmechanik Grundlagen, Grundgleichungen, Lösungsmethoden, Softwarebeispiele 3., überarbeitete und erweiterte Auflage Mit 286 Abbildungen ai vleweg

4 Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliographie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. Die Autoren: Prof. Dr.-Ing. habil. Herbert Oertel jr. Ordinarius Institut für Strömungslehre, Universität Karlsruhe (TH), Kaiserstraße 12,76128 Karlsruhe Prof. Dr.-Ing. Martin Böhle, Universitätsprofessor Bergische Universität Wuppertal, Gaußstraße 20, Wuppertal 1. Auflage , überarbeitete und erweiterte Auflage März , überarbeitete und erweiterte Auflage Juni 2004 Alle Rechte vorbehalten Friedr. Vieweg & Sohn VeriagsjGWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden, 2004 Der Vieweg Verlag ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier ISBN ISBN (ebook) DOI /

5 v Vorwort Das Strömungsmechanik Lehrbuch gibt eine Einführung in die Grundlagen, Grundgleichungen und Lösungsmethoden der Strömungsmechanik. Es führt systematisch in die Anwendung strömungsmechanischer Software ein, die der Entwicklungsingenieur in der Industrie vorfindet. Auf vielfachen Wunsch unserer Studenten haben wir in dem vorangegangenen Lehrbuch über die Methoden und Phänomene der Strömungsmechanik die strömungsmechanischen Grundlagen derart ergänzt, wie sie an der Universität Karlsruhe im 5. Semester gelesen werden. Die analytischen und numerischen Lösungsmethoden der strömungsmechanischen Grundgleichungen für turbulente Strömungen bis hin zu praktischen Beispielen der Softwarenutzung folgen in ergänzenden Vorlesungen im 6. Semester. Um Ingenieure, Naturwissenschaftler und Technomathematiker für den Lehrstoff der Strömungsmechanik zu gewinnen, wurde das einführende Kapitel über Beispiele der Strömungsmechanik in Natur und Technik ergänzt. Die Motivation, ein weiteres Lehrbuch der Strömungsmechanik zu schreiben, kam bei der Bearbeitung der 10. Auflage des Standardwerkes Prandtl - Führer durch die Strömungslehre. Alle wesentlichen Gedanken und Ableitungen zu den Grundlagen der Strömungsmechanik finden sich bereits im Originaltext von Prandtl Wir haben den Versuch unternommen, den damaligen Lehrstoff in die heutige Sprache der Ingenieure und Naturwissenschaftler zu übertragen. Dabei wurde berücksichtigt, dass sich die Lösungsmethoden strömungsmechanischer Probleme mit der Einführung von Großrechnern und strömungsmechanischer Software verändert haben. Das Lehrbuch wird ergänzt durch das Übungsbuch Strömungsmechanik. Darin findet der Student zu jedem Kapitel Übungsaufgaben mit ausführlichen Lösungsbeispielen für die Klausurvorbereitung. Softwarebeispiele ergänzen den Übungsstoff, um sich frühzeitig mit dem Umgang an Rechnern vertraut zu machen. Dabei ist das eigenständige Nacharbeiten des in der Vorlesung Erlernten unerlässlich für die Vertiefung des Lehrstoffes. Das Manuskript der Strömungsmechanik wurde gemeinsam mit meinem langjährigen Assistenten und heutigen Universitätsprofessor M. Böhle 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. Zürcher für die Erstellung des Manuskripts und der Abbildungen. Dem Springer-Verlag danken wir für die Übertragung der Methoden und Phänomene der Strömungsmechanik. Dem Vieweg-Verlag sei für die äußerst erfreuliche und gute Zusammenarbeit gedankt. Karlsruhe, Juli 1999 Herbert Oertel jr.

