Herbert Oertel jr. Martin Böhle Strömungsmechanik
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 "
Herbert Oertel jr. Martin Böhle Strömungsmechanik Grundlagen, Grundgleichungen, Lösungsmethoden, Softwarebeispiele 3., überarbeitete und erweiterte Auflage Mit 286 Abbildungen ai vleweg
Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliographie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über <http://dnb.ddb.de> 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, 42097 Wuppertal 1. Auflage 1999 2., überarbeitete und erweiterte Auflage März 2002 3., 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. www.vieweg.de 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, www.corporatedesigngroup.de Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier ISBN 978-3-528-23893-3 ISBN 978-3-322-96929-3 (ebook) DOI 10.1007/978-3-322-96929-3
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 1942. 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.
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 www.herbertoertel.de 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.
VII Inhaltsverzeichnis 1 Einführung 1 1.1 Strömungen in Natur und Technik 2 1.2 Strömungsbereiche 27 1.3 Prod uktentwicklung 39 2 Grundlagen der Strömungsmechanik 44 2.1 Eigenschaften strömender Medien 44 2.1.1 Transporteigenschaften 44 2.1.2 Thermodynamische Eigenschaften 50 2.2 Hydro- und Aerostatik 56 2.2.1 Hydrostatik 56 2.2.2 Aerostatik 60 2.3 Hydro- und Aerodynamik, Stromfadentheorie 64 2.3.1 Kinematische Grundbegriffe 64 2.3.2 Inkompressible Strömungen 73 2.3.3 Kompressible Strömungen 101 2.4 Technische Strömungen 126 2.4.1 Turbulente Strömungen 126 2.4.2 Impulssatz 139 2.4.3 Drehimpulssatz 146 2.4.4 Rohrhydraulik 149 2.4.5 Strömungen Nicht-Newtonscher Medien 157 2.4.6 Strömungsablösung 161 2.4.7 Strömungen mit Wärmeübertragung 175 2.4.8 Strömungsmaschinen 186 3 Grundgleichungen der Strömungsmechanik 195 3.1 Kontinuitätsgleichung (Erhaltung der Masse) 196 3.2 Navier-Stokes Gleichungen (Erhaltung des Impulses) 198 3.2.1 Laminare Strömungen 198 3.2.2 Reynolds-Gleichungen für turbulente Strömungen 209 3.2.3 Turbulenzmodelle 217 3.2.4 Grobstruktursimulation 232 3.3 Energiegleichungen (Erhaltung der Energie) 237 3.3.1 Laminare Strömung 237
VIII Inhaltsverzeichnis 3.3.2 Turbulente Strömungen 3.4 Grenzschichtgleichungen 3.4.1 Inkompressible Strömungen 3.4.2 Kompressible Strömungen 3.5 Potentialgleichungen 3.5.1 Potentialgleichung für kompressible Strömungen 3.5.2 Potentialgleichung für inkompressible Strömungen 3.6 Grundgleichungen in Erhaltungsform 243 247 247 257 259 259 264 266 4 Numerische Lösungsmethoden 4.1 Analytische Vorbereitung 4.1.1 Dimensionsanalyse 4.1.2 Linearisierung 4.1.3 Stabilitätsanalyse 4.1.4 Strukturanalyse 4.2 Diskretisierung 4.2.1 Galerkin-Methode 4.2.2 Finite-Elemente-Methode 4.2.3 Finite-Differenzen-Methode 4.2.4 Finite-Volumen-Methode 272 274 274 282 293 301 318 319 329 334 341 5 Strömungsmechanik Software 5.1 Einführungskurs 5.2 Trainingskurs 5.3 Anwendungsbeispiele Bezeichnungen 356 360 361 377 396 Ausgewählte Literatur 398 Sachwortverzeichnis 402