6 VI Vorwort zur 2. Auflage Nachdem die erste Auflage der strömungsmechanischen Grundlagen und die zweite Auflage der mathematischen Methoden der Strömungsmechanik, die 1999 zu einem Lehrbuch Strömungsmechanik zusammengefasst wurden, nach kurzer Zeit vergriffen war, wurde eine Neuauflage erforderlich. In der Zwischenzeit ist die englische Übersetzung Introduction to Fluid Mechanics sowie die dritte Auflage des Übungsbuches Strömungsmechanik erschienen. Das hat uns ermutigt, das bisherige Konzept der Strömungsmechanik-Lehrbuchreihe beizubehalten und die Lehrinhalte weiterzuentwickeln. Bei der Bearbeitung der zweiten Auflage der Strömungsmechanik wurde der zunehmenden Bedeutung der Strömungsmechanik-Software Rechnung getragen und das Kapitel 5 mit den Software Einführungs- und Trainingskursen neu gestaltet. Der Zugang zur Lehrsoftware und den praktischen Beispielen ausgewählter Industrieprojekte erfolgt über die Instituts-Homepage www-isl.mach.uni-karlsruhe.de. Besonderer Dank gilt U. Dohrmann und L. Huber für die bewährte Manuskripterstellung. Dem Vieweg Verlag sei für die äußerst erfreuliche Fortführung der guten Zusammenarbeit gedankt. Karlsruhe, Februar 2002 Herbert Oertel jr. Vorwort zur 3. Auflage Nachdem sich das Strömungsmechanik Lehrbuch in der vorliegenden Form für die Ausbildung der Ingenieure und Naturwissenschaftler etabliert hat, wurde die 3. Auflage konsequent fortgeführt und weiterentwickelt. Die einführenden Strömungsbeispiele aus Natur und Technik wurden ergänzt und können als Lehrfilm von der Homepage heruntergeladen werden. Das Kapitel Technische Strömungen wurde um die Abschnitte Strömungen Nicht-Newtonscher Medien, Strömungen mit Wärmeübertragung und Strömungsmaschinen erweitert. Eine Vertiefung dieser einführenden Kapitel der Strömungsmechanik findet sich in unserer 12. Neuauflage Prandtl - Führer durch die Strömungslehre, die inzwischen auch in englischer und russischer Sprache erschienen ist. Das Kapitel Turbulenzmodelle wurde im Hinblick auf die wachsende Bedeutung der strömungsmechanischen Software in der Industrie erweitert und um den Abschnitt Grobstruktursimulation ergänzt. Das Software-Kapitel 5 wurde mit den Trainingskursen und den Anwendungsbeispielen auf den neuesten Stand gebracht. Besonderer Dank gilt erneut U. Dohrmann und L. Huber für die bewährte Fortführung der Manuskriptarbeiten. Dem Vieweg Verlag sei für die jahrelange äußerst erfreuliche und erfolgreiche Zusammenarbeit gedankt. Karlsruhe, Februar 2004 Herbert Oertel jr.

7 VII Inhaltsverzeichnis 1 Einführung Strömungen in Natur und Technik Strömungsbereiche Prod uktentwicklung 39 2 Grundlagen der Strömungsmechanik Eigenschaften strömender Medien Transporteigenschaften Thermodynamische Eigenschaften Hydro- und Aerostatik Hydrostatik Aerostatik Hydro- und Aerodynamik, Stromfadentheorie Kinematische Grundbegriffe Inkompressible Strömungen Kompressible Strömungen Technische Strömungen Turbulente Strömungen Impulssatz Drehimpulssatz Rohrhydraulik Strömungen Nicht-Newtonscher Medien Strömungsablösung Strömungen mit Wärmeübertragung Strömungsmaschinen Grundgleichungen der Strömungsmechanik Kontinuitätsgleichung (Erhaltung der Masse) Navier-Stokes Gleichungen (Erhaltung des Impulses) Laminare Strömungen Reynolds-Gleichungen für turbulente Strömungen Turbulenzmodelle Grobstruktursimulation Energiegleichungen (Erhaltung der Energie) Laminare Strömung 237

8 VIII Inhaltsverzeichnis Turbulente Strömungen 3.4 Grenzschichtgleichungen Inkompressible Strömungen Kompressible Strömungen 3.5 Potentialgleichungen Potentialgleichung für kompressible Strömungen Potentialgleichung für inkompressible Strömungen 3.6 Grundgleichungen in Erhaltungsform Numerische Lösungsmethoden 4.1 Analytische Vorbereitung Dimensionsanalyse Linearisierung Stabilitätsanalyse Strukturanalyse 4.2 Diskretisierung Galerkin-Methode Finite-Elemente-Methode Finite-Differenzen-Methode Finite-Volumen-Methode Strömungsmechanik Software 5.1 Einführungskurs 5.2 Trainingskurs 5.3 Anwendungsbeispiele Bezeichnungen Ausgewählte Literatur 398 Sachwortverzeichnis 